SPWM逆變電路原理

對于大多數(shù)應用場合需要的是工頻電源，例如我們的電冰箱，洗衣機，電風扇等都需要正弦波的220伏、50赫茲電源，各種動力設備，遠距離輸電也都需要正弦波的交流電。更多的太陽能光伏發(fā)電裝置輸出的是正弦波交流電，目前生成正弦波仍采用前面介紹的全橋電路，只是對開關晶體管的控制采用PWM脈寬調(diào)制或移相控制或調(diào)頻控制等方式。這里僅介紹最常用的PWM脈寬調(diào)制方式。

把直流電轉(zhuǎn)換成正弦波交流電是根據(jù)根據(jù)面積等效原理，在圖1上圖中的正弦半波（紅線）分成n等份，把正弦半波看成是由n個彼此相連的矩形脈沖組成的波形，為簡單清晰，劃分為7等份。7個脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化，每個脈沖面積與相對應的正弦波部分面積相同，這一連續(xù)脈沖就等效正弦波。

圖1  用面積等效原理轉(zhuǎn)換為SPWM波形

如果把上述脈沖序列改為相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖（圖1下圖），脈沖中心位置不變，并且使該矩形脈沖面積和上圖對應的矩形脈沖相同，得到圖1下圖所示的脈沖序列，脈沖寬度按正弦波規(guī)律變化，這就是PWM波形。根據(jù)面積等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的，圖中紅線就是該序列波形的平均值。

對于正弦波的負半周，也可以用同樣的方法得到PWM 波形。這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，也稱SPWM波形。要改變等效輸出的正弦波的幅值時，只需按照同一比例系數(shù)改變上述各脈沖的寬度即可。

圖2 全橋逆變電路的工作狀態(tài)

輸出SPWM波形的矩形波必須生成序列的控制信號來控制橋式電路中開關晶體管的通與斷，普遍使用的是調(diào)制法來生成控制信號，可采取單極性調(diào)制也可采用雙極性調(diào)制來生成控制信號，下面介紹常用的單極性調(diào)制方式。

圖3上部分是SPWM波形控制信號生成的原理圖，下部分是生成的SPWM波形。在調(diào)制法中，把所希望輸出的波形稱為調(diào)制波ur，把接受調(diào)制的信號稱為載波uc，通常采用等腰三角波作為載波，正弦波作為調(diào)制信號。在兩波交點時對電路中的開關器件進行通斷控制，就可得到寬度正比于調(diào)制信號幅值的脈沖。

在ur正半周時，T2與T3保持關斷，在ur和uc的交點時刻控制開關晶體管T1與T4開通與關斷：當ur＞uc時控制T1與T4導通，R上的電壓為Ud，當ur＜uc時控制T1與T4關斷，R上的電壓為0。在ur負半周時，T1與T4保持關斷，當uc＞ur時控制T3與T2導通，R上的電壓為-Ud，當uc＜ur時控制T1與T4關斷，R上的電壓為0。這樣在R上產(chǎn)生寬度按正弦波規(guī)律變化的SPWM波形，見圖2下圖，其中紅線uof表示輸出等效的正弦波交流電電壓。

SPWM逆變器輸出的正弦波交流電電壓uof的峰值uofm小于輸入的直流電壓ud，把uofm/ud稱為直流電壓利用率，對于單相SPWM電路直流電壓利用率的理論值最大為1，實際上由于種種原因，直流電壓利用率要小于1。對于輸出相電壓（有效值）為220V單相交流電的逆變電路輸入直流電壓要高于310V。

SPWM逆變器輸出電壓與ur/uc成正比，保持載波uc不變，改變調(diào)制波ur的大小即可控制輸出交流電壓的大小。當然，調(diào)制波ur峰值要小于載波uc峰值。

過去采用模擬電路產(chǎn)生調(diào)制信號，精密而高速的電壓比較器對ur和uc進行比較，當兩電壓相同時及時控制開關晶體管進行通斷切換，但模擬電路結構復雜，也難以實現(xiàn)精確的控制。

采用微處理器直接計算出控制點稱為計算法，但計算法較繁瑣，計算量大，較少使用。

現(xiàn)在已有專用的集成電路用來產(chǎn)生SPWM調(diào)制信號，微處理器僅對其發(fā)出輸出頻率、電壓等參數(shù)就可產(chǎn)生高精度控制信號，輸出完好的正弦波，微處理器就有很多時間對整個逆變器進行檢測、保護等控制。這種方式電路簡單、效果好、可靠性高，是目前廣泛使用的控制方法，有關內(nèi)容請另找專業(yè)書籍或資料。

以上介紹的是單相的逆變過程，使用最多的是三相逆變器，三相逆變電路則需三套SPWM調(diào)制電路，同步進行控制。圖4是三相逆變器的主電路圖，開關管T1至T6組成橋式逆變電路，通過三相SPWM調(diào)制控制，輸出三相交流電，RA、RB、RC是三相負荷，按星形接法，中性線接點為N。電阻R1與R2大小相同、電容C1與C2大小相同，它們在直流輸入側(cè)建立中性點N，該點電位為Ud/2，兩個N點都是中性點，當三相負荷RA、RB、RC相同時，兩個N點電位相同，兩個N點可以連接。實際應用中多數(shù)不連接N點，輸入端R1、R2、 C1、C2只需一個濾波電容即可。

有關SPWM調(diào)制三相逆變電路較復雜，具體內(nèi)容請另找專業(yè)書籍或資料。

對于三相SPWM逆變器的直流電壓利用率是輸出的正弦波線電壓（峰值）與輸入的直流電壓之比，理論值最大為0.866，實際上由于種種原因，直流電壓利用率要小于0.866。對于輸出線電壓（有效值）為380V三相交流電的逆變電路輸入直流電壓要高于620V。

從理論上講，三角波（載波）頻率越高，輸出波形越接近正弦波。實際上，開關管的通斷變化雖然很快，但仍需要一定的時間，在這個時間段里，開關管要承受高電壓，大電流的沖擊，功耗很大，高頻率切換不但加大損耗降低電源效率，還可能使管子發(fā)熱燒毀。一般逆變器的載波頻率約幾千赫茲，小功率的頻率高些，大功率逆變器的頻率低些。

SPWM波形由方波組成，含有較多諧波成分，必須采用輸出濾波器使輸出波形正弦化。圖5是濾波器常用的4種類型，要根據(jù)用戶電路的特性選用，最常用的還是（b）圖所示的LC濾波器。要選擇合適的L值與C值，如果設計不當，反過來會降低系統(tǒng)的動態(tài)性能，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定。

逆變器的圖形符號見圖6。