第4章逆变电路

PowerElectronics第4章DC/AC逆变电路返回4-1逆变的概念4-2电压型逆变电路4-3电流型逆变电路4-4多重逆变电路本章小结1本章内容本章介绍逆变电路的基本内容。PowerElectronics主要内容包括逆变的定义和逆变电路的分类；各种电压型逆变电路的基本组成、工作原理和特性；正弦脉宽调制（SPWM）控制的基本原理和控制方式；电压型逆变电路的应用实例（开关电源和变频器）；电流型逆变电路的基本组成、特点、工作原理和换流过程；并联型多重逆变电路和串联型多重逆变电路。2本章重点电压型逆变电路的组成和工作原理；逆变器输出电压的控制。PowerElectronics3逆变把直流电变成交流电逆变电路逆变器实现逆变的装置将直流电逆变成交流电的电路。一般指无源逆变电路第4章DC/AC逆变电路PowerElectronics4逆变电路应用广泛，在各种直流电源电池向交流负载供电时，就需要逆变电路。交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置其电路的核心部分都是逆变电路。PowerElectronics54.1逆变概念4.1.1逆变的定义4.1.2逆变电路的分类PowerElectronics6PowerElectronics4.1.1逆变的定义负载S1S2S3S4iouoUd图4-2阻抗性负载S1~S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。当开关S1、S4

闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正；当S1、S4断开，S2、S3闭合时，uo为负。直流电变成了交流电，改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率。图4-1逆变电路原理图74.1.1逆变的定义图4-3

阻抗性负载

当负载为电阻时，io和uo的波形相同，相位也相同

当负载为阻感时，io相位滞后于uo，波形也不同图4-2阻型负载PowerElectronics84.1.2逆变电路的分类根据输出电能去向，分为有源逆变电路和无源逆变电路两种。

有源逆变：其交流侧接在交流电网上有源逆变过程为：直流电—>逆变器—>交流电—>交流电网。有源逆变电路常用于直流可逆调速系统、交流饶线转子异步电动机串级调速以及高压直流输电等方面。无源逆变：交流侧直接和负载连接无源逆变也称为变频电路。PowerElectronics94.1.2逆变电路的分类根据直流侧电源性质，分为电压型逆变电路和电流型逆变电路两种。

电压型逆变电路：直流侧是电流源的逆变电路；电流型逆变电路：直流侧是电流源的逆变电路。PowerElectronics10

4.1.2逆变电路的分类

电流型逆变电路（CurrentSourceTypeInverter-CSTI）电压型逆变电路（VoltageSourceTypeInverter-VSTI）直流侧是电压源直流侧是电流源根据直流侧电源性质，分为电压型逆变电路和电流型逆变电路两种。PowerElectronics114.1.2逆变电路的分类根据逆变电路的器件，分为由具有自关断能力的全控型器件组成的全控型逆变电路和由无关断能力的半控型器件（如普通晶闸管）组成的半控型逆变电路两种。根据电流波形，分为正弦逆变电路和非正弦逆变电路。前者开关器件中的电流为正弦波，其开关损耗小，宜工作于较高频率；后者开关器件电流为非正弦波，其开关损耗较大，工作频率较低。根据输出相数，分为单相逆变电路和多相逆变电路两种。PowerElectronics124.1.2逆变电路的分类根据逆变电路的结构，分为半桥式、全桥式和推挽式逆变电路。根据按所用的电力电子器件的换流方式，可分为自关断（如GTO,GTR,电力MOSFET,IGBT等）、强迫换流、交流电源电动势换流以及负载谐振换流逆变电路。PowerElectronics返回134.2电压型逆变电路电压型逆变电路（电压源型逆变电路）直流侧是电压源本节介绍单相和三相电压型逆变电路的基本组成、工作原理和特性。PowerElectronics14电压型逆变电路的特点如下：1）直流侧为电压源或并联大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动。2）输出电压为矩形波，交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗的不同而不同。3）当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥各臂都并联反馈二极管。。

PowerElectronics154.2电压型逆变电路4.2.1单相电压型逆变电路4.2.2三相电压型逆变电路4.2.3SPWM控制技术4.2.4电压型逆变电路的应用PowerElectronics164.2.1单相电压型逆变电路1．半桥逆变电路+-RLa)UdiouoV1V2VD1VD2Ud2Ud2图4-4a)单相半桥电压型逆变电路半桥逆变电路有两个桥臂，每个桥臂有一个可控器件和一个反并联二极管组成。在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的联结点是直流电源的中点。负载联结在直流电源中点和两个桥臂联结点之间。PowerElectronics17ttOOONb)uoUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2图4-4b)单相半桥电压型逆变电路工作波形设开关器件V1和V2栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏，两者互补。当负载为感性时，工作波形如图4-4b所示输出电压uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2

输出电流io波形随负载情况而异。

t2时刻以前V1通，V2断

t2时刻给V1关断信号，给V2开通信号，则V1关断，但感性负载中io不能立即改变方向，于是V2导通续流。

t3时刻io降为零时，VD2截止，V2开通，io开始反向。

t4时刻给V2关断信号，给V1开通信号，V2关断，VD1先导通续流，t5时刻V才开通。

V1或V2通时，负载电流io和电压uo同方向，直流侧向负载提供能量

VD1或VD2通时，io和uo反向，负载电感中贮藏的能量向直流侧反馈PowerElectronics18负载电感将其吸收的无功能量反馈回直流侧，反馈回的能量暂时储存在直流侧电容器中，直流侧电容器起着缓冲这种无功能量的作用。二极管反馈二极管续流二极管是负载向直流侧反馈能量的通道使负载电流连续可控器件是不具有门极可关断能力的晶闸管时，须附加强迫换流电路才能正常工作。PowerElectronics19PowerElectronics半桥逆变电路特点优点简单，使用开关器件少，抗电路不平衡能力强缺点输出交流电压幅值只有Ud/2，直流侧需两电容器串联，工作时要控制两者电压均衡半桥逆变电路常用于几kW以下的小功率逆变电源202．全桥逆变电路+-CRLUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoio图4-5

电压型全桥逆变电路(全桥逆变电路）电压型全桥逆变电路可看成由两个半桥电路组合而成，共4个桥臂，桥臂1和4为一对，桥臂2和3为另一对，成对桥臂同时导通，两对交替各导通180°PowerElectronics21ttOOONb)uoUm-Umiot1t2t3t4t5t6V1V2V1V2VD1VD2VD1VD2图4-5b)电压型全桥逆变电路工作波形电压型全桥逆变电路输出电压uo的波形和图4-4b的半桥电路的波形uo形状相同，也是矩型波，但幅值高出一倍，Um=Ud输出电流io波形和图5-6b中的io形状相同，幅值增加一倍

VD1

、V1、VD2、V2相继导通的区间，分别对应VD1和VD4、V1和V4、VD2和VD3、V2和V3相继导通的区间PowerElectronics22全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最多的，对电压波形进行定量分析将幅值为Uo的矩形波uo展开成傅里叶级数，得其中基波幅值Uo1m和基波有效值Uo1分别为负载为RL时，输出电流io的基波分量为当uo为正负电压各为180°的脉冲时，要改变输出电压有效值只能通过改变输出直流电压Ud来实现(4-4)(4-6)(4-5)(4-7)PowerElectronics23采用移相方式调节逆变电路的输出电压实际就是调节输出电压脉冲的宽度移相调压+-CRLUdV1V2uoioV3V4VD1VD2VD3VD4图4-6单相全桥逆变电路的移相调压方式a)各IGBT栅极信号为180°正偏，180°反偏，且V1和V2栅极信号互补，V3和V4栅极信号互补

V3的基极信号不是比V1落后180°，而是只落后q

(0<q<180°)

V3、V4的栅极信号分别比V2、V1的前移180°-q

输出电压uo是正负各为q的脉冲PowerElectronics24tOtOtOtOtOqb)uG1uG2uG3uG4uoiot1t2t3iouo图4-6单相全桥逆变电路的移相调压方式

t1时刻前V1和V4导通，输出电压uo为ud

t1时刻V3和V4栅极信号反向，V4截止，因io不能突变，V3不能立即导通，VD3导通续流，因V1和VD3同时导通，所以输出电压为零各IGBT栅极信号uG1~uG4及输出电压uo、输出电流io的波形见图4-6b）

t2时刻V1和V2栅极信号反向，V1截止，

V2不能立即导通，VD2导通续流，和VD3构成电流通道，输出电压为-Ud

到负载电流过零开始反向，VD2和VD3截止，V2和V3开始导通，uo仍为-Ud

t3时刻V3和V4栅极信号再次反向，V3截止，

V4不能立刻导通，VD4导通续流，

uo再次为零输出电压uo的正负脉冲宽度各为θ，改变θ

，可调节输出电压PowerElectronics25全桥逆变电路特点优点是电压不高，输出功率大缺点是使用的开关器件多，驱动较复杂，适用于大功率的逆变器若逆变输出功率为数千瓦到数百千瓦，可采用P-MOSFET,IGBT等高频自关断器件，若逆变电路输出功率很大，其电路中的开关器件应采用GTO、IGCTPowerElectronics263．带中心抽头变压器的逆变电路图4-7带中心抽头变压器的逆变电路负载+-iouoUdV1V2VD1VD2交替驱动两个IGBT，经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压两个二极管的作用也是给负载电感中贮藏的无功能量提供反馈通道

Ud和负载参数相同，变压器一次侧2个绕组和二次侧绕组的匝比为1:1:1时，uo和io波形及幅值与全桥逆变电路完全相同

带中心抽头变压器的逆变电路比全桥电路少用一半开关器件，但器件承受的电压为2Ud，比全桥电路高一倍，必须有一个变压器PowerElectronics274.2电压型逆变电路4.2.1单相电压型逆变电路4.2.2三相电压型逆变电路4.2.3SPWM控制技术4.2.4电压型逆变电路的应用PowerElectronics284.2.2三相电压型逆变电路图4-8三相电压型桥式逆变电路

三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路，但通常应用更多的是采用IGBT作为开关器件的电压型三相桥式逆变电路，它可看成由三个半桥逆变电路组成。N'N+-UVWV1V2V3V4V5V6VD1VD2VD3VD4VD5VD6Ud2Ud2电压型三相桥式逆变电路也是180°导电方式每桥臂导电角度180°，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度依次相差120°

在任一瞬间将有三个桥臂同时导通每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流PowerElectronics29图4-9电压型三相桥式逆变电路180°导电模式工作波形U相输出当桥臂1导通时，

uUN’

=Ud

/2

当桥臂4导通时，

uUN’=－Ud

/2

uUN’的波形幅值是为Ud/2

的矩形波

V、W两相情况和U相类似uVN’

、uWN’的波形形状与uUN’相同，只是依次相差120°PowerElectronics30负载线电压负载相电压其中负载中点N与直流电源假想中点N’之间的电压为uNN’(4-9)(4-12)(4-5)PowerElectronics31(4-11)负载为三相对称负载，则有uUN+uVN+uWN=0，可得

uNN’的也是矩形波，但其频率为uUN’频率的3倍，幅值为其1/3,即为Ud

/6负载参数已知时，可由uUN波形求出U相电流iU波形，负载的阻抗角j不同，iu的波形形状和相位都有所不同图4-9电压型三相桥式逆变电路180°导电模式工作波形PowerElectronics32图4-9电压型三相桥式逆变电路180°导电模式工作波形桥臂1和桥臂4之间的换流过程和半桥电路相似。上桥臂1中的V1从通态转换到断态时，因负载电感中的电流不能突变，下桥臂4中的VD4先导通续流，待负载电流降为零，桥臂4中电流反向时，V4才开始导通。负载的阻抗角j越大，VD4

导通时间越长。

iu的上升段为桥臂1导电的区间，其中iu<0时为VD1导通，iu>0时为V1导通。

iu的下降段为桥臂4导电的区间，其中iu>0时为VD4导通，iu<0时为V4导通。

iv、iw的波形和iu形状相同，相位依次相差120°。桥臂1、3、5的电流相加可得直流侧电流id的波形，id每隔60°脉动一次，直流侧电压基本无脉动，因此逆变器从交流侧向直流侧传送的功率是脉动的，这也是电压型逆变电路的一个特点PowerElectronics33三相桥式逆变电路输出相电压uUN展开成傅里叶级数得式中，n=6k±1,k为自然数输出相电压有效值UUN为基波幅值为(4-13)(4-14)(4-15)PowerElectronics34基波有效值为三相桥式逆变电路负载线电压uUN展开成傅里叶级数得式中，n=6k±1,k为自然数负载线电压有效值UUN为(4-16)(4-17)(4-18)PowerElectronics35基波幅值为基波有效值为(4-19)(4-20)PowerElectronics36在180°导电方式逆变电路中，为了防止同一相上下两桥臂开关器件同时导通而引起的直流侧电源短路，要采取“先断后通”的方法。即先给应关断的器件关断信号，待其关断后留短暂的时间（称为死区时间），然后再给应导通的器件发出开通信号。死区时间的长短视器件的开关速度而定，器件的开关速度越快，所留的死区时间越短。PowerElectronics374.2电压型逆变电路4.2.1单相电压型逆变电路4.2.2三相电压型逆变电路4.2.3SPWM控制技术4.2.4电压型逆变电路的应用PowerElectronics384.2.3SPWM控制技术SPWM法是一种比较成熟的、目前使用较广泛的PWM法。它有如下主要优点：

PWM实现起来比较方便，可以模拟或用数字来实现；可以大大降低输出谐波含量，尤其是低频纹波，它的谐波主要集中在载波频率的K倍的位置，谐波频率较高，因此滤波器设计容易，实现成本较低；对于多电平变换器，调制比可以在所有的工作范围内变化；在载波中注入合适零序列，可以较好地平衡中点电位。PowerElectronics391SPWM的基本原理采样控制理论中一个重要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窄脉冲的面积效果基本相同

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PowerElectronics40将图4-10a）的正弦波分成N个比此相连的脉冲序列所组成的波形，这些脉冲宽度相等，为π/N，但幅值不等，各脉冲幅值按正弦规律变化A）Ouωt>B）图4-10用PWM波代替正弦半波如将脉冲序列用相同数量的等幅不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的重点和相应的正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积相等，得图4-10b）脉冲序列，即PWM波形PowerElectronics41脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形SPWM波形SPWM波形等幅PWM（直流电源产生）不等幅PWM（交流电源产生）直流斩波电路得到的PWM波是等效直流波形，SPWM波得到的是等效正弦波PowerElectronics42正弦脉宽调制方法的分类正弦脉宽调制的方法很多，但没有统一的分类方法。比较常见的分类方法如下:根据载波信号和调制信号的频率之间的关系，分为同步调制和异步调制两种

根椐调制脉冲的极性，分为单极性和双极性两种PowerElectronics431)异步调制和同步调制载波比载波频率fc与调制信号频率fr之比，N=fc

/fr载波和信号波是否同步及载波比的变化情况异步调制PWM调制方式分为同步调制PowerElectronics441.异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式控制相对简单通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的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载波比N愈大，则半周期内调制的SPWM波形脉冲数愈多，正负半周期脉冲不对称和半周内前后1/4周期脉冲不对称的影响愈小，输出波形愈接近正弦波PowerElectronics452.同步调制载波比N等于常数，在变频时使载波与信号波保持同步的调制方式，在基本同步调制方式中，fr变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数是固定，脉冲相位也是固定的三相电路中公用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使三相输出波形严格对称为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数PowerElectronics462.同步调制载波比N等于常数，在变频时使载波与信号波保持同步的调制方式，正负半周的脉冲对称，没有偶次谐波，而且半个周期脉冲排列其左右也是对称的，输出波形等效正弦波。控制相对较复杂，通常采用微机控制同步调试方式效果比异步调制方式好，在实际中较多应用同步调试方式PowerElectronics47附图同步调制三相PWM波形当逆变电路输出频率很低时，fc也很低，

fc过低时由调制带来的谐波不易滤除当逆变电路输出频率很高时，同步调制时的载波频率fc会过高，使开关器件难以承受PowerElectronics483.分段同步调制同步式调制和异步式调制的结合把逆变电路的输出频率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，能在功率开关器件所允许的频率范围内在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低而对负载产生不利影响PowerElectronics492)单极性与双极性正弦脉宽调制单极性调制在调制信号的正半周或负半周内，对应的SPWM波形也只有相应的正极性或负极性脉冲双极性调制在调制信号的正半周或负半周内，对应的SPWM波形有正负两种极性的脉冲PowerElectronics50图4-11单相桥式PWM逆变电路

V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补

uo正半周时，V1导通，V2关断，V3和V4交替通断负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负先讨论单极性调制方法的实现负载电流为正的区间，V1和V4导通时，uo等于Ud

V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=0

负载电流为负的区间，V1和V4仍导通，io为负，实际上io从VD1和VD4流过，仍有uo=Ud

V4关断，V3开通后，io从V3和VD1续流，uo=0

uo总可得到Ud和零两种电平

uo负半周，让V2保持通，V1保持断，V3和V4交替通断，uo可得-Ud和零两种电平PowerElectronics51PowerElectronics图4-12单极性PWM控制方式波形调制信号ur为正弦波，载波uc在ur的正半周为正极性的三角波，在负半周为负正极性的三角波在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断

ur正半周，V1保持通，V2保持断当ur>uc时使V4通，V3断，uo=Ud当ur<uc时使V4断，V3通，uo=0

表示uo的基波分量单极性PWM控制方式（单相桥逆变）

Ur负半周，V1保持断，V2保持通当ur<uc时使V3通，V4断，uo=－Ud当ur>uc时使V3断，V4通，

uo=0单极性PWM控制方式Ur半个周期内三角波载波只在正极性或负极性一种极性范围内变化，所得PWM波形的控制方法52图4-13双极性PWM控制方式波形双极性PWM控制方式（单相桥逆变）双极性PWM控制方式在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负在ur的一个周期内，输出的PWM波只有±Ud两种电平同样在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制哥开关器件的通断

ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同当ur

>uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号如io>0，则V1和V4通，如io<0，VD1和VD4通，

不管哪种情况uo=Ud当ur<uc时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号如io<0，V2和V3通如io>0，VD2和VD3通，

不管哪种情况uo=-UdPowerElectronics532三相桥式SPWM逆变电路

双极性PWM控制方式（三相桥逆变）图4-14三相桥式PWM型逆变电路U、V和W三相的PWM控制通常公用三角波载波uc，三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120°U、V和W各相功率开关器件的控制规律相同当urU>uc时，给V1导通信号，给V4关断信号，则uUN’=Ud/2

当urU<uc时，给V4导通信号，给V1关断信号，则uUN’=-Ud/2

当给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是二极管VD1(VD4)续流导通PowerElectronics54图4-15三相桥式PWM逆变电路波形

uUN’、uVN’和uWN’的PWM波形只有±Ud/2两种电平线电压波形uUV的波形可由uUN’-uVN’得出当1和6通时，uUV=Ud当3和4通时，uUV=－Ud当1和3或4和6通时，uUV=0逆变器输出线电压PWM波由±Ud和0三种电平构成负载向电压uUN可由下式求得负载相电压PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5种电平组成55同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而造成短路，在给一个臂施加关断信号后，延迟一小段时间，才给另一个臂施加导通信号延迟时间（死区时间）的长短主要取决于功率开关器件的关断时间死区时间会给输出的PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波PowerElectronics563SPWM的实现方法SPWM技术用脉冲宽度按正弦规律变化的PWM波形控制逆变电路中开关器件的通断，使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等，通过改变调制信号的频率和幅值来调节逆变电路输出电压的频率和幅值。实现SPWM的方法主要有硬件调制法、软件生成法、特定谐波消去法等。PowerElectronics571）硬件调制法

硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的其实现方法简单，可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对开关器件的通断进行控制，就可以生成SPWM波。其模拟电路结构复杂，难以实现精确的控制。PowerElectronics582）软件生成法

软件生成法直接根据面积等效原理或模拟硬件调制法生成SPWM波形，主要算法有面积等效法、自然采样法和规则采样法PowerElectronics59（1）面积等效法面积等效法这种方法实际上是SPWM法原理的直接阐释。Ouωt>由N个等幅而不等宽的矩形脉冲所构成的波形与正弦半波等效，这一系列脉冲波形的宽度或开关时刻可严格地用数学方法计算，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形PowerElectronics60（1）面积等效法此方法可以准确地计算出各开关器件的通断时刻，其所得的波形很接近正弦波计算繁琐，数据占用内存大，不能实时控制的缺点。PowerElectronics61（2）自然采样法自然采样法按照SPWM控制的基本原理，在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关的通断，这种生成SPWM波形的方法PowerElectronics62图4-11自然采样法取三角波相邻两个峰值之间为一个周期Tc，在三角波的一个周期内，其上升段和下降段与正弦调制各有一个交点A和B。把正弦波上升段的过零点定为时间起始点，并设A和B点所对应的时刻分别为tA和tB。在同步调制方式中，使正弦调制波上升段的过零点和三角波下降过零点重合，并把该时刻作为坐标原点。在三角波的一个周期内，其上升段和下降段与正弦调制各有一个交点A和B。把该点所在的三角波周期作为正弦调制波的第一个三角波周期PowerElectronics63（2）自然采样法自然采样法计算公式推导

正弦调制信号波式中，M称为调制系数，0≤M<1；wr为信号波角频率把A点。

所在的三角波周期作为正弦调制波的第一个三角波周期，则第n个周期内三角波方程可表示如下:

(4-22)PowerElectronics64（2）自然采样法

在A、B处，uc=ur，一个调制周期内第n个三角波与正弦波的交点时刻tA和tB，可按下式计算：

（4-23）由此，第n个脉冲宽度为

PowerElectronics65（2）自然采样法自然采样法的优点是所得SPWM波形最接近正弦波，自然采样法的缺点是脉宽表达式是一个超越方程，计算繁琐；难以在实时控制中在线计算，工程应用不多

PowerElectronics66（3）规则采样法规则采样法工程实用方法，是对自然采样法的改进，效果接近自然采样法，计算量比自然采样法小得多PowerElectronics67图4-17规则采样法取三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc

使脉冲中点和三角波一周期的中点（即负峰点）重合，每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，使计算大为简化在三角波的负峰时刻tD对正弦信号波采样得D点，过D点作一水平直线和三角波分别交于A、B点，在A点时刻tA和B点时刻tB控制功率开关器件的通断这种规则采样法得到的脉冲宽度和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近PowerElectronics68（3）规则采样法规则采样法计算公式推导

设正弦调制信号波为式中，M称为调制系数，0≤M<1；wr为信号波角频率。从图4-17得

(4-25)

因此可得

(4-26)

三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度

(4-27)PowerElectronics69（3）规则采样法三相桥逆变电路的情况三角波载波公用，三相正弦调制波相位依次差120°同一三角波周期内三相的脉宽分别为δU、δV和δW，脉冲两边的间隙宽度分别为δ’U、δ’V和δ’W，同一时刻三相调制波电压之和为零，由式(4-26)得

(4-28)

PowerElectronics70由式(4-27)

（4-29）利用以上两式可简化三相SPWM波的计算。

71（3）规则采样法规则采样法的主要优点是计算简单，便于在线实时运算，其中非对称规则采样法因阶数多而更接近正弦。规则采样法的缺点是直流电压利用率较低；线性控制范围较小。自然采样法和规则采样法都只能采用同步调制方式。PowerElectronics723）特定谐波消去法

特定谐波消去法又称低次谐波消去法，是一种较有代表性的计算方法。

PowerElectronics73图4-16特定谐波消去法的输出PWM波形在输出电压半周期内，器件通、断各3次（不包括0和π），共6个开关时刻可控首先，为消除偶次谐波，使波形正负两半周期镜对称，即(4-30)3）

特定谐波消去法

PowerElectronics74其次，为消除谐波中余弦项，应使波形在正半周期内前后1/4周期以π/2为轴线对称，即

同时满足式（6-1）、（6-2）的波形称为四分之一周期对称波形，用傅里叶级数表示为

式中，an为(4-31)(4-32)PowerElectronics75

图6-9中，能独立控制的只有a1、a2和a3共3个时刻。该波形的an为

式中n=1,3,5,…确定a1的值，再令两个不同的an=0，就可建三个方程，联立可求得a1、a2和a3，这样可消去两种特定频率的谐波(4-33)PowerElectronics76在三相对称电路的线电压中，相电压所含的3次谐波相互抵消，可考虑消去5次和7次谐波，得如下联立方程

给定a1，解方程可得a1、a2和a3。a1改变时，a1、a2和a3也相应改变。

(4-34)PowerElectronics773）

特定谐波消去法特定谐波消去法的主要优点是可以很好地消除所指定的低次谐波。其缺点是剩余未消去的较低次谐波的幅值可能会相当大；计算复杂。

特定谐波消去法也只能采用同步调制方式。PowerElectronics784SPWM的数字控制目前，实现产生SPWM波形的电路有：（1）分立元件和集成运放构成的模拟控制电路；（2）专用模拟集成脉宽调制器，如SG3524、SG3526、TL494等；（3）与八位或十六位单片微机配套使用的专用SPWM数字信号发生器，如英国的HEF4752、荷兰的MKII、日本的MB63H110以及西门子公司的SLE4520等；（4）用单片机、数字信号处理器等微处理器产生的数字SPWM电路。其中，数字控制电路的抗干扰能力明显优于模拟控制电路；但专用的集成电路芯片控制信号载波频率较低，且频率固定。微处理器的速度和精度不断提高，数字化SPWM方法发展迅速。本节介绍一种专用SPWM数字信号发生器。PowerElectronics79SPWM专用芯片主要有英国的HEF4752、荷兰的MKII、日本的MB63H110以及西门子公司的SLE4520、MA818、MA828,MA838及THP-4752等，还有MITEL公司研制的三相、单相SA828、SA838系列、IXYS公司的IXDP631。这里介绍典型的SLE4520基本原理及应用。PowerElectronics80SLE4520是德国SIEMENS(西门子)公司生产的一种常用的三相脉宽调制器。应用CMOS技术制作的低功耗高频大规模集成电路；一种可编程器件能把三个8位数字量同时转换成三路相应脉宽的矩形波信号与8位或16位微机联合使用，可用简单的方式产生三相变频器所需的六路控制信号适用于IGBT变频器或其它中频电源变频器。由于软件编制的灵活性,几乎可以实现任意形状的曲线调制(正弦波、三角波等)和任意的相位关系。PowerElectronics81SLE4520引脚说明图4-19SLE4520外形及引脚图1）Udd:+5V电源接入端；

2）XTAL1:晶体振荡器接入端；

3）XTAL2:晶体振荡器接入端；

4）P7:数据总线接口（输入）；

5）P6:数据总线接口（输入）；

6）P5:数据总线接口（输入）；

7）P4:数据总线接口（输入）；

8）P3:数据总线接口（输入）；

9）P2:数据总线接口（输入）；

10）P1:数据总线接口（输入）；

11）P0:数据总线接口（输入）；

PowerElectronics82SLE4520引脚说明图4-19SLE4520外形及引脚图12）PH3/2:第三相的反信号输出，低电平有效；

13）PH3/1:第三相的原信号输出；

14）PH2/2:第二相的反信号输出；

15）Vss:地线接入端；

16）PH2/1:第二相的原信号输出；

17）PH1/2:第一相的反信号输出；18）PH1/1:第一相的原信号输出；

19）INHIBIT:禁止信号输入端，高电平有效；

20）STATUS:状态触发器的状态输出；

PowerElectronics83SLE4520引脚说明图4-19SLE4520外形及引脚图21）CLEAR-STATUS：状态触发器的复位输入；

22）SET-STATUS：状态触发器置位输入；

23)RES:芯片复位信号输入端；24)/WR：微处理器/WR信号引入端；

25)ALE:微处理器ALE信号引入端；26)CLE:片选信号；

27)SYNC:接收数据命令输入端；28)CLK-OUT:时钟频率输出端。

PowerElectronics84图4-21SLE4520应用实例PowerElectronics855SPWM逆变电路的谐波分析PWM逆变电路使输出电压输出电流接近正弦波使用载波对正弦信号波调制，也产生和载波有关的谐波分量谐波频率和幅值是衡量PWM逆变电路性能的重要指标之一同步调制可看成异步调制的特殊情况PowerElectronics86图4-22单相PWM桥式逆变电路输出电压频谱图包含的谐波角频率为式中n=1,3,5,…时，k=0,2,4,…n=2,4,6,…时，k=1,3,5,…PWM波中不含低次谐波，只含wc及其附近的谐波以及2wc、3wc等及其附近的谐波PowerElectronics87图4-23单相PWM桥式逆变电路输出电压频谱图包含的谐波角频率为式中n=1,3,5,…时，k=0,2,4,…n=2,4,6,…时，k=1,3,5,…PWM波中不含低次谐波，只含wc及其附近的谐波以及2wc、3wc等及其附近的谐波PowerElectronics88三相桥式逆变电路和单相桥式逆变电路比较都不含低次谐波载波角频率wc整数倍的谐波没有了，谐波中幅值较高的是wc±2wr和2wc±wr共同区别SPWM波中谐波主要是角频率为wc、2wc及其附近的谐波调制信号波不是正弦波时，谐波由两部分组成对信号波本身进行谐波分析所得的结果由于信号波对载波的调制而产生的谐波PowerElectronics894.2电压型逆变电路4.2.1单相电压型逆变电路4.2.2三相电压型逆变电路4.2.3SPWM控制技术4.2.4电压型逆变电路的应用PowerElectronics904.2.4电压型逆变电路的应用

电压型逆变电路的应用十分广泛，本节介绍两个电压型逆变电路的应用实例:开关电源原理与设计变频器PowerElectronics911．开关电源原理与设计

开关电源通常是指利用自关断器件和PWM控制技术制成的高频开关式直流稳压电源，在用电设备中得到了普遍应用。开关电源具有如下优点：体积小重量轻用材少效率高下面讨论以逆变为核心、采用整流-逆变-整流结构的开关电源原理与设计。PowerElectronics92１）开关电源的性能指标

主要的电气性能指标：输入电源的相数、频率：根据输出功率的不同，可采用单相或三相电源供电。输出功率高于5kW时通常采用三相电源供电，以使三相负荷均衡。工频电源频率为50Hz。额定输入电压、容许电压波动范围：我国工频电源额定相电压为220V，线电压为380V。在容许的输入电压波动范围内都要保证额定输出功率。额定输入电流：在额定输入电压、额定输出功率时的输入电流。最大输入电流：在容许的下限输入电压、额定输出功率时的输入电流。输入功率因数：输入有功功率与视在功率的比值。PowerElectronics93１）开关电源的性能指标

主要的电气性能指标：

额定输出直流电压：标称输出直流电压，指在额定输出电流、满足规定的稳压精度及纹波等指标时的最大输出直流电压。稳压精度：指在容许的工作条件范围内，实际输出直流电压与额定工作条件时理想输出直流电压的比值。它反映了电源的控制精度。输出电压纹波与噪声：纹波指输出中与输入电源频率同步的交流成分，用峰值表示。噪声指输出中除了纹波外的交流成分，也用峰值表示。额定输出电流：额定输出电压时供给负载的最大平均电流。PowerElectronics94１）开关电源的性能指标

主要的电气性能指标：效率：指输出有功功率与输入有功功率的比值。此外，还有反映系统动态性能的指标以及开关电源的电磁干扰与射频干扰指标等。PowerElectronics95图4-24

开关电源原理框图开关电源设计包括主电路设计与控制电路设计

整机电路包含主电路与控制电路两部分

主电路由输入整流滤波、功率因数校正、逆变电路、输出整流滤波等组成其主要作用是将电网的能量传递给负载。

主电路以外的电路统称为控制电路它保证主电路正常工作，并获得设计期望的技术指标。

主电路设计包括主电路形式的选择，开关工作频率，功率器件选型与额定参数的确定，变压器与电感参数的计算等。控制电路设计的基本任务是根据主电路形式确定合适的控制方法及其实现，此外应考虑必要的故障检测与保护电路。２）．开关电源的设计原理PowerElectronics96１）开关电源的设计原理

这里仅讨论采用PWM控制方案的电路设计问题。

（1）主电路形式选择

（2）开关工作频率

开关频率越高，所需要的滤波电感、电容容量越小，脉冲变压器体积也越小，然而开关器件的损耗也越大，对开关器件的开关速度要求也越高，干扰频率抑制等问题也更复杂。此外，不同类型的功率器件有不同的适宜开关频率。开关工作频率应根据输出功率要求与市场器件供应情况等多种因素综合选择确定。

(3)功率器件的确定

根据输出功率要求与主电路开关工作频率，可基本选定功率器件类型。一旦选定器件类型，则容易根据器件特点、主电路形式与输入输出指标确定功率器件的额定参数。

PowerElectronics97磁性元件包括变压器、电感等。磁性元件设计是主电路设计的重要内容。电感设计首先根据电路工作要求确定流过电感的平均电流及允许电流纹波的大小，同时还应给定允许的电感铜耗大小。根据电路形式与允许纹波大小可确定所需要的电感量大小。对于电感温升的限制决定允许的电感铜耗大小。铜耗的限制确定线圈截面积或线圈电流密度的选择范围。在电感平均电流I、电感量L、线圈电流密度J确定后，还应选择磁芯并计算电感绕组匝数、气隙长度等，如图4.25所示。(4)磁性元件设计①电感器的设计图4-25电感示意图PowerElectronics98图4-25电感示意图设所选磁性材料的最大直流磁通密度为Bm，绕组匝数N为（4.35）磁芯窗口面积应满足（4.36）k为窗口面积利用系数，通常在0.3～0.6之间。（4.37）根据上式可选择或制作电感磁芯，使其窗口面积与截面积之积稍大于计算值，匝数由式（4.35）计算，导线截面积为I/J，设磁路气隙为lg，为防止磁芯饱和，根据安培环路定律有

（4.38）PowerElectronics99变压器的设计包括变比确定、磁芯材料及磁芯形式选择、绕组匝数及导线规格等。

变压器设计应满足以下要求：a)变比的选择应使得输入电压降到允许的最低值时，仍能得到必要的最大输出电压；b)当输入电压和占空比为最大值时，磁芯不会饱和；c)尽可能提高变压器的利用效率：如使原、副边线圈损耗相等，铜耗与铁损相等；d)温升不超过允许的范围；e)原、副边线圈漏感要小；f)符合必要的安全规范等。变压器设计过程为：选择或制作一磁芯，使其实际窗口面积与磁芯截面积之积略大于计算值，确定原、副边绕组匝数，原、副边导线截面积。最后，对变压器的功耗、温升、励磁电流等进行计算，验证设计是否合乎要求。设变压器最大的磁感应强度为Bm，磁芯截面积为S，绕线用窗口面积为W。变压器原边由方波电压激励，频率为f，原边电压最大幅值为U1max，最小幅值为U1min，最大电流为I1，匝数为N1，原、副边绕组电流密度为J，副边绕组最小电压幅值为U2min，最大电流为I2，匝数为N2，变压器如图4.26所示。②变压器的设计图4-26变压器示意图PowerElectronics100图4-26变压器示意图

为保证最大占空比Dmax下输出额定电压Uo，要求副边最小电压满足：

其中UDF为副边整流二极管及线路压降之和。变比n为

为保证最大输入电压与最大占空比下磁芯不会饱和，根据法拉第定律有

假定窗口面积被充分利用，则有

式中k为窗口利用系数。

有关设计和计算公式PowerElectronics4.394.404.414.42101图4-26变压器示意图

式中，P为变压器输出最大功率。

PowerElectronics4.424.43

变压器设计过程为：选择或制作一磁芯，使其实际窗口面积与磁芯截面积之积略大于计算值，确定原、副边绕组匝数，原、副边导线截面积。最后，对变压器的功耗、温升、励磁电流等进行计算，验证设计是否合乎要求。102１）开关电源的设计原理(5)控制电路设计控制电路的核心是根据反馈控制原理，将期望输出电压信号与实际输出电压信号进行比较，利用误差信号对功率开关器件的导通与关断比例进行调节，从而实现实际输出电压维持在期望电压附近的目标。目前，能实现PWM控制的集成芯片很多，也可利用单片机实现PWM控制。PowerElectronics103例4-1

设某设备需要一直流稳压电源，输出电压Uo=24V，最大输出电流Io=20A，输出电压纹波峰峰值不超过0.24V，输出电流5A时副边电感电流仍然连续。采用PWM控制方案，最大占空比Dmax=0.9。设输入直流电压变化范围为245～350V，且采用隔离变压器的桥式逆变+二极管整流电路结构。试设计满足上述要求的电路主要参数。

设计过程请参看教材。PowerElectronics1042．变频器变频器是把工频电源变换成各种频率的交流电源以实现电机的变速运行的设备。

作为电动机的电源装置，目前在国内外使用广泛可以节能、提高产品和劳动生产率等变频器通常由主电路、控制电路和保护电路组成PowerElectronics105主电路整流电逆变电路

中间直流环节整流电路将交流电变换成直流电；直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波；逆变电路将中间环节输出的直流电转换为频率和电压都任意可调的交流电。2．变频器PowerElectronics106控制电路主控制电路

信号检测电路

基极驱动电路

外部接口电路

保护电路其功能是将检测电路得到的各种信号送到运算电路，使运算电路能够根据驱动要求为变频器主电路提供必要的驱动信号，并对变频器以及异步电动机提供必要的保护。2．变频器PowerElectronics107整流电路逆变电路控制电路M~图5-44变频器基本结构～AC中间环节DCAC运行指令PowerElectronics1081）交-直-交变频器的基本原理

交-直-交变频器是一种目前被广泛应用在交流电动机变频调速中的变频器。它是先将恒压恒频（CVCF:ConstantVoltageConstantFrequency）的交流电通过整流器变成直流电，再通过逆变器将直流电变换成可控交流电的间接型变频电路。按照不同的控制方式，交-直-交变频器可分为以下四种形式。PowerElectronics109可控整流

逆变图4-29可控整流器调压、六拍逆变器结构框图1)采用可控整流器调压、逆变器调频的控制方式。调压和调频在两个环节上分别完成，器件结构简单，控制方便。工作模式为三相六拍，每周换相六次，其主要缺点是电网端功率因数较低；输出的谐波较大。这类控制方式现在采用较少AC~50Hz调压调频DCACVVVFPowerElectronics110图4-30不可控整流器整流、斩波器调压、逆变器结构框图2）采用不可控整流器整流、斩波器调压、逆变器调频的控制方式。它有三个环节，整流器由二极管组成，只整流不调压；调压环节由斩波器单独进行，用脉宽调压，该方法克服了功率因数较低的缺点。但由于输出逆变环节不变，所以仍有较大谐波的缺点。AC~50Hz调压调频DCACVVVF不控整流斩波器逆变DCPowerElectronics111图4-31不控整流器整流、脉宽调制逆变器结构框图3）采用不控整流器整流、PWM逆变器同时调压调频的控制方式。该方法较好地解决输入功率因数较低和输出谐波大的问题。PWM逆变器采用了全控式电力电子开关器件，因此输出的谐波大小取决于PWM的开关频率以及PWM的控制方式AC~50Hz调压调频DCACVVVF不控整流

PWM

逆变器PowerElectronics112图4-32PWM整流器整流、PWM逆变器调压调频结构框图4)

采用PWM可控整流、PWM逆变器调压调频的控制方式。整个系统对电网的谐波污染可以控制得很低，同时具有较高的功率因数。而且通过PWM控制可使系统进行再生制动，即可以使异步电机在四象限上运行。AC~50Hz调压调频DCACVVVFPWM可控整流PWM逆变器中间环节PowerElectronics113(b)电流型变频器在交-直-交变频器中，当中间直流环节采用大电容滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下是一个内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，这类变频器称为电压型逆变器，如图4-33（a）所示；当中间直流环节采用大电感滤波时，直流电流波形比较平直，因而电源内阻抗很大，对负载来说基本上是一个恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，这类变频器称为电流型逆变器，如图4-33（b）所示。逆变器（a）电压型变频器+○-

○UdCd逆变器+○-

○LdUdId图4-33变频器结构框图PowerElectronics1142）交-直-交电压型变频电路

图4-34所示为一种常用的交-直-交电压型PWM变频电路。该电路采用二极管构成整流器，其输出直流电压Ud是不可控的，它和电容器之间的直流电压和直流电流极性不变，只能由电源向直流电源输送能量。图中逆变电路的能量是可以双向流动的，在负载能量反馈到中间直流电路时，将导致电容电压升高，称为泵升电压。如果能量无法反馈回交流电源，泵升电压会危及整个电路的安全。图4-34不能再生反馈的电压型变频电路PowerElectronics1152）交-直-交电压型变频电路

为了限制泵升电压，可采用带有泵升电压限制电路的电压型变频电路：泵升电压限制电路由开关器件V0和能耗电阻R0组成，与直流侧电容并联。当泵升电压超过一定数值时，使V0导通，把从负载反馈的能量消耗在R0上。这种电路可运用于对电动机制动时间有一定要求的调速系统中。图4-35带有泵升电压限制电路的电压型变频电路PowerElectronics1162）交-直-交电压型变频电路

利用可控变流器实现再生反馈的电压型变频电路：当负载回馈能量时，中间直流电压上升，使不可控整流电路停止工作，可控变流器工作于有源逆变状态，将电能反馈回电网。图4-36利用可控变流器实现再生反馈的电压型变频电路PowerElectronics1172）交-直-交电压型变频电路

整流和逆变均为PWM控制的电压型变频电路（可简称为双PWM电路）整流和逆变电路的构成完全相同，均采用PWM控制，能量可双向流动。输入输出电流均为正弦波，输入功率因数高，且可实现电动机四象限运行。图4-37整流和逆变均为PWM控制的电压型变频电路PowerElectronics1183）变频器的主要参数计算

对采用二极管整流、IGBT作为主开关的交—直—交型变频器(图4-34)中二极管、IGBT及中间环节滤波电容的参数进行计算。假设电机绕组采用星形联接方式、额定负载时的相电压Ue、相电流Ie、功率因数角为，变频器采用三相输入，电网相电压U1，频率f。PowerElectronics119

（1）中间环节滤波电容的参数计算为简化计算，不考虑器件损耗，则直流侧输出额定功率为，二极管整流环节输出的平均直流电压为Ud，因此根据功率平衡原则，直流脉动电流平均分量Id为

（4-45）等效负载电阻Rd为

（4-46）通常滤波电容C的选择应满足：

（4-47）PowerElectronics120（2）二极管的参数计算

二极管的额定电压根据输入相数、相电压确定。对三相输入、电网相电压U1情形，二极管的额定电压可选为

（4-48）二极管的额定电压可选为

（4-49）式中kv为考虑谐波成分影响的系数。（3）IGBT的参数计算

二极管整流环节输出的平均直流电压为Ud，考虑电网电压波动为±a%，关断时等效电感引起的直流环节电压尖峰为△U，则直流环节最高电压Udmax=（1+a%）Ud+△U。IGBT的额定电压可选为

(4-50)PowerElectronics121

考虑电网电压波动为-a%时也应输出额定功率，此时直流脉动电流平均分量Idmax为