基于ＰＷＭ的逆變電路分析

摘 要：PWM控制技術(shù)是逆變電路中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)。為了對(duì)PWM型逆變電路進(jìn)行分析，從PWM控制的基本原理出發(fā)，首先建立了逆變器控制所需的電路模型，采用IGBT作為開關(guān)器件，并對(duì)單相橋式電壓型逆變電路和PWM控制電路的工作原理進(jìn)行了分析。使用雙蹤示波器對(duì)電路的輸出波形進(jìn)行分析，給出了仿真波形。實(shí)踐表明：運(yùn)用PWM控制技術(shù)能夠很好地實(shí)現(xiàn)逆變電路的運(yùn)行要求。



關(guān)鍵詞：脈寬調(diào)制；逆變電路；IGBT；脈沖

中圖分類號(hào)：TN4，TM1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004373X(2008)0115902

Analysis of Inverter Circuit Based on PWM



TANG Caigang ZHU Hongtao2，LI Li3，CHEN Guoqiao1

(1.School of Electrical Electronic Engineering，Hubei University of Technology，Wuhan，430068，China;

2.College of Electrical Information Engineering，Hunan University，Changsha，140082，China;

3.Yangquan Institute，Taiyuan University of Technology，Yangquan，045000，China)



Abstract：PWM control technology is the most popular technology in inverter circuit.In order to analyse PWM inverter circuit，this paper starts with the basic control theory of PWM.First the circuit model is established and the IGBT is used for switch component.The operation principle of single-phase bridge voltage model inverter circuit and PWM control circuit are analysed.The double oscillograph is used in the analysis of output wave of the circuit.The simulative wave is given.It has been proved that the use of PWM control technology can best achieve the operation requirement of inverter circuit.



Keywords：PWM;inverter circuit;IGBT;impulse

由電力電子技術(shù)的發(fā)展來看，逆變器是較早采用的一種DC/AC變換裝置。PWM控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用最為廣泛，對(duì)逆變電路的影響也最為深刻。現(xiàn)在大量應(yīng)用的逆變電路中，絕大部分都是PWM型逆變電路。可以說PWM控制技術(shù)正是有賴于在逆變電路中的應(yīng)用，才發(fā)展得比較成熟，并確定了他在電力電子技術(shù)中的重要地位。

1 PWM控制的基本原理

PWM(Pulse Width Modulation)控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形(含形狀和幅值)。

在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。這里所說的效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。如果把各輸出波形用傅里葉變換分析，則其低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。例如圖1(a)，圖1(b)，圖1(c)所示的3個(gè)窄脈沖形狀不同，其中圖1(a)為矩形脈沖，圖1(b)為三角形脈沖，圖1(c)為正弦半波脈沖，但他們的面積(即沖量)都等于1，那么，當(dāng)他們分別加在具有慣性的同一個(gè)環(huán)節(jié)上時(shí)，其輸出響應(yīng)基本相同。當(dāng)窄脈沖變?yōu)閳D1(d)的單位脈沖函數(shù)δ(t)時(shí)，環(huán)節(jié)的響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過渡函數(shù)。

上述原理可以稱之為面積等效原理，他是PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)。

2 PWM逆變電路及其控制方法

PWM控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用十分廣泛，目前中小功率的逆變電路幾乎都采用了PWM技術(shù)。逆變電路是PWM控制技術(shù)最為重要的應(yīng)用場(chǎng)合，PWM逆變電路可分為電壓型和電流型兩種。目前實(shí)際應(yīng)用的PWM逆變電路幾乎都是電壓型電路。

3 計(jì)算法和調(diào)制法

根據(jù)PWM控制的基本原理，如果給出了逆變電路的正弦波輸出頻率、幅值和半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)，PWM波形中各脈沖的寬度和間隔就可以準(zhǔn)確計(jì)算出來。按照計(jì)算結(jié)果控制逆變電路中各開關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的PWM波形，這種方法稱之為計(jì)算法。可以看出，計(jì)算法是很繁瑣的，當(dāng)需要輸出的正弦波的頻率、幅值或相位變化時(shí)，結(jié)果都要變化。

與計(jì)算法相對(duì)應(yīng)的是調(diào)制法，即把希望輸出的波形作為調(diào)制信號(hào)，把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波，通過信號(hào)波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波或鋸齒波作為載波，其中等腰三角波應(yīng)用最多。因?yàn)榈妊遣ㄉ先我稽c(diǎn)的水平寬度和高度成線形關(guān)系且左右對(duì)稱，當(dāng)他與任何一個(gè)平緩變化的調(diào)制信號(hào)波相交時(shí)，如果在交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)電路中開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，就可以得到寬度正比于信號(hào)波幅值的脈沖，這正好符合PWM控制的要求。在調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，所得到的就是SPWM波形，這種情況應(yīng)用最廣。當(dāng)調(diào)制信號(hào)不是正弦波，而是其他所需要的波形時(shí)，也能得到與之等效的PWM波^[1，2]。

4 逆變電路的原理圖

4.1 主電路圖及其工作原理

圖2是采用IGBT作為開關(guān)器件的單相橋式電壓型逆變電路。設(shè)負(fù)載為阻感負(fù)載，工作時(shí)V1和V2的通斷狀態(tài)互補(bǔ)，V3和V4的狀態(tài)通斷狀態(tài)也互補(bǔ)^[3]。具體的控制規(guī)律如下：在輸出電壓u0的正半周，讓V1保持通態(tài)，V2保持?jǐn)鄳B(tài)，V3和V4交替通斷。由于負(fù)載電流比電壓滯后，因此在電壓正半周，電流有一段區(qū)間為正，一段區(qū)間為負(fù)。在負(fù)載電流為正的區(qū)間，V1和V4導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電壓u0等于直流電壓ud。在負(fù)載電流為負(fù)的區(qū)間，仍為V1和V4導(dǎo)通時(shí)，因i0為負(fù)，故i0實(shí)際上從VD1和VD4流過，仍有u0=ud。這樣，u0就可以得到ud電平。同樣，在u0的負(fù)半周，讓V2保持通態(tài)，V1保持?jǐn)鄳B(tài)，V3和V4交替通斷，負(fù)載電壓u0可以得到－ud電平.

4.2 PWM信號(hào)產(chǎn)生電路及其工作原理

在圖6中XFG1為正弦波發(fā)生器，為希望輸出的波形，此信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)ur，連接到比較器LM139AJ的同相端(正極端)；XFG2為三角波發(fā)生器，此信號(hào)作為載波信號(hào)uc，接到比較器的反向端(負(fù)極端)。波形發(fā)生器和比較器的公共端接地，15 V直流電源VCC作為比較器的驅(qū)動(dòng)源，XSC1為雙綜示波器A、B端點(diǎn)分別為兩個(gè)通道，G為接地端，T是外觸發(fā)輸入端。由波形發(fā)生器產(chǎn)生的正弦信號(hào)波和三角載波送到比較器電路，經(jīng)調(diào)制就得到所需的PWM波形。為了得到如圖6所示的輸出波形，將三角波波發(fā)生器的參數(shù)設(shè)置為：信號(hào)頻率為2 kHz，[WTBZ]占空比為50%，輸出幅度為10 V，直流偏置為0。正弦波發(fā)生器的參數(shù)設(shè)置為：信號(hào)頻率為200 kHz，輸出幅度為8 V，直流偏置為0。

5 仿真與實(shí)驗(yàn)

依照?qǐng)D6的原理圖用示波器進(jìn)行仿真，波形如圖7所示^[5]。

6 結(jié) 語(yǔ)

由仿真和實(shí)驗(yàn)波形可見，各相上下橋臂控制信號(hào)的相位上下互補(bǔ)。任何時(shí)刻，有一個(gè)控制信號(hào)處于高位，其余的處于低位。已調(diào)制控制信號(hào)的脈寬隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化，但在同一時(shí)間內(nèi)其脈寬則隨調(diào)制比的值變化而變化。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］張加勝，張磊.PWM逆變器的直流側(cè)等效模型研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27(4):103-107.

［2］沈傳文，劉瑋，路強(qiáng)，等.基于前饋解耦的三相PWM整流器研制[J].電力電子技術(shù)，2006，40(2)：28-29.

［3］李俊，薄翠梅，史偉偉，等.一種直流PWM控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表，2007，28(2):13-15.

［4］王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].4版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［5］熊偉，侯傳俊，梁青，等.Multisim7電路設(shè)計(jì)及仿真應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［6］劉志華.用普通PWM控制器實(shí)現(xiàn)同步整流[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，29(16):141-142.

作者簡(jiǎn)介

湯才剛 男，1982年出生，湖北武漢人，湖北工業(yè)大學(xué)電力電子與電力傳動(dòng)專業(yè)研究生。主要從事通信與信息技術(shù)方向的研究。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。”