正弦波UPS中逆变电路结构及SPWM方法

前言

逆变电路是UPS电源的核心电路。作者在剖析若干知名厂家生产的UPS电源电路的基础上，对UPS电源中的逆变电路进行了探讨。本文所涉及的电路，是这些厂家技术人员多年技术经验的结晶，并且经历过大量产品投放市场后的考验，具有很好的参考价值。作者在此发表出来，供业内人士和有兴趣者参考。

UPS电源有很多分类，作者根据业内的习惯，将UPS电源分为工频机和高频机。本文中的工频机和高频机采用的都是正弦波逆变电路，输出的都是正弦波电压，并且都是在线式结构。文中只涉及正弦波逆变电路，以下简称逆变电路。

逆变电路的结构

逆变电路由正弦波SPWM调制电路和功放电路组成。

1工频机所采用的逆变电路的结构图

图1所示为工频机所采用的逆变电路的结构图。由图可见，工频机逆变电路中右侧的功放电路采用的是全桥式功放电路，这种功放电路需要正弦波调制电路提供4路相互独立的SPWM驱动信号。在左侧的正弦波调制电路中，用正弦波信号去调制三角波信号，得到4路独立的SPWM信号，经隔离驱动后送至功放电路。

在这种结构中，每一桥臂功率管的数量视输出功率而定，当输出功率较小时，功率管采用MOS器件，输出功率大时，采用IGBT模块。

2高频机所采用的逆变电路的结构图

图2所示为高频机所采用的逆变电路的结构图。由图可见，高频机逆变电路中的功放电路采用的是半桥式功放电路，这种功放电路需要正弦波调制电路提供2路相互独立的SPWM驱动信号。在左侧的正弦波调制电路中，由电脑板直接提供2路SPWM波信号，经隔离驱动后送至功放电路。

在这种结构中，每一桥臂功率管的数量也视输出功率而定，当输出功率较小时，功率管采用MOS器件，输出功率较大时，也采用IGBT模块。

正弦脉宽调制（SPWM）方法

SPWM信号实际上就是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波。

在20KVA以下的小型逆变电路中，通常用正弦波（调制波）调制三角波（载波）的方法来实现脉宽调制的目的，又称为三角波调制法，它是利用比较器来完成这一功能的。根据调制信号所包含的信息量，调制电路可以分为单极性调制和双极性调制。

1 SPWM调制方法及特点

在单电源供电的比较器重，若将正弦波送到比较器的同相输入端，将三角波送到比较器的反相输入端，则在正三角波幅值大于正弦波的幅值时，比较器将输出一个负向脉冲，这个负向脉冲的宽度等于三角波大于正弦波部分所对应的时间间隔。而在三角波幅值小于正弦波的幅值时，比较器将输出一个正向脉冲，这个正向脉冲的宽度等于三角波小于正弦波部分所对应的时间间隔。从图3可见，这时在电压比较器的输出端将得到一连串脉冲方波序列，其特点是：对应于正弦波幅值较低的部位，脉冲方波的宽度较窄，而对应于正弦波幅值较高的部位，脉冲方波的宽度较宽。这就是正弦脉冲调制信号，即SPWM信号。

根据分析，这种三角波调制电路有以下特点：

⒈当三角波频率与正弦波频率之比N>20以上时，在比较器输出端产生的矩形脉冲，其宽度正比于正弦波幅值与三角波幅值之比。

因此，只要适当地调节输入到比较器的正弦波电压的幅值大小，就可以调节脉冲宽度，从而调节了逆变器输出的正弦波电压的大小。这一特点也使得由三角波调制电路构成的逆变电路具有自动稳压的功能。

⒉当正弦波幅度小于三角波幅度时，逆变器输出电压波形中只含有基波和17、19…次谐波，而不包含3、5、7…等低次谐波分量，仅存在与三角波频率相近的高次谐波。

正弦波的频率是50Hz，通常三角波的频率是10-20KHz左右。因此，在采用三角波调制法的逆变电路中，输出电压的波形中实际上不包含低次谐波分量，它们所包含的最低谐波分量的频率都在几十KHz以上。因此，在这种逆变电路中，逆变器所需的合成器（即输出滤波器）的尺寸、重量和成本可以大大减小。

⒊若增大正弦波的幅度，使正弦波幅度大于三角波幅度时，逆变电路输出的调制波中，将开始出现3、5、7…等低次谐波分量。这会导致逆变输出正弦波电压的失真度增大，严重时会使电路进入自动保护关机状态。因此在调试时要主意正弦波的幅度不能超过三角波的幅度。

上述正弦波调制法已经成为一种经典的正弦波调制方法，在逆变电路中被广泛使用。

2双极性SPWM调制

在双极性调制电路中，需要一路正弦波信号和一路三角波信号，三角波信号的幅值必须略大于正弦波信号的峰-峰值。

如图4a所示，若将正弦波送到单电源比较器的同相输入端，将三角波送到比较器的反相输入端，则在电压比较器的输出端将得到一连串脉冲方波序列，其特点是：在正弦波的正半周中，对应于正弦波幅值较低的部位，脉冲方波的宽度较窄，而对应于正弦波幅值较高的部位，脉冲方波的宽度较宽。而在正弦波的负半周中，对应于正弦波幅值较低的部位，脉冲方波的宽度较宽，而对应于正弦波幅值较高的部位，脉冲方波的宽度较窄。

由于这种调制电路输出的SPWM波信号中既包含了正弦信号正半周的信息，又包含了负半周的信息，所以称为双极性调制。

由于高频机通常采用半桥式功放电路，需要两路大小相等、相位相反的SPWM信号，因此在高频机中，将由此得到的双极性调制信号分为两路，将其中一路反相180°，即可得到两路大小相同、相位相反的SPWM信号。

图4b所示为另一种调制电路。它与图4a的区别是将正弦波送到比较器的反相输入端，而将三角波送到比较器的同相输入端。由此得到的SPWM信号的波形与图4a的相反，SPWM波宽度的变化规律也相反。将其分为两路，并将其中一路反相后，同样可以得到两路大小相等、相位相反的SPWM信号。

3单极性SPWM调制

在单极性调制电路中，也需要一路正弦波信号和一路三角波信号，但三角波信号的幅值只须略大于正弦波信号正半周的幅值或负半周的幅值。并且与正弦波的正半周或负半周对齐。

如图5单极性调制电路示意图所示，若将正弦波送到单电源比较器的同相输入端，将三角波送到比较器的反相输入端，则在三角波幅值大于正弦波的幅值时，比较器将输出一个负向脉冲，这个正向脉冲的宽度等于三角波大于正弦波部分所对应的时间间隔。而在三角波幅值小于正弦波的幅值时，比较器将输出一个正向脉冲，这个正向脉冲的宽度等于三角波小于正弦波部分所对应的时间间隔。从图5可见：这时在电压比较器的输出端将得到一串脉冲方波序列，其特点是对应于正弦波正半周幅值较低的部位，脉冲方波的宽度较窄，而对应于正弦波正半周幅值较高的部位，脉冲方波的宽度较宽。对应于正弦波的负半周，则输出脉冲方波的幅值为0.

由于这种调制电路输出的SPWM波信号中只包含了正弦信号正半周或负半周的信息，所以称为单极性调制。

在工频机中通常采用全桥式功放电路，需要4路不同的SPWM驱动信号，因此必须采用单极性调制方式。所以在工频机中，需要提供一路正弦波信号，一路正向三角波、一路反向三角波。其中正弦波信号的对称轴不能在0轴（X轴）上，而是要抬高到电源电压的二分之一处，图中标记为Vz，这样才能保证三角波只与正弦波的正半周或只与负半周相调制。于是，用正向三角波和正弦波信号组合，可以得到两路SPWM信号，而用反向三角波和正弦波信号组合，可以得到另外两路不同的SPWM信号，一共可得到4路不同的SPWM信号。参见图6所示。

图6中正弦波与正、反向三角波组合排列的位置与全桥功放电路中功放管的排列位置相对应，它们输出的驱动信号能使功率管按照对角线的规律导通和截止。

在正弦波正半周期间，a组中正弦波总是高于反向三角波的幅度，加至单电源比较起的反相端以后，比较器a始终输出低电平，使左上臂功放管始终截止；此时虽然d组中的比较器d可以输出SPWM信号，但左上臂与右下臂对角线上的两组功放管却不能导通。此时b组中正弦波总是高于反向三角波的幅度，所以比较器b始终输出高电平，使左下臂功放管始终饱和导通；而此时c组中的比较器c却可以输出SPWM信号，所以右上臂与左下臂对角线上的功放管就能根据SPWM信号导通或截止。在正弦波信号正半周期间，左上臂功放管始终截止，所以全桥功放电路左侧上、下臂的功放管不会同时导通；而右侧上、下功放管的驱动信号的极性刚好相反，因此右侧上、下臂的功放管也不会同时导通。

在正弦波负半周期间，c组中正弦波总是低于正向三角波的幅度，加至单电源比较起的反相端以后，比较器c始终输出低电平，使右上臂功放管始终截止，此时虽然b组中的比较器b可以输出SPWM信号，但右上臂与左下臂对角线上的两组功放管却不能导通。此时d组中正弦波总是低于正向三角波的幅度，所以比较器d始终输出高电平，使右下臂功放管始终饱和导通；而此时a组中的比较器a却可以输出SPWM信号，所以左上臂与右下臂对角线上的功放管就能根据SPWM信号导通或截止。在正弦波信号负半周期间，右上臂功放管始终截止，所以全桥功放电路右侧上、下臂的功放管不会同时导通；而左侧上、下功放管的驱动信号的极性刚好相反，因此左侧上、下臂的功放管也不会同时导通。

因此，上述组合正好符合全桥功放电路的要求。

需要说明的是，所谓正、反向三角波只是相对概念，它们相互平等，无主次之分，这样的名称只是便于说明问题。