变频器的技术脉冲宽度调制(PWM)

    实现变频变压的方法有多种，目前应用较多的是脉冲宽度调制技术，简称PWM (Pulse Width Modulation)技术。PWM控制是指在保持整流得到的直流电压大小不变的条件下，利用半导体开关器件的导通与关断把直流电压变换为电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲的宽度（或用占空比表示）或周期，达到改变等效输出电压的一种方法。
    图1-7    PWM脉宽调制    PWM的输出电压基本波形如图1-7所示。在半个周期内，输出电压平均值的大小，由半周中输出脉冲的总宽度决定。在半周中保持脉冲个数不变而改变脉冲宽度，可改变半周内输出电压的平均值，从而达到改变输出电压有效值的目的。脉宽调制的方法很多，从调制脉冲的极性上看，可以分为单极性和双极性调制两种；从载频信号和参考信号（基准信号）频率之间的关系来看，又可以分为同步式和非同步式两种。    PWM输出电压的波形是非正弦波，用于驱动三相异步电动机运行时性能较差。如果使整个半周内脉冲宽度按正弦规律变化，即使脉冲宽度先逐步增大，然后再逐渐减小，输出电压也会按正弦规律变化。这就是目前实际中应用最多的正弦PWM法，简称SPWM，波形如图1-8所示。
    图1-8    SPWM正弦脉宽调制    SPWM波形产生的方法是：在变频器的控制电路中，由调制波信号发生器提供的一组三相对称正弦波信号作为变频器输出的基波，与三角波振荡器提供的三角波载波信号相叠加。通过其交点时刻控制主电路半导体开关器件Vl-V6的通断，从而得到一组等幅而不等宽且两侧窄、中间宽的脉冲电压波形，其大小和频率通过调节正弦波调制信号的幅值和频率而改变，即按正弦规律变化，单极性调制波形如图1-9所示。    ①单极性正弦波脉宽调制    在每半个周期内输出若干个等幅、等距而宽度不同的矩形脉冲波，每一矩形波的面积近似对应正弦波各相应局部波形下的面积，则输出电压可近似认为与正弦波等效。经倒相后正半周输出正脉冲列，负半周输出负脉冲列。由波形可见，SPWM比PWM的调制波形更接近于正弦波，谐波分量大为减小。
    图1-9    SPWM正弦单极性脉宽调制    SPWM输出电压的大小和频率均由正弦参考电压来控制，当改变正弦电压幅值时，脉宽即随之改变，从而改变输出电压的大小；当改变正弦电压的频率时，输出电压频率即随之改变。但要注意正弦波的幅值必须小于三角波的幅值，否则就得不到脉宽与其对应正弦波下的积分成正比这一关系，输出电压的大小和频率就将失去所要求的配合关系。    图1-9只给出单相脉宽调制波形。对于三相变频器，必须产生相位差120°的三相调制波。载频三角波三相可以共用，但必须有一个可变频变幅的三相正弦波发生器，产生可变频变幅的三相正弦参考信号，然后分别比较产生三相输出脉冲调制波。    若三角波和正弦波的频率成比例地改变，不论输出频率高低，每半周的输出脉冲波数量不变，即为同步调制式。    若三角波频率一定，只改变正弦参考信号的频率，正、负半周的脉冲波数和相位在不同输出频率下就不是完全对称的了，这种方式就是非同步脉宽调制方式。非同步脉宽调制虽然正、负半周输出波形不能完全对称，会出现偶次谐波，但是每周的输出调制脉冲波数将随着输出频率的降低而增多，有利于改善低频输出特性。    ②双极性调制    单极性脉宽调制，脉冲的极性不改变，要正、负半周输出不同极性的脉冲，必须另加倒相电路。与此相对应，若在调制过程中，载频信号和参考信号的极性交替地不断改变则称为双极性调制，其三相调制波形如图1-10所示。与上述单极性SPWM的情况相同，输出电压的大小和频率也是由改变正弦参考信号的幅值大小和频率调制的。参考信号也可以采用阶梯式准正弦波。    这种正弦波脉宽调制方式，也可以采用同步式和非同步式调制方式，但SPWM型变频器带异步负载时，在脉宽调制过程中，要根据异步电动机变频调速控制特性的要求，在调节正弦参考信号频率的同时，要相应地适当调节其幅值，使输出基波电压的大小与频率之比为恒值，即保持U/f为常数。
    图1-10    SPWM正弦双极性脉宽调制    SPWM的优点是能消除与抑制谐波，并可同时控制频率和电压。我们知道，如果逆变器输出是方波电压，这个电压波形除了含有正弦基波外还含有丰富的高次谐波，如3次、5次、7次等，利用SPWM控制技术，将输出波形进行调整，可以大大削弱某些谐波，使负载电机在近似正弦波的交变电压下运行，转矩脉动小，调速范围宽。SPWM的控制方法除了上述的正弦波比较法以外，还有梯形波、马鞍形波等十余种。不论使用哪种方法，都是为了使变频器的输出电压能够更好地获得对称的三相正弦波。此外，还有以各种目标为条件的优化PWM控制技术，它们与正弦PWM技术一起构成了PWM控制技术的整体。    近年来，带驱动和保护电路的各种智能功率模块(IPM)也相继应用在变频系统中。IPM模块是将高速、低耗的三相逆变IGBT和优化的门极驱动电路以及保护电路集成在一块芯片上，由于IPM集成了过热和锁定保护电路，系统的可靠性得到进一步提高。新型IPM模块甚至将开关电源也设计在模块内，更加方便用户使用，用户只需要了解接口电路和定义，很快便可以组成并运行系统，从而大大加快了新产品的开发周期。    IPM的小功率器件采用一种多层环氧树脂黏合绝缘系统，而中、大功率器件采用陶瓷绝缘。IPM有四种电路形式，有单管封装(H)、双管封装(D)、六合一封装(C)和七合一封装(R)。与普通IGBT相比，智能功率模块在系统性能和可靠性上进一步提高，使设计和开发变得简单。由于IPM集成了驱动和保护电路，使用户的产品设计变得容易，缩短产品制造周期。自动化的IPM组装和测试手段提高了系统的可靠性，由于IPM通态损耗和开关损耗都比较低，使得散热器减小，系统尺寸也缩小。所有的IPM均采用同样的标准化与逻辑电平控制电路相连的栅控接口，在产品系列扩充时不需另行设计驱动电路。IPM在故障情况下的自保护能力，也降低了器件在开发和使用中过载损坏的机会。