PWM逆变电路的控制方式

    逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合，目前中、小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术，PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前实用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路，本节主要讨论电压型PWM逆变电路的控制方法。    根据上面所讲的SPWM的控制原理，如果给出逆变电路输出波形的等效正弦波的频率、幅值、半个周期内的脉波数，SPWM波形中各脉冲的宽度和间隔就可以准确地计算出来，按照计算结果来控制逆变电路中的各开关管的开关，就可以得到所需的SPWM波形。这种PWM逆变电路的控制方式或者说SPWM波的生成方式就是计算法。可以想象，计算法中在要求输出PWM波形的频率、幅值或相位变化时，计算中的数据都要相应发生变化，当PWM波的半周期脉波数稍多时，计算法就很繁琐。因此，计算法在实际中应用得很少。    调制法是与计算法相对应的在实际中获得广泛应用的PWM逆变电路的控制方式。调制法是把希望输出的波形作为调制信号，把接收调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。载波通常采用锯齿波或等腰三角波，等腰三角波应用最多。通常将通过调制波与三角形载波比较来获得PWM控制信号的方法称为载频三角波比较法。    以下结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明。图3.36是采用IGBT作为开关器件的电压型单相桥式逆变电路，负载为感性，调制波和载波作为调制电路的输入，调制电路的输出作为IGBT的控制信号，即通过比较调制波和载波的电压高低确定当前的IGBT的驱动信号的电平。调制法根据具体控制方式的不同，可分为单极性正弦脉宽调制和双极性正弦脉宽调制。    单极性正弦脉宽调制的控制原理如图3.36所示。在正弦波的正半周，让VT2一直保持截止，让VT1一直保持导通，让VT4交替通断。当VT1和VT4同时导通时，负载上所加电压为直流电源电压Ud，当VT1导通而VT4关断后，由于电感性负载的电流不能突变，负载电流将通过二极管VD3续流，负载上所加电压为零。如果负载电流比较大，在VT1再一次导通之前，VD3可以一直维持续流导通。如果负载电流较小，续流中很快衰减到零，在VT1再一次导通之前负载电压也一直为零。这样，在正弦波的正半周期，负载电压uo为矩形波，高电平为Ud，低电平为0，在正弦波的负半周期，采用相似的控制方式可以实现负载电压uo的幅值为负的矩形波。因而，通过控制相应开关管的通断就可以控制负载电压uo的占空比。
    图3.36    单相桥式PWM逆变电路    问题是根据什么来决定VT4的通断呢？在图3.37中，uc为三角载波，ur为正弦调制波。在正弦波ur的正半周期，uc为正极性的三角波，VT1始终保持导通，当Ur>uc时，VT4导通，uo为高电平Ud；ur<uc时，VT4关断，uo为零电平。在正弦波ur的负半周期，uc为负极性的三角波，VT1关断，VT2始终保持导通，当ur<uc时，VT3导通，uo为低电平一Ud; ur>uc时，VT3关断，uo为零电平。
    图3.37    单极性正弦脉宽调制的控制原理    双极性正弦脉宽调制的控制原理如图3.38所示。双极性正弦脉宽调制的控制方式和单极性正弦脉宽调制的控制方式类似，在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负，其幅值只有正负Ud两种电平。当ur>uc时，给VT1和VT4导通信号，给VT2和VT3关断信号。如果io>0，VT1和VT4导通，如果io<0，VD1和VD4导通，uo为高电平Ud。当ur<uc时，给VT2和VT3导通信号，给VT1和VT4关断信号。如果io<0，VT2和VT3导通，如果io>0，VD2和VD3导通，uo为低电平-Ud。
    图3.38    双极性正弦脉宽调制的控制原理    对照图3.37和图3.38可以看出，单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制，由于对开关器件通断控制的规律不同，它们的输出波形也有较大的差别。对于三相逆变器也可以采用单极性或者双极性正弦脉宽调制的控制方式，a、b、c三相通常可共用一个三角形载波信号，三相调制信号ura、Urb、urc的相位依次相差120°。a、b、c三相的控制规律相同，只不过相位上相差120°。三相桥式PWM逆变电路和波形原理如图3.39和图3.40所示。
    图3.39    三相桥式PWM逆变电路
    图3.40    三相桥式PWM逆变电路波形    需要说明的是，在双极性PWM控制方式中，同一相的上下两个桥臂的驱动信号是互补的，为防止上下臂直通而造成短路，应留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定。死区时间的存在会给输出的PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。    在PWM调制中，当等效的正弦波的频率发生变化时，如何控制PWM波才能满足要求？实际中有3种方法，即同步调制、异步调制及分段同步调制。载波频率fc与调制信号频率fr之比称为载波比，用N表示，即N=fc/fr。上述3种方法就是根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况分类的。    异步调制是载波信号和调制信号不同步的调制方式，通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的。这样，在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称。当fr较低时，N较大，一个周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小；当fr增高时，N减小，一个周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大。    同步调制是载波信号和调制信号保持同步的调制方式，当变频时使载波与信号波保持同步，即Ⅳ等于常数。fr变化时，fc同步变化，保持N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定。但是，当fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除；fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受。    分段同步调制是异步调制和同步调制的综合应用。把整个fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段的N不同。在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高；在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低。图3.41所示为分段同步调制方式举例。
    图3.41    分段同步调制方式举例