基于PWM的逆变电路分析

基于ＰＷＭ的逆变电路分析

作者：汤才刚 朱红涛 李 莉 陈国桥 来源：《现代电子技术》2008年第01期

摘 要：PWM控制技术是逆变电路中应用最广泛的技术。为了对PWM型逆变电路进行分析，从PWM控制的基本原理出发，首先建立了逆变器控制所需的电路模型，采用IGBT作为开关器件，并对单相桥式电压型逆变电路和PWM控制电路的工作原理进行了分析。使用双踪示波器对电路的输出波形进行分析，给出了仿真波形。实践表明：运用PWM控制技术能够很好地实现逆变电路的运行要求。

关键词：脉宽调制；逆变电路；IGBT；脉冲 中图分类号：TN4，TM1 文献标识码：B 文章编号：

Analysis of Inverter Circuit Based on PWM

，

，

(1.School of Electrical & Electronic Engineering,Hubei University of

3.Yangquan Institute,Taiyuan University of Technology,Yangquan,045000,China)

Abstract：PWM control technology is the most popular technology in inverter circuit.In order to analyse PWM inverter circuit,this paper starts with the basic control theory of PWM.First the circuit model is established and the IGBT is used for switch component.The operation principle of single-phase bridge voltage model inverter circuit and PWM control circuit are analysed.The double

oscillograph is used in the analysis of output wave of the circuit.The simulative wave is given.It has been proved that the use of PWM control technology can best achieve the operation requirement of inverter circuit.

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Keywords：PWM;inverter circuit;IGBT;impulse

由电力电子技术的发展来看，逆变器是较早采用的一种DC/AC变换装置。PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM型逆变电路。可以说PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才发展得比较成熟，并确定了他在电力电子技术中的重要地位。

1 PWM控制的基本原理

PWM(Pulse Width Modulation)控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术,即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)。

在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。例如图1(a),图1(b),图1(c)所示的3个窄脉冲形状不同，其中图1(a)为矩形脉冲，图1(b)为三角形脉冲，图1(c)为正弦半波脉冲，但他们的面积(即冲量)都等于1，那么，当他们分别加在具有惯性的同一个环节上时，其输出响应基本相同。当窄脉冲变为图1(d)的单位脉冲函数

上述原理可以称之为面积等效原理，他是PWM控制技术的重要理论基础。

2 PWM逆变电路及其控制方法

PWM控制技术在逆变电路中的应用十分广泛，目前中小功率的逆变电路几乎都采用了PWM技术。逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合，PWM逆变电路可分为电压型和电流型两种。目前实际应用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路。

时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。

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3 计算法和调制法

根据PWM控制的基本原理，如果给出了逆变电路的正弦波输出频率、幅值和半个周期内的脉冲数，PWM波形中各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。按照计算结果控制逆变电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形,这种方法称之为计算法。可以看出，计算法是很繁琐的，当需要输出的正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。 与计算法相对应的是调制法，即把希望输出的波形作为调制信号，把接受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。通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波，其中等腰三角波应用最多。因为等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线形关系且左右对称，当他与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如果在交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合PWM控制的要求。在调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形，这种情况应用最广。当调制信号不是正弦波，而是其他所需要的波形时，也能得到与之等效的PWM波[1,2]。

4 逆变电路的原理图

4.1 主电路图及其工作原理

图2是采用IGBT作为开关器件的单相桥式电压型逆变电路。设负载为阻感负载，工作时V1和V2的通断状态互补，V3和V4的状态通断状态也互补[3]。具体的控制规律如下：在输出电压

的正半周，让V1保持通态，V2保持断态，V3和V4交替通断。由于负载

等于直流电压为负，故

就可以得到

电平。同样，在

。在负载电流为负的

实际上从VD1和VD4流过，

的负半周，

可以得到－

电流比电压滞后，因此在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负。在负载电流为正的区间，V1和V4导通时，负载电压区间，仍为V1和V4导通时，因仍有电平.

4.2 PWM信号产生电路及其工作原理

。这样，

让V2保持通态，V1保持断态，V3和V4交替通断，负载电压

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在图6中XFG1为正弦波发生器，为希望输出的波形，此信号作为调制信号

，连

接到比较器LM139AJ的同相端(正极端)；XFG2为三角波发生器，此信号作为载波信号

，接到比较器的反向端(负极端)。波形发生器和比较器的公共端接地，15 V直流电源

作为比较器的驱动源，XSC1为双综示波器A、B端点分别为两个通道，G为

接地端，T是外触发输入端。由波形发生器产生的正弦信号波和三角载波送到比较器电路，经调制就得到所需的PWM波形。为了得到如图6所示的输出波形，将三角波波发生器的参数设置为：信号频率为2 kHz，[WTBZ]占空比为50%，输出幅度为10 V，直流偏置为0。正弦波发生器的参数设置为：信号频率为200 kHz，输出幅度为8 V，直流偏置为0。

5 仿真与实验

依照图6的原理图用示波器进行仿真，波形如图7所示[5]。 6 结 语

由仿真和实验波形可见，各相上下桥臂控制信号的相位上下互补。任何时刻，有一个控制信号处于高位，其余的处于低位。已调制控制信号的脉宽随时间按正弦规律变化,但在同一时间内其脉宽则随调制比的值变化而变化。

参 考 文 献

［1］张加胜，张磊.PWM逆变器的直流侧等效模型研究[J].中国电机工程学报，2007，27(4):103-107.

［2］沈传文，刘玮，路强,等.基于前馈解耦的三相PWM整流器研制[J].电力电子技术，2006，40(2)：28-29.

［3］李俊，薄翠梅，史伟伟,等.一种直流PWM控制系统的设计[J].自动化仪表，2007，28(2):13-15.

［4］王兆安，黄俊.电力电子技术[M].4版.北京：机械工业出版社，2004.

［5］熊伟，侯传俊，梁青,等.Multisim7电路设计及仿真应用[M].北京：清华大学出版社，2005.

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［6］刘志华.用普通PWM控制器实现同步整流[J].现代电子技术,2006,29(16):141-142.

作者简介

汤才刚 男，1982年出生，湖北武汉人，湖北工业大学电力电子与电力传动专业研究生。主要从事通信与信息技术方向的研究。

注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”