PWM控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用

摘要：研究了PWM控制技術(shù)在單相橋式逆變電路中的應(yīng)用，首先詳細(xì)地闡述了PWM控制技術(shù)的基本原理，簡要地介紹了單相橋式逆變電路的工作原理，然后將PWM控制技術(shù)應(yīng)用到單相橋式逆變電路中，最后通過仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。

1 引言

在電力電子技術(shù)發(fā)展史上，逆變電路占據(jù)非常重要的一環(huán)，而PWM控制技術(shù)在逆變電路又處于核心地位，如何將PWM控制技術(shù)應(yīng)用到逆變電路當(dāng)中是擺在廣大科技工作者面前一大難題。針對這個(gè)問題，本文首先闡述了PWM控制技術(shù)的基本原理，然后詳細(xì)地研究了單極性SPWM和雙極性SPWM實(shí)現(xiàn)方法，最后將PWM控制技術(shù)和單相橋式逆變電路結(jié)合起來分析并應(yīng)用，并通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了PWM控制技術(shù)在逆變電路的成功應(yīng)用。

2 PWM控制技術(shù)的基本原理及實(shí)現(xiàn)方法

2.1 PWM控制技術(shù)的基本原理介紹

根據(jù)信號與系統(tǒng)知識可知，沖量相同而形狀不一樣的窄脈沖加在慣性環(huán)節(jié)上時(shí)，其輸出作用相同。如圖1(a)、(b)和(c)所示的三個(gè)波形分別為矩形波脈沖、三角波形脈沖以及正弦波形脈沖，顯然它們的形狀完全不同，但是面積完全相同，如果把它們分別加在具有同一個(gè)慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其輸出作用完全相同。

(a)矩形波脈沖 (b)三角波脈沖 (c)正弦半波脈沖

分別將如圖1所示(a)、(b)和(c)所示波形施加在同一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)上，其電路圖和輸出電流i(t)輸出分別如圖2(a)和(b)所示。從2(b) 可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形狀也稍微有點(diǎn)不同，但其下降段則完全相同。值得說明的是脈沖越窄，各i(t)輸出波形的差異可以忽略不計(jì)。這種原理被稱為面積等效原理，它是實(shí)現(xiàn)PWM控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)。

如果用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個(gè)正弦半波，也就是說把正弦半波分成N等份，然后被把它看成N個(gè)首尾相連的脈沖序列，而這些被平分的波形寬度完全相等，但幅值卻不相等。然后用矩形脈沖代替這些被平分的N份波形，矩形脈沖同樣被要求幅度相等，而寬度不相同，但是要保證它們的中點(diǎn)完全重合，面積與N份波形相同，這樣就可以得到脈沖序列，如圖3所示。根據(jù)上述分析，PWM波形和正弦半波是等效的。

2.2 單極性和雙極性SPWM的實(shí)現(xiàn)

將輸出波形作調(diào)制信號，進(jìn)行調(diào)制可以得到想要的PWM波;一般都采用等腰三角波作為載波，原因在于其任一點(diǎn)水平寬度和高度成線性關(guān)系，而且左右對稱。此外，與任一平緩變化的調(diào)制信號波相交，在交點(diǎn)控制器件通斷，就得寬度正比于信號波幅值的脈沖，符合PWM的要求。當(dāng)調(diào)制信號波為正弦波時(shí)，得到的就是SPWM波。如果在正弦調(diào)制波的半個(gè)周期內(nèi)，三角載波只在正或負(fù)的一種極性范圍內(nèi)變化，所得到的SPWM波也只處于一個(gè)極性的范圍內(nèi)，叫做單極性控制方式，如圖4所示。

與單極性PWM控制方式相對應(yīng)的是雙極性控制方式，如圖5所示，采用雙極性方式時(shí)，在Ur的半個(gè)周期內(nèi)，三角波載波不再是單極性的，而是有正有負(fù)，所得的 PWM波也是有正有負(fù)。在Ur的一個(gè)周期內(nèi)，輸出的PWM波只有±Ud兩種電平，而不像單極性控制時(shí)還有零電平，雙極性SPWM控制方式仍然在調(diào)制信號和載波信號的交點(diǎn)時(shí)刻控制各開關(guān)器件的通斷。

3 PWM控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用

3.1 單相橋式逆變電路中的工作原理介紹

圖6為采用全控器件IGBT作為開關(guān)的單相橋式逆變電路，設(shè)負(fù)載為阻感性負(fù)載?，F(xiàn)在本文結(jié)合圖4的所示單極性SPWM控制電路對器工作原理進(jìn)行闡述。圖6所示的電路VT1和VT2互補(bǔ)導(dǎo)通，同樣VT3和VT4也互補(bǔ)導(dǎo)通。Uo在正半周工作時(shí)，VT1開通，VT2關(guān)斷，VT3和VT4交替通斷，由于是電感性負(fù)載，電流比電壓滯后，所以在電壓Uo正半周，電流有一段為正，一段為負(fù)，而負(fù)載電流為正區(qū)間。當(dāng)VT1和VT4都導(dǎo)通時(shí)，Uo等于 Ud，VT4關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流通過VT1和UD3續(xù)流，Uo=0，負(fù)載電流為負(fù)區(qū)間，io為負(fù)，實(shí)際上從VD1和VD4流過，此時(shí)負(fù)載兩端電壓仍有 Uo=Ud，VT4斷，VT3通后，io從VT4和VD1續(xù)流，Uo=0，Uo總可得到Ud和零兩種電平。同理可分析Uo在負(fù)半周時(shí)，讓VT2保持導(dǎo)通，VT1保持關(guān)斷，VT3和VT4交替通斷 Uo可得到-Ud和零兩種電平。

3.2 PWM控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用

控制VT3和T4通斷的方法既可以用圖4單極性SPWM控制方式，也可以用圖6所示的雙極式控制方式。比如調(diào)制信號Ur為正弦波，載波 Uc在Ur的正半周為正極性的三角波，在Ur的負(fù)半周為負(fù)極性的三角波。在Ur和Uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制IGBT的通斷，Ur正半周，VT1保持通，VT2保持?jǐn)?，?dāng)Ur>Uc時(shí)使VT4通，VT2斷，Uo=Ud，當(dāng)UrUc時(shí)使VT3斷，VT4 通，Uo=0，虛線Uof表示Uo的基波分量。實(shí)現(xiàn)VT3和VT4通斷的區(qū)別只是在于加在其柵極的驅(qū)動(dòng)電平不同而已，一個(gè)為單極性，另外一個(gè)為雙極性。

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證PWM控制技術(shù)在單相橋式逆變電路中的應(yīng)用正確性，本文給出了其仿真結(jié)果如圖7和圖8所示，其中圖7為單極性SPWM控制橋式逆變電路的仿真波形，圖7中上面波形為負(fù)載兩端輸出電壓仿真波形，下面波形為負(fù)載輸出電流仿真波形，跟圖4理論分析完全一致。圖8為雙極性SPWM控制橋式逆變電路的仿真波形，圖8中上面波形為負(fù)載兩端輸出電壓仿真波形，下面波形為負(fù)載輸出電流仿真波形，跟圖5理論分析完全一致，仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。

5 結(jié)論

通過以上分析，將PWM控制技術(shù)與逆變電路結(jié)合起來使用，不僅能夠逆變電路工作穩(wěn)定可靠，更重要的是很容易改變PWM的占空比，從而實(shí)現(xiàn)逆變電路輸出電壓有效值的改變，為逆變電路在各個(gè)行業(yè)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。