PWM控制技術在逆變電路中的應用

摘要：研究了PWM控制技術在單相橋式逆變電路中的應用，首先詳細地闡述了PWM控制技術的基本原理，簡要地介紹了單相橋式逆變電路的工作原理，然后將PWM控制技術應用到單相橋式逆變電路中，最后通過仿真結果驗證了理論分析的正確性。

1 引言

在電力電子技術發展史上，逆變電路占據非常重要的一環，而PWM控制技術在逆變電路又處于核心地位，如何將PWM控制技術應用到逆變電路當中是擺在廣大科技工作者面前一大難題。針對這個問題，本文首先闡述了PWM控制技術的基本原理，然后詳細地研究了單極性SPWM和雙極性SPWM實現方法，最后將PWM控制技術和單相橋式逆變電路結合起來分析并應用，并通過仿真實驗驗證了PWM控制技術在逆變電路的成功應用。

2 PWM控制技術的基本原理及實現方法

2.1 PWM控制技術的基本原理介紹

根據信號與系統知識可知，沖量相同而形狀不一樣的窄脈沖加在慣性環節上時，其輸出作用相同。如圖1(a)、(b)和(c)所示的三個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慣性的環節上時，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一階慣性環節上，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。這種原理被稱為面積等效原理，它是實現PWM控制技術的理論基礎。

如果用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波，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的實現

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

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

3 PWM控制技術在逆變電路中的應用

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作為開關的單相橋式逆變電路，設負載為阻感性負載。現在本文結合圖4的所示單極性SPWM控制電路對器工作原理進行闡述。圖6所示的電路VT1和VT2互補導通，同樣VT3和VT4也互補導通。Uo在正半周工作時，VT1開通，VT2關斷，VT3和VT4交替通斷，由于是電感性負載，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，而負載電流為正區間。當VT1和VT4都導通時，Uo等于 Ud，VT4關斷時，負載電流通過VT1和UD3續流，Uo=0，負載電流為負區間，io為負，實際上從VD1和VD4流過，此時負載兩端電壓仍有 Uo=Ud，VT4斷，VT3通后，io從VT4和VD1續流，Uo=0，Uo總可得到Ud和零兩種電平。同理可分析Uo在負半周時，讓VT2保持導通，VT1保持關斷，VT3和VT4交替通斷 Uo可得到-Ud和零兩種電平。

3.2 PWM控制技術在逆變電路中的應用

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的負半周為負極性的三角波。在Ur和Uc的交點時刻控制IGBT的通斷，Ur正半周，VT1保持通，VT2保持斷，當Ur>Uc時使VT4通，VT2斷，Uo=Ud，當UrUc時使VT3斷，VT4 通，Uo=0，虛線Uof表示Uo的基波分量。實現VT3和VT4通斷的區別只是在于加在其柵極的驅動電平不同而已，一個為單極性，另外一個為雙極性。

4 仿真驗證

為了驗證PWM控制技術在單相橋式逆變電路中的應用正確性，本文給出了其仿真結果如圖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中上面波形為負載兩端輸出電壓仿真波形，下面波形為負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中上面波形為負載兩端輸出電壓仿真波形，下面波形為負載輸出電流仿真波形，跟圖5理論分析完全一致，仿真結果驗證了理論分析的正確性。

5 結論

通過以上分析，將PWM控制技術與逆變電路結合起來使用，不僅能夠逆變電路工作穩定可靠，更重要的是很容易改變PWM的占空比，從而實現逆變電路輸出電壓有效值的改變，為逆變電路在各個行業的應用奠定了基礎。