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1、实验三十一 DC/AC 单相桥式 SPWM 逆变电路性能研究 一、一、实验原理实验原理 1桥式逆变电路桥式逆变电路 桥式电路如图 31-1。 VT1 Vg1 VT2 Vg2 VT1 Vg1 VT1 Vg1 VT2 Vg2 VT2 Vg2 VT3 Vg3 VT4 Vg4 VT3 Vg3 VT3 Vg3 VT4 Vg4 VT4 Vg4 VT5 Vg5 VT6 Vg6 VT5 Vg5 VT5 Vg5 VT6 Vg6 VT6 Vg6 U V W P(+) N(-) 图 31-1 桥式电路拓扑（开关管为 IGBT） 当交流电源从 U、V、W 三端（或其中的两端）输入，控制六个（或四个）开关管 的驱动脉冲
2、，使 P(+)和 N(-)处得到直流电压，则成为三相（单相）整流电流；当直流电 源从 P(+)和 N(-)处输入，控制六个（或四个）开关管的驱动脉冲，则从 U、V、W 三端 （或其中的两端）得到交流电压，成为逆变电路。 逆变方式中： 如果一个桥臂交替通断工作而另外两个桥臂的开关管总是处于断开状态，则成为单 相半桥电路，理论上，输出电压最高峰值为直流输入电源电压的一半(见图 31-2)； 如果两个桥臂中的开关管交替通断工作而另外一个桥臂的开关管总是处于断开状 态，则成为单相全桥电路，理论上，输出交流电压最高峰值等于直流输入电源电压(见图 31-3)； 如果三个桥臂均参与工作， 按照一定规律通断，
3、 则为三相桥式逆变电路 (见图 31-4)。 根据负载的不同（纯阻性、阻感性或纯感性） ，电压型逆变器虽然电压均为方波而 电流波形可能完全不同；同样电流型逆变器中，电流为方波而电压波形也随负载性质的 不同而不同。具体波形和公式参见文献1。 2 2SPWM（正弦脉冲调制）基本（正弦脉冲调制）基本原理原理 1 在信号与系统基本实验的实验八内容中， 我们介绍了调制和 SPWM 的概念。 一个单 脉冲电压波形通过 Furier 级数分解，可以 知道其谐波含量非常丰富；如果在负载变 化或电源电压变化时需要维持输出电压恒 定，可以根据面积等效原则改变其宽度， 例如图 31-5(a)所示的幅值小的宽脉冲电
4、压，当输入电源电压 VD 增大（或负载减 小）时，可以通过减小脉冲宽度来获得等 效的输出电压有效值，如图 31-5(b)所示， 因此可以实现闭环稳压控制。但是宽度减 小的单脉冲中，谐波成分更加大，需要更 大的滤波器，因此实际上难以应用。 如果利用面积等效原则将单脉冲变 成若干个脉冲，则根据 Furier 分解可知， t t 负载电压负载电压 1 T驱动驱动 4 T 1 T驱动驱动 4 T 2 T驱动驱动 3 T ab V 0 0 d V d V (a) 电路电路 (b) 电压波形电压波形 (a)电路(a)电路 Z 1o C 2o C d V 1 T 2 T 1 D 2 D a i a n t
5、t 0 d V 2 1 an v (b)电压波形(b)电压波形 1 T 2 T 驱动 驱动 2 0 T 0 T 2 3 0 T Z Z d V 3 T 4 T 3 D 4 D b b 1 T 2 T 1 D 2 D a a d i a i C C 图 31-2 电压型单相半桥逆变电路及输出电压 图 31-3 电压型单相全桥电路及输出电压 A A C C A A T T1 1 T T4 4T T6 6 T T3 3 B B T T5 5 T T2 2 D V 2 1 D V 2 1 0 0 (a)电路(a)电路 B B C C 图 31-4 电压型三相全桥电路 X-Axis 1 v D o v
6、0 t t X-Axis 1 v o v 0 t C T on T on T t T/2 T 0 o v 2 T t o v 2 T 2 t o v D V D V D V 图 31-5 单脉冲、多脉冲调制示意图 (a)幅值小宽度大的脉冲 (b)幅值大宽度小的脉冲 (c)冲量相等的 SPWM 脉冲 3 谐波含量大大降低而且谐波次数提高，可大大降低滤波器参数值、尺寸和成本。这里的 面积即图中阴影部分电压与时间的乘积，也称为伏秒数。 更进一步地将宽度相等的多脉冲变成宽度按正弦规律变化的正弦脉冲序列，如图 31-5(c)所示，则在实现闭环调宽稳压控制的同时，可获得更高的基波、谐波更小。这个 脉冲宽度
7、随正弦规律变化的调制方式，称为正弦脉冲宽度调制（SPWM） ，依据的面积等 效原则称为冲量等效原理 1： 在某一很短的时间段期间，正弦电压与同一时间段中等幅脉冲电压作用于 L、R 电 路时，只要两个窄脉冲电压的冲量相 等，则它们所形成的电流响应就相同。 以单相桥式逆变电路（图 31-3(a)）为 例，要使其输出的 PWM 电压波（图 31-6） 在每一时间段都与该时段中正弦 电压等效，除每一时间段的面积相等 外，每个时间段的电压脉冲还必须很 窄，这就要求脉波数量 P 很多。脉波 数越多， 不连续的按正弦规律改变宽度 的多脉波电压就越等效于连续的正弦 电压。 3SPWM 方式的实现方式的实现 产
8、生 SPWM 波形的方式很多， 按照脉冲极性分有单极性和双极性之分， 还有单极性 倍频方式，等等，因而有不同的实现电路。图 31-7 和图 31-8 是单极性和双极性调制电 路原理示意图，采用参考标准正弦波和三角波信号与比较器形成脉冲。 还可以按照数字方式直接产生 SPWM 信号。 读者可自行参考有关参考文献了解， 并 完成相应的设计。 设计时应注意桥式逆变电路的最基本要求：同一桥臂上下两个开关管触发脉冲应设 置死区 （即两个开关管都不导通的时间） ， 死区宽度的设计依据是应远大于开关管所需要 的关断时间。 tVtv m sin)( 1 0t 4 5 2 1 2 3 7 8 9 2 10 t
9、d V d V )(tvab (b) )(tv 10 3 1245 10 987 6 10 5 10 7 10 9 1 2 0 (a) (b)SPWM等效电压等效电压 (a)正弦电压正弦电压 3 12345 图 31-6 用 SPWM 电压等效正弦电压 4 4桥式逆变电路的过流保护桥式逆变电路的过流保护 桥式电路中一旦过流，往往开关管关断时间延迟，超过原设定的死区则形成同一桥 臂开关管直通短路。因此，桥式逆变电路需要更加关注过流保护电路的设计。 在单相全桥、三相桥式电路中，可以在桥式电路的直流输入侧串联一个电流霍尔传 感器， 如图 31-9(a)， 无论是单管过流或桥臂直通， 该电流霍尔传感器
10、均可检测出过电流， 通过控制电路中的保护检测电路后发出保护信号，关断所有开关管； 而单相半桥电路如果仅在桥式电路的直流输入与桥臂的一个端子（正端或负端）串 联一个电流霍尔传感器，则只能检测半个周期内一个开关管的过流状态，而不能完全反 映整个桥臂开关元件的过流状态，如果半个周期时间大于开关元件过流承受能力则会导 致开关元件损坏。因此半桥电路一般需在直流输入与桥臂间的两个端子均串接电流霍尔 传感器，才能可靠地检测到过电流，如图 31-9(b)所示。 9 r c f f N cm V rm V t t 1 2 3 22 2 3 4 D V D V ab v (c)电压波形(c)电压波形 2 cm r
11、m V V M 0 0 2 0 0 v vc c v vr r 图 31-8 双极性 SPWM 形成示意图 1 2 3 4 11 10 2 t 6,14 P f f N r c 单极性单极性SPWMSPWM电压波形电压波形 2 t rr fv , d V cc fv , ab v O O O O 12 1 1 2 3 4 5 6 由由相交确定开关点相交确定开关点 rc vv, 1 1 2 2 3 3 4 4 11 11 10 10 2 2 tt 6,14 P f f N r c 6,14 P f f N r c 单极性单极性SPWMSPWM电压波形电压波形 2 2 tt rr fv , rr
12、fv , d VdV cc fv , cc fv , ab vabv O O O O 12 12 1 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 由由相交确定开关点相交确定开关点 rc vv, rc vv, 图 31-7 单极性 SPWM 形成示意图 Z Z Vd T3 T4 b T1 T2 a id ia 电流霍尔 传感器 Z Z VdVd T3T3 T4T4 b T1T1 T2T2 a id ia 电流霍尔 传感器 Z 1o C 2o C d V 1 T 2 T 1 D 2 D a i a n 电流霍尔 传感器 电流霍尔 传感器 Z 1o C 2o C d V 1 T 2 T 1 D
13、2 D a i a n 电流霍尔 传感器 电流霍尔 传感器 (a) 全桥逆变电路过电流检测 (b) 半桥逆变电路过电流检测 图 31-9 桥式逆变电路过电流检测时电流传感器的接入方式 5 二二实验实验目的目的 1. 验证 SPWM 逆变电路基本工作原理，并进一步掌握 SPWM 信号的形成电路的设 计方法； 2. 学习、掌握逆变电路输出电压幅值和频率的控制方法； 3. 了解逆变电路滤波器的设计原则； 4. 熟悉和掌握模拟控制电路设计方法和有关集成电路芯片的使用 （如附录示例中的 函数发生器 L8038、单稳态触发器 4528 等） ； 三三实验内容实验内容 依据上述实验目的，自行选定一种逆变电路
14、，基于其中一个或多个目的，自行拟定 实验内容、完成实验。 本实验后的附录是单相半桥的实验示例和若干说明，可参照该例构建实验电路完成 实验研究，也可以搭建其它电路拓扑完成实验。 四四实验设备实验设备 电力电子综合实验装置（含三相全控器件桥模块，可完成单相半桥逆变、单相全桥 逆变、三相桥式逆变等） 、控制电路实验板、传感器模块、供电电源、控制电源 各种功率和参数的电感、电容、电阻 数字式示波器 计算机及相应分析软件 面包板和若干元器件 实验指标实验指标限制限制： 输入直流电压：100V 输出功率： 100W 五五实验步骤实验步骤 1. 参见“实验指南3-电路及控制系统实验设计及实验方法”，并根据实
15、验内容要 求，自行拟定实验步骤。 2. 自行根据实验内容和步骤拟定测量数据表格， 并在实验中记录实验数据和观察到 的现象。 六六实验报告实验报告 用 SPWM 逆变电路的基本工作原理对实验结果进行归纳、分析和总结。 6 七七实验思考题实验思考题 1. 为什么单相半桥逆变电路的过流保护检测要比单相全桥和三相桥逆变电路多用 一个电流霍尔传感器？ 2. 怎样设计死区电路？设计的原则是什么？ 3. 附录示例中，采用函数发生器作为 SPWM 的正弦波来源，这样的方式是开环控 制还是闭环控制？可否实现稳压？ 4. SPWM 逆变电路的输出滤波器设计原则是什么？ 参考文献参考文献 1. 陈坚. 电力电子学电力电子变换和控制技术. 北京：高等教育出版社，2002 附录附录 单相半桥逆变实验示例单相半桥逆变实验示例 （SG1524/2524/3524 系列） 一、实验电路及说明一、实验电路及说明 单相半桥逆变实验主电路见图 31-9(b)。直流输入电压 d V经 01 C、 02 C分压后对半桥 逆变电路供电，控制电路对开关管 1 T、
