单片机逆变电源设计+电路图+原理图+主程序及流程图 第3页
第2章 逆变电源工作原理分析2.1 逆变系统基本结构和变换电路 图2- 1 逆变系统的结构
逆变的直接功能是将直流变换成交流电。逆变系统的核心就是逆变开关电路，或者叫逆变电路，通过电力电子开关的导通与关断，完成逆变的功能。电力电子开关器件的通断，需要一定的驱动脉冲，这些脉冲可以通过改变一个电压信号来调节，产生调节脉冲的电路通常称为控制电路。除了逆变电路和控制电路之外，还要有保护电路、无耻悲鄙下流的网"学.网总是抄优,文^论,文.网
http://www.youerw.com 理论依据是惯性对象脉冲响应的“冲量等效”现象。简言之，形状不同但冲量(幅值对时间的积分,即波形的“面积”)相等的窄脉冲激励信号施加于具有惯性的对象如低通滤波器时，它们所获得的响应基本相同。因此，可将期望输出的正弦电压波形假想成一组等宽不等幅的片段组合而成，然后用一组冲量对应相等的等幅不等宽(正弦脉冲宽度调制-SPWM)脉冲将它们依次替代如图2-2所示。
图2- 2 正弦PWM调制原理
后者可以由电子开关的通断控制实现。频谱分析表明：SPWM脉冲电压具有与理想正弦电压相一致的基波分量，而其最低次谐波的频率可以提高到SPWM调制频率(即开关频率，对应每基波周期的脉冲数)附近。因此，开关频率足够高时，利用较小的滤波器就将其中的谐波滤除。此外，只要同比地改变SPWM脉冲宽度，还可以平滑地调节输出电压的基波幅值。采用了SPWM技术的逆变器即为SPWM逆变器。后者在波形质量和控制性能上相对方波型逆变器有了巨大进步。
SPWM逆变器中的电子开关通常以一个全控型器件，这里以IGBT为例，和一个反并联的二极管结构(参见2-3a)，两个这样的开关串联，组成一个“桥臂”(参见图2-3b)对IGBT实施互补通断控制，可以唯一确定桥臂输出端电位。它是SPWM逆变电路基本组成单元。分别采用一个、两个、或者三个桥臂，再加上LC滤波，就可以构成单相半桥、单相全桥、三相半桥SPWM逆变器，图2-4所示，这些都是实用中最常见的逆变电路。
图2- 3 （a）电子开关 （b）逆变器一个桥臂的构成
（a）(b)（c）
图2- 4 （a）单相半桥（b）单相全桥（c）三相全桥逆变器电路结构
2.2脉宽调制技术及其控制方法
脉宽调制即PWM(Pulse Width Modulation)技术于1964年被德国学者率先应用于交流传动系统中，从根本上解决了方波逆变器存在的问题。经过40多年的发展，该技术已经在工业中产生了巨大的经济效益，并在调制原理上提出了自然采样、规则采样、低次谐波消去等优化调制方法。
采样控制理论的一个重要的结论就是：冲量相等而形状不同的窄脉冲(即面积相等的窄脉冲)加在具有惯性的环节上，其作用效果基本相同。在逆变电源的PWM调制中，就是面积相等而形状不同的窄脉冲加到具有惯性的LC滤波器上时，其输出响应波形基本上相同。SPWM就是在PWM的基础上，使得输出电压脉冲在一个特定的时间间隔内的能量等效于正弦波所包含的能量。为了实现SPWM，将正弦半波平分为N等份，如图2-2所示，就可以把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于π/N，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用相同数量的等幅不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲部分和相应正弦波部分面积相等，就得到图2-5所示的脉冲序列。这就是PWM波形。
图2- 5 正弦调制矩形脉冲调制序列波
可以看出，各脉冲的幅值相等，而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。而这样脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按照同一比例系数改变上述脉冲的宽度即可。根据输出电压波的极性不同，又可分为单极性SPWM波和双极性SPWM波。
图2- 6 双极性PWM控制原理
本设计用的是双极性PWM控制方式。图2-4的单相桥式逆变电路在采用双极性控制方式时的波形如图2-6所示。在双极性方式中Ur的半个周期内，三角形载波是在正负两个方向变化的，所得到的PWM波形也是在两个方向变化的。在Ur的一个周期内，输出的PWM波形只有±Ud两种电平。仍然在两波的交点时刻控制器件的通断。在Ur的正负无耻悲鄙下流的网"学.网总是抄优,文^论,文.网
http://www.youerw.com 半周，对各开关器件的控制规律相同。当Ur>Uc时，给T4和T1以开通信号，给T2和T3以关断信号，输出电压U0＝Ud；当Ur<Uc时，给T2和T3以开通信号，给T4和T1以关断信号，输出电压U0＝-Ud。可以看出，同一半桥的上下两个桥臂IGBT的驱动信号极性相反，处于互补工作方式。在感性负载的情况下，若T4和T1处于导通状态时，给T4和T1以关断信号，而给T2和T3以开通信号后，则T4和T1立即关断；感性电流不能突变，T2和T3不能立即导通，二极管D3和D2导通续流，当感性负载电流过大时，直到下一次T4和T1重新开通前，负载电流方向始终未变，D3和D2持续导通，而T2和T3始终未导通。当负载电流较小时，在负载电流下降到0之前，D3和D2续流，之后给和T3导通，负载电流反向。不论D3和D2导通还是T2和T3导通，负载电压都是-Ud。
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