5.5 脉宽调制型（PWM）逆变电路  

在工业应用中许多负载对逆变器的输出特性有严格要求，除频率可变、电压大小可调外，还要求输出电压基波尽可能大、谐波含量尽可能小。对于采用无自关断能力晶闸管元件的方波输出逆变器，多采用多重化、多电平化措施使输出波形多台阶化来接近正弦。这种措施电路结构较复杂，代价较高，效果却不尽人意。改善逆变器输出特性另一种办法是使用自关断器件作高频通、断的开关控制，将方波电压输出变为等幅不等宽的脉冲电压输出，并通过调制控制使输出电压消除低次谐波、只剩幅值很小、易于抑制的高次谐波，从而极大地改善了逆变器的输出特性。这种逆变电路就是脉宽调制（Pulse Width Modulated——PWM）型逆变电路，它是目前直流—交流（DC—AC）变换中最重要的变换技术，是本章的重点内容。

5.5.1基本原理

按照输出交流电压半周期内的脉冲数，脉宽调制（PWM）可分为单脉冲调制和多脉冲调制；按照输出电压脉冲宽度变化规律，PWM可分为等脉宽调制和正弦脉宽调制（SPWM）。按照输出半周期内脉冲电压极性单一还是变化，PWM可分为单极性调制和双极性调制。在输出电压频率变化中，输出电压半周期内的脉冲数固定还是变化，PWM又可分为同步调制、异步调制和分段同步调制等。对于这些有关调制技术的基本原理和概念，准备通过单相脉宽调制电路来说明。

1．单脉冲与多脉冲调制

图5-24（a）为一单相桥式逆变电路。功率开关器件VT₁、VT₂之间及VT₃、VT₄之间作互补通、断，则负载两端A、B点对电源E负端的电压波形 均为180º的方波。若VT₁、VT₂通断切换时间与VT₃、VT₄通断切换时间错开λ角，则负载上的输出电压 得到调制，输出脉宽为λ的单脉冲方波电压，如图5-24（b）所示。λ调节范围为0～180º，从而使交流输出电压 的大小可从零调至最大值，这就是电压的单脉冲脉宽调制控制。

图5-24  单相逆变电路及单脉冲调制

（a）单相逆变电路；（b）单脉冲PWM

如果对逆变电路各功率开关元件通断作适当控制，使半周期内的脉冲数增加，就可实现多脉冲调制。图5-25（a）为多脉冲调制电路原理图，（b）为输出的多脉冲PWM波形，图中， 为三角波的载波信号电压， 为输出脉宽控制用调制信号， 为调制后输出PWM信号。当 ，比较器输出 为高电平；当 ，比较器输出 为低电平。由于 为直流电压，输出 为等脉宽PWM；改变三角载波频率，就可改变半周期内脉冲数。

图5-25  多脉冲调制电路及PWM波形

2.正弦脉宽调制（SPWM）

等脉宽调制产生的电压波形中谐波含量仍然很高，为使输出电压波形中基波含量增大，应选用正弦波作为调制信号 。这是因为等腰三角形的载波 上、下宽度线性变化，任何一条光滑曲线与三角波相交时，都会得到一组脉冲宽度正比于该函数值的矩形脉冲。所以用三角波与正弦波相交，就可获得一组宽度按正弦规律变化的脉冲波形，如图5-26所示。而且在三角载波 不变条件下，改变正弦调制波 的周期就可以改变输出脉冲宽度变化的周期；改变正弦调制波 的幅值，就可改变输出脉冲的宽度，进而改变 中基波 的大小。因此在直流电源电压E不变的条件下，通过对调制波频率、幅值的控制，就可使逆变器同时完成变频和变压的双重功能，这就是正弦脉宽调制（Sine Pule Width Modulated—SPWM）。

图5-26  正弦脉宽调制（单极性）

3.单极性与双极性调制

从图5-26中可以看出，半周期内调制波与载波均只有单一的极性： ；输出SPWM波也只有单一的极性：正半周内， ；负半周内， ； 极性的变化是通过倒相电路按半周期切换所得。这种半周期内具有单一极性SPWM波形输出的调制方式称单极性调制。

图5-27  双极性SPWM

逆变电路采用单极性调制时，在输出的半周期内每桥臂只有上或下一个开关元件作通断控制，另一个开关元件关断。如任何时候每桥臂的上、下元件之间均作互补的通、断，则可实现双极性调制，其原理如图5-27所示。双极性调制时，任何半周期内调制波 、载波 及输出SPWM波 均有正、负极性的电压交替出现。

4.同步调制与异步调制

SPWM逆变器输出电压的频率可以通过改变正弦调制波 的频率来调节，此时对三角形载波 的频率有两种处理方式：一是载波频率随调制波频率成比例变化，在任何输出频率下保持每半周期内的输出脉冲数不变，称为同步调制。另一种是在任何时候均保持载波频率不变，此时半周期内的输出脉冲数在不同输出频率下均不同，称异步调制。

考虑到低频时异步调制有利、高频时同步调制较好，所以实用中采取了分段同步调制的折衷方案，如图5-28所示。即：将整个输出频率范围 分为几个频率段，除在低频段采用异步调制外，其他各段均设置一适当载波比 ，即载波频率 与调制波频率 之比，实施同步调制。这样在某一确定频率段内，随着输出频率增大载波频率增加，但始终保持确定的半周期输出脉冲数目不变。随着运行频率 的提高，减小载波比N，以保持功率器件的开关频率在一个合理的范围。当输出频率达到额定值 后，将脉宽调制方式改为方波输出，以充分利用直流电源电压E。

5.5.2  正弦脉宽调制方法

SPWM是以获得正弦电压输出为目标的一种脉宽调制方式。本小节将以应用最普遍的三相电压源型逆变电路来讨论SPWM具体实现方法，主要是采样法和指定谐波消去法。

   1.采样法

图5-30为一三相电压源型PWM逆变器，VT₁～VT₆为高频自关断器件，VD₁～VD₆为与之反并联的快速恢复二极管，为负载感性无功电流提供通路。二个直流滤波电容C串联接地，中点Oˊ可以认为与三相Y接负载中点O等电位。逆变器输出A、B、C三相PWM电压波形取决于开关器件VT₁～VT₆上的驱动信号波形，即PWM的调制方式。

图5-30  三相电压源型PWM逆变器主电路结构

假设逆变电路采用双极性SPWM控制，三相公用一个三角形载波 ，三相正弦调制信号 互差120º。这种由正弦调制波与三角载波相交、交点决定开关器件导通时刻而形成SPWM波形的方法称采样法。

2.指定谐波消去法

指定谐波消去法是将逆变电路与负载作为一个整体进行分析，从消去对系统有害的某些指定次数谐波出发来确定SPWM波形的开关时刻，使逆变器输出电压接近正弦。这对采用低开关频率器件的逆变器更具意义。

图5-32  可以消除5、7次谐波的三脉冲SPWM

图5-32为1/4周期内仅有三个开关角 的三脉冲、单极性SPWM波形，要求调制时控制输出电压基波幅值为 ，消除其中为害最大的5、7次谐波（由于负载Y接、无中线，无3及其倍数次谐波）。为了确定开关时刻，将时间坐标原点取在波形的1/4周期处，则该PWM波形的富氏级数展开为

                                              （5-17）

式中第k次谐波电压幅值 可展开成

                       （5-18）

由于脉冲具有轴对称性，无偶次谐波，k为奇数。将上式代入式（5-17），得

           (5-19)

根据要求，应有

             （5-20）

求解以上谐波幅值方程，即可求得为消除5、7次谐波所必需满足的开关角 。这样，就可以较少的开关次数，获得期望的SPWM输出电压。当然，如若希望消除更多的谐波含量，则需用更多谐波幅值方程求解更多的关开时刻。

5.5.3  电流滞环控制PWM

电流滞环控制PWM是将负载三相电流与三相正弦参考电流相比较，如果实际负载电流大于给定参考电流，通过控制逆变器功率开关元件关断使之减小；如果实际电流小于参考电流，控制功率开关器件导通使之增大。通过对电流的这种闭环控制，强制负载电流的频率、幅值、相位按给定值变化，提高电压源型PWM逆变器对电流的响应速度。

图5-33  电流滞环控制PWM输出一相电流 及电压 波形

图5-33给出了电流控制PWM逆变器的一相输出电流、电压波形。图中 为给定正弦电流参考信号， 为逆变器实际输出电流， 为设定的电流允许偏差。当 时，控制逆变器该相下桥臂开关元件导通，使 衰减；当 ，控制逆变器该相上桥臂开关元件导通，使 增大；以此种方式迫使该相负载电流 跟随指令电流变化并将跟随误差限定在允许的 范围内。这样逆变器输出电流呈锯齿波，其包络线按指令规律变化；输出电压为双极性PWM波形。逆变器功率开关元件工作在高频开关状态，允许偏差 越小，电流跟踪精度越高，但功率器件的开关频率也越高，必须注意所用器件的最高开关频率限制。