浅议在逆变器中正弦脉宽调制技术的研究

浅议在逆变器中正弦脉宽调制技术的研究

吴易容

吴易容（广州市地下铁道总公司运营事业总部511400）

摘要:分析了应用于逆变电源的三种正弦脉宽调制技术,比较它们的输出电压频谱及开关损耗。最后选择了HPWM控制方式应用于一个实验样机,并给出实验结果。

关键词:正弦脉宽调制;谐波;逆变器

0引言正弦特有的脉宽调制，也即SPWM架构下的调制技术，是逆变电源关联着的控制路径。采纳高频态势下的三角形载波，整合着低频态势的正弦波，经由比对得来SPWM这一新波形。依循输出幅度的变更，总体范畴内可把调制方式，分成单极性调制、与之对应的，为双极性调制。在这之中，双极性依循的控制流程，可分成正负电平；单极性架构下的管控方式，可输出关联着的三种电平。如上的调制技术，被划归为UPWM、对应着的BPWM。与此同时，HPWM依循的调制途径，关联着不同桥臂范畴中的功率管；在拟定好的不同频率之下，这种路径也可看成特有的UPWM。本文明辨了三种管控的流程，经由仿真解析，选取出来的控制方式，被设定成HPWM。它用于单相特性的、全桥式架构中的逆变电源。

1、调制依照的途径（图1）为相应的逆变器拓朴结构。该单相逆变器的主电路选最常用的全桥拓扑。其中T1～T4为四只全控开关管(GTR、MOSFET或IGBT);D1～D4为快恢复续流二极管。控制技术采用了控制逆变电源的主流方法:正弦脉宽调制(SPWM)法。经过LC低通滤波器,滤去高频成分,在滤波电容两端获得光滑的正弦波。图2即为如前所述的三种调制方式,这三种方式均由正弦波(Uc)和三角载波(Us)按照不同方式交截而成。双极性控制方式见（图2b）,逆变桥的对角功率管同时开通和关断,两种互补导通,所有功率管均为高频开关。（图2c)为混合控制方式,逆变桥的对角功率管一个常通,另一个采用SPWM脉宽调制。该种方式使得同一桥臂的功率管在前半个周期工作在低频,而下半个周期工作在高频。

逆变桥输出UAB为+Ud或-Ud和零。整个输出电压周期内所得到的也是三态输出电压波形。

2、明辨谐波规律Pspice这一规格下的仿真软件，能建构电路拓扑特性的这种模型，妥善予以模仿。仿真流程得来的频谱图，涵盖着三种路径之下的控制途径。不同特性的控制流程，输出来的电压频谱，也会表征出不同的状态。关联的文献，已有很完备的记载，因此不再重复。电源配有的总框架，包含着如下范畴的仿真参数。例如：基波幅值及对应着的调制度，呈现着正比关联；幅度固有的两侧，呈现着对称缩减的倾向。

输出来的频谱范畴，包含惯常提到的载波基波、载波特有的多次谐波，即n次谐波。载波及对应着的多次谐波，应被看成上下边对应的谐波。若次数设定为偶数，则n次状态下的这一谐波，是并不存在的；若k+n这一数值被设定为偶数，那么载波及关联着的上下边频谱，是并不存在的。由此可见，BPWM路径下的方式，带有简易的特性及通用的特性。与其他范畴内的惯用方式相比，它没能消除潜藏着的谐波。

如（图3）所示，若控制路径下的HPWM，被设定成UPWM特有的双倍，那么输出范畴内的频谱等同。这是因为，两种不同特性的控制途径，都惯常采纳三角载波。两种特性的控制中，会产生同等数值下的电压；附带着的频谱，也会凸显着同样的数值。

若载波被看成斜坡函数，则比对UPWM，惯用的HPWM会带有偏少数目下的边频带，最大范畴中的谐波幅度，也是偏低的。经由比对可知，THD这样的数值，BPWM会有表征偏大的倾向。这是因为，BPWM预设的控制流程之下，电压会更替为原初的双倍；而UPWM特有的控制之下，电压仅为原初的一倍。这就引发体系以内的频谱恶化。

3、开关损耗比较在高频下工作时,MOSFET电容元件的充、放电造成的损耗十分显著。逆变频率的提高意味着开关管的开关频率增高,开关损耗明显加大,这将造成功率管的发热严重,电流下降等不利影响,整机的功率和效率也无法提高。开关损耗是在设计逆变电源中需要重点考虑的一个因素。UPWM控制方式和BPWM控制方式的功率管均以较高的开关频率工作,虽然输出正弦电压波形较理想,但开关损耗较大。一般认为HPWM控制方式时,由于桥臂半个周期工作在低频,半个周期工作在高频,相对于UPWM控制方式和BPWM控制方式的功率管均以较高的开关频率工作,这种开关损耗要小。

采用HPWM控制方式,可以得到较为理想的输出正弦电压波形,同时开关损耗又不太大。HPWM控制方式在三个开关方案中有最低的总开关损耗。

4、对数值的解析为了明辨逆变器现有的总状态，安设了直流特性的某一输入装置；附带着的输入电压被设定成450伏特；输出时段中的电压拟定为300伏特。逆变器预设的输出频率被设定成500赫兹。在这之中，L固有的数值0.8mH；C这一数值为3μF。如下的图例，分别表征着HPWM这一路径之下，桥臂附带着的功率管，凸显出来的驱动波形。把测量得来的这种波形，妥善予以放大。HPWM特有的管控路径下，桥臂预设的半周期，都被调和为低频。这样一来，桥臂衔接的功率管，就凸显了衡平的工作倾向。选出来的功率管，若固有的寿命能均衡，则可增添这一流程的可靠特性。逆变器输出来的电压、电流测量得来的电感波形，可以明晰这一规律：波形现有的正弦属性，还是较优良的。采纳了某规格下的电力分析仪，获取交流侧这一范畴的总体畸变率。畸变率关联着的比值，被测定成1.1%。

5、结论介绍了三种应用于逆变电源的SPWM正弦脉宽调制技术,分析了它们的逆变桥输出电压的频谱及开关损耗。在此基础上选择了HPWM控制方式,HPWM控制方式相对于BPWM和UPWM两种控制方式而言,综合了开关损耗减少,输出谐波含量较少的优点,具有一定的优越性。HPWM控制方式不仅可以得到较为理想的正弦输出波形,而且开关损耗较小，因此有较好的实用价值。

参考文献:[1]李维琴.1kVA逆变器模块的研究与开发[D].南京:南京航空航天大学硕士学位论文.[2]曹立威.SPWM谐波分析的一般方法[J].南京:电力电子技术,2000,8,36(4)