SPWM逆變電路原理

1、對于大多數(shù)應(yīng)用場合需要的是工頻電源，例如我們的電冰箱，洗衣機，電風(fēng)扇等都需要正弦波的 220 伏、50 赫茲電源，各種動力設(shè)備，遠(yuǎn)距離輸電也都需要正弦波的交流電。更多的太陽能光伏發(fā)電裝置輸出的是正弦波交流電，目前生成正弦波仍采用前面介紹的全橋電路，只是對開關(guān)晶體管的控制采用 PWM 脈寬調(diào)制或移相控制或調(diào)頻控制等方式。這里僅介紹最常用的 PWM 脈寬調(diào)制方式。面積等效原理轉(zhuǎn)換把直流電轉(zhuǎn)換成正弦波交流電是根據(jù)根據(jù)面積等效原理，在圖 1 上圖中的正弦半波（紅線）分成 n 等份，把正弦半波看成是由 n 個彼此相連的矩形脈沖組成的波形，為簡單清晰，劃分為 7 等份。7 個脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化，每個

2、脈沖面積與相對應(yīng)的正弦波部分面積相同，這一連續(xù)脈沖就等效正弦波。圖 1 用面積等效原理轉(zhuǎn)換為 SPWM 波形如果把上述脈沖序列改為相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖（圖 1 下圖），脈沖中心位置不變，并且使該矩形脈沖面積和上圖又應(yīng)的矩形脈沖相同，得到圖 1 下圖所示的脈沖序列，脈沖寬度按正弦波規(guī)律變化，這就是 PWM 波形。根據(jù)面積等效原理，PWM 波形和正弦半波是等效的，圖中紅線就是該序列波形的平均值。對于正弦波的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到 PWM 波形。這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的 PWM 波形，也稱 SPWM 波形。要改變等效輸出的正弦波的幅值時，只需按照同一比例系數(shù)改

3、變上述各脈沖的寬度即可。SPWM 波形的生成輸出 SPWM 波形仍需全橋逆變電路，在“光伏用 DC-DC 變換器”課件中已介紹過這種電路，通過控制開關(guān)晶體管的通與斷在負(fù)載上產(chǎn)生交變電壓，見圖 2。正電壓輸出新能潦課麗站負(fù)電壓海出,圖 2 全橋逆變電路的工作狀態(tài)輸出 SPWM 波形的矩形波必須生成序列的控制信號來控制橋式電路中開關(guān)晶體管的通與斷，普遍使用的是調(diào)制法來生成控制信號，可采取單極性調(diào)制也可采用雙極性調(diào)制來生成控制信號，下面介紹常用的單極性調(diào)制方式。圖 3 上部分是 SPWM 波形控制信號生成的原理圖，下部分是生成的 SPWM 波形。在調(diào)制法中，把所希望輸出的波形稱為調(diào)制波 ur,把接受

4、調(diào)制的信號稱為載波 uc,通常采用等腰三角波作為載波，正弦波作為調(diào)制信號。在兩波交點時對電路中的開關(guān)器件進(jìn)行通斷控制，就可得到寬度正比于調(diào)制信號幅值的脈沖。在 ur 正半周時，T2 與 T3 保持關(guān)斷，在 ur 和 uc 的交點時刻控制開關(guān)晶體管 T1 與 T4 開通與關(guān)斷：當(dāng) uruc 時控制 T1 與 T4 導(dǎo)通，R 上的電壓為 Ud,當(dāng) urvuc 時控制 T1 與 T4 關(guān)斷，R 上的電壓為0。在 ur 負(fù)半周時，T1 與 T4 保持關(guān)斷，當(dāng) ucur 時控制 T3 與 T2 導(dǎo)通，R 上的電壓為-Ud,當(dāng) ucvur 時控制 T1 與 T4 關(guān)斷，R 上的電壓為 0。這樣在 R 上產(chǎn)

5、生寬度按正弦波規(guī)律變化的 SPWM 波形，見圖 2下圖，其中紅線 uof 表示輸出等效的正弦波交流電電壓。SPWM 逆變器輸出的正弦波交流電電壓 uof 的峰值 uofm 小于輸入的直流電壓 ud,把 uofm/ud 稱為直流電壓利用率，對于單相 SPWM 電路直流電壓利用率的理論值最大為 1,實際上由于種種原因，直流電壓利用率要小于 1。 對于輸出相電壓 （有效值） 為 220V 單相交流電的逆變電路輸入直流電壓要高于 310V。SPWM 逆變器輸出電壓與 ur/uc 成正比，保持載波 uc 不變，改變調(diào)制波 ur 的大小即可控制輸出交流電壓的大小。當(dāng)然，調(diào)制波 ur 峰值要小于載波 uc

6、峰值。圖 3 單極性 PWM 波形生成原理過去采用模擬電路產(chǎn)生調(diào)制信號，精密而高速的電壓比較器對 ur 和 uc 進(jìn)行比較，當(dāng)兩電壓相同時及時控制開關(guān)晶體管進(jìn)行通斷切換，但模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也難以實現(xiàn)精確的控制。采用微處理器直接計算出控制點稱為計算法，但計算法較繁瑣，計算量大，較少使用?，F(xiàn)在已有專用的集成電路用來產(chǎn)生 SPWM 調(diào)制信號，微處理器僅對其發(fā)出輸出頻率、電壓等參數(shù)就可產(chǎn)生高精度控制信號，輸出完好的正弦波，微處理器就有很多時間對整個逆變器進(jìn)行檢測、保護(hù)等控制。這種方式電路簡單、效果好、可靠性高，是目前廣泛使用的控制方法，有關(guān)內(nèi)容請另找專業(yè)書籍或資料。下面是 SPWM 逆變器開關(guān)管通斷

7、切換與波形動畫，動畫左面是開關(guān)管通斷切換動畫，右面上部分是調(diào)制信號動畫，右面下部分是輸出電壓波形動畫。SPWM 逆變器波形動畫以上介紹的是單相的逆變過程，使用最多的是三相逆變器，三相逆變電路則需三套 SPWM調(diào)制電路，同步進(jìn)行控制。圖 4 是三相逆變器的主電路圖，開關(guān)管 T1 至 T6 組成橋式逆變電路，通過三相 SPWM 調(diào)制控制，輸出三相交流電，RA、RB、RC 是三相負(fù)荷，按星形接法，中性線接點為 No 電阻 R1 與 R2 大小相同、電容 C1 與 C2 大小相同，它們在直流輸入側(cè)建uUcUr-Urf+Ud-新能源課忤網(wǎng)站、立中性點 N,該點電位為 Ud/2,兩個 N 點都是中性點，

8、當(dāng)三相負(fù)荷 RARRRC 相同時， 兩個 N 點電位相同，兩個 N 點可以連接。實際應(yīng)用中多數(shù)不連接 N 點，輸入端 R1、R2、C1、C2 只需一個濾波電容即可。有關(guān) SPWM 調(diào)制三相逆變電路較復(fù)雜，具體內(nèi)容請另找專業(yè)書籍或資料。新能卷課件網(wǎng)如圖 4 三相逆變電器主路對于三相 SPWM 逆變器的直流電壓利用率是輸出的正弦波線電壓（峰值）與輸入的直流電壓之比，理論值最大為 0.866,實際上由于種種原因，直流電壓利用率要小于 0.866。對于輸出線電壓（有效值）為 380V 三相交流電的逆變電路輸入直流電壓要高于 620V。從理論上講，三角波（載波）頻率越高，輸出波形越接近正弦波。實際上，開關(guān)管的通斷變化雖然很快，但仍需要一定的時間，在這個時間段里，開關(guān)管要承受高電壓，大電流的沖擊，功耗很大，高頻率切換不但加大損耗降低電源效率，還可能使管子發(fā)熱燒毀。一般逆變器的載波頻率約幾千赫茲，小功率的頻率高些，大功率逆變器的頻率低些。SPWM 波形由方波組成，含有較多諧波成分，必須采用輸出濾波器使輸出波形正弦化。圖 5是濾波器常用的 4