PWM逆变电路的设计

PWM逆变电路的设计

1 PWM控制技术

PWM控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是PWM型，PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。

本文主要以逆变电路为控制对象来介绍PWM控制技术。

1.1 PWM控制的基本原理

在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅立叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。

图1-1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲

1.2 面积等效原理

分别将如图1-1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图1-2a所示。其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图1-2b所示。从波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。

用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。

上述原理可以称为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础。 PWM波形可分为等幅PWM波和不等幅PWM波。本次设计的PWM逆变电路，其PWM波都是由直流电源产生，由于直流电源电压幅值基本恒定，因此PWM波是等幅的。

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PWM逆变电路的设计

2 PWM逆变电路及其控制方法

目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术。逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合。

PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前实用的几乎都是电压型。

2.1 计算法

根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形。按照计算结果控制逆变电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形。这种方法称之为计算法。

缺点：繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化

2.2 单极性PWM控制方式

输出波形作调制信号，进行调制得到期望的PWM波；通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波；等腰三角波应用最多，其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称；与任一平缓变化的调制信号波相交，在交点控制器件通断，就得宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合PWM的要求。

调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波；调制信号不是正弦波，而是其他所需波形时，也能得到等效的PWM波。

结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明：

设负载为阻感负载，工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补。 控制规律：

u0正半周，

V通，V2断，V3和V4交替通断，负载电流比电压滞后，在电压u正半

周，电流有一段为正，一段为负，负载电流为正区间，V1和V4导通时，u0等于Ud，V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，u0=0，负载电流为负区间，i0为负，实际上从VD1和VD4流过，仍有u0=Ud，V4断，V3通后，i0从V3和VD1续流，u0=0，u0总可得到Ud和零两种电平。

u0负半周，让V2保持通，V1保持断，V3和V4交替通断，u0可得-Ud和零两种电平。

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图2-1单相桥式PWM逆变电路

单极性PWM控制方式（单相桥逆变）：在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。ur正半周，V1保持通，V2保持断，当ur>uc时使V4通，V3断，u0=Ud，当uruc时使V3断，V4通，u0=0，虚线u0f表示u0的基波分量。波形见图2-2。

图2-2 单极性PWM控制方式波形

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3 PWM控制电路的调制方式

载波频率fc与调制信号频率fr之比，称为载波比。根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制。

3.1 异步调制

异步调制——载波信号和调制信号不同步的调制方式。

通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的。在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。当fr较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称的不利影响都较小，当fr增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大。因此，在采用异步调制方式时，希望采用较高的载波频率，以使在信号波频率较高时仍能保持较大的载波比。

3.2 同步调制

同步调制——N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步。

基本同步调制方式，fr变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定。三相，公用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使三相输出对称。为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数。当N=9时的同步调制三相PWM波形如图3-1所示。

fr 很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除，fr很高时，fc会过高，使开关

器难以承受。为了克服上述缺点，可以采用分段同步调制的方法。

把fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段N不同。在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高，在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低。

图3-2分段同步调制一例,为防止fc在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法。同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易实现。可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近。

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图 3-1同步调制三相PWM波形

图3-2分段同步调制方式举例

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