SPWM逆变电路原理

1、对于大多数应用场合需要的是工频电源，例如我们的电冰箱，洗衣机，电风 扇等都需要正弦波的 220伏、50赫兹电源，各种动力设备， 远距离输电也都 需要正弦波的交流电。更多的太阳能光伏发电装置输出的是正弦波交流电， 目前生成正弦波仍采用前面介绍的全桥电路， 只是对开关晶体管的控制采用 PWM脉宽调制或移相控制或调频控制等方式。这里仅介绍最常用的PWM宽调制方式。面积等效原理转换 把直流电转换成正弦波交流电是根据根据面积等效原理， 在图 1 上图中的正 弦半波（红线）分成 n 等份，把正弦半波看成是由 n 个彼此相连的矩形脉冲 组成的波形，为简单清晰，划分为 7等份。 7个脉冲的幅值按正弦规律变化，

2、 每个脉冲面积与相对应的正弦波部分面积相同， 这一连续脉冲就等效正弦波。 图1用面积等效原理转换为SPWM波形 如果把上述脉冲序列改为相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲 （图 1下图）， 脉冲中心位置不变，并且使该矩形脉冲面积和上图对应的矩形脉冲相同，得 到图1下图所示的脉冲序列，脉冲宽度按正弦波规律变化，这就是PWM波形。 根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的，图中红线就是该序列波 形的平均值。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到 PWM波形。这种脉冲的宽度 按正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM波形，也称SPWM波形。要改变等效 输出的正弦波的幅值时， 只需按照同一比例系数改

3、变上述各脉冲的宽度即可。SPWM 波形的生成输出SPWM波形仍需全桥逆变电路，在“光伏用 DC-DC变换器”课件中已介绍过这种电路，通过控制开关晶体管的通与断在负载上产生交变电压，见图2。正电压输岀新能源谍件网站1负电压输出图2全桥逆变电路的工作状态 输出SPWM波形的矩形波必须生成序列的控制信号来控制桥式电路中开关晶 体管的通与断，普遍使用的是调制法来生成控制信号，可采取单极性调制也 可采用双极性调制来生成控制信号，下面介绍常用的单极性调制方式。图3上部分是SPW波形控制信号生成的原理图，下部分是生成的SPW波形。 在调制法中，把所希望输出的波形称为调制波 ur，把接受调制的信号称为载 波u

4、c,通常采用等腰三角波作为载波，正弦波作为调制信号。在两波交点时 对电路中的开关器件进行通断控制， 就可得到宽度正比于调制信号幅值的脉 冲。在ur正半周时，T2与T3保持关断，在ur和uc的交点时刻控制开关晶体管 T1与T4开通与关断：当ur > uc时控制T1与T4导通，R上的电压为Ud,当 ur v uc时控制T1与T4关断，R上的电压为0。在ur负半周时，T1与T4保 持关断，当uc>ur时控制T3与T2导通，R上的电压为-Ud,当ucv ur时控 制T1与T4关断，R上的电压为0。这样在R上产生宽度按正弦波规律变化 的SPWM波形，见图2下图，其中红线uof表示输出等效的正

5、弦波交流电电 压。SPWM逆变器输出的正弦波交流电电压 uof的峰值uofm小于输入的直流电压 ud,把uofm/ud称为直流电压利用率，对于单相 SPWNfe路直流电压利用率 的理论值最大为 1，实际上由于种种原因，直流电压利用率要小于1。对于输出相电压（有效值）为 220V单相交流电的逆变电路输入直流电压要高于 310V。SPWM逆变器输出电压与ur/uc成正比，保持载波uc不变，改变调制波ur 的大小即可控制输出交流电压的大小。当然,调制波 ur 峰值要小于载波 uc 峰值。图3单极性PWM波形生成原理 过去采用模拟电路产生调制信号, 精密而高速的电压比较器对 ur 和 uc 进行 比较

6、,当两电压相同时及时控制开关晶体管进行通断切换,但模拟电路结构 复杂,也难以实现精确的控制。采用微处理器直接计算出控制点称为计算法,但计算法较繁琐,计算量大, 较少使用。现在已有专用的集成电路用来产生 SPWM®制信号，微处理器仅对其发出输 出频率、电压等参数就可产生高精度控制信号,输出完好的正弦波,微处理 器就有很多时间对整个逆变器进行检测、保护等控制。这种方式电路简单、 效果好、可靠性高,是目前广泛使用的控制方法,有关内容请另找专业书籍 或资料。F面是SPWM逆变器开关管通断切换与波形动画，动画左面是开关管通断切 换动画，右面上部分是调制信号动画，右面下部分是输出电压波形动画。S

7、PW逆变器波形动画 以上介绍的是单相的逆变过程，使用最多的是三相逆变器，三相逆变电路则 需三套SPWM制电路，同步进行控制。图 4是三相逆变器的主电路图，开 关管T1至T6组成桥式逆变电路，通过三相 SPW碉制控制，输出三相交流 电，RA RB RC是三相负荷，按星形接法，中性线接点为 N。电阻R1与R2 大小相同、电容C1与C2大小相同，它们在直流输入侧建立中性点 N,该点 电位为Ud/2，两个N点都是中性点，当三相负荷 RA RB RC相同时，两个 N点电位相同，两个N点可以连接。实际应用中多数不连接 N点，输入端R1、 R2、C1、C2只需一个滤波电容即可。有关SPWMB制三相逆变电路较

8、复杂，具体内容请另找专业书籍或资料。图 4 三相逆变电器主路对于三相SPWM逆变器的直流电压利用率是输出的正弦波线电压（峰值）与 输入的直流电压之比，理论值最大为 0.866，实际上由于种种原因，直流电 压利用率要小于0.866。对于输出线电压（有效值）为380V三相交流电的逆 变电路输入直流电压要高于 620V。从理论上讲，三角波（载波）频率越高，输出波形越接近正弦波。实际上， 开关管的通断变化虽然很快，但仍需要一定的时间，在这个时间段里，开关 管要承受高电压，大电流的冲击，功耗很大，高频率切换不但加大损耗降低 电源效率，还可能使管子发热烧毁。一般逆变器的载波频率约几千赫兹，小 功率的频率高些，大功率逆变器的频率低些。SPW波形由方波组成，含有较多谐波成分，必须采用输出滤波器使输出波形 正弦化。图