一种改善的UPWM在变频逆变器中的应用

1、引言

　　SPWM正弦脉宽调制技术是工业领域应用最为广泛的一种变频电源控制方式。这种技术的特点是原理简单，通用性好，控制和调节性能好，是一种比较好的波形改善法。正弦脉宽调制可以分为双极性控制方式(BPWM)和单极性控制方式(UPWM)两种。

　　传统的UPWM控制方式如图1(a)所示，与双极性控制方式相比，其开关频率在“实效上”增加了一倍.同时，由于每次开关输出电压的变化从双极性的 降到 ，其输出电压波形的频谱会有所改善。但由于其功率管均工作在高频状态下，开关损耗较高。本文将在传统UPWM的基础上对UPWM加以改善。使其在满足THD要求的情况下开关损耗更低。并给出了在此种工作方式下制作的样机的实验波形。

2、改善的UPWM方式下全桥逆变器的基本原理

2、1全桥逆变器的电路拓扑结构

　　本项目包括前级电路和后级电路，其中前级电路包括PFC+BUCK来实现输出电压幅值的调节，本文着重介绍后级电路。图2给出了全桥逆变器的电路拓扑结构。图中开关管S1-S4(包括其寄生二极管D1-D4)是桥式电路的四个臂，它们由电力电子器件及辅助电路组成。

图2　 全桥逆变器的电路拓扑结构图

2、2改善的UPWM控制方式

　　改善的UPWM控制方式如图3所示，其S1和S3采用PWM调制而S2和S4采用SPWM调制。S4调制的时候S1长通，而S2调制的时候S3长通。同时保证同一桥臂上的两开关管不直通，即同一桥臂上的两开关管在大趋势上是互补的。而在传统的UPWM控制方式中，S1、S2、S3和S4长通。同时保证同一桥臂上的两开关管不直通，即同一桥臂上的两开关管在大趋势上是互补的。而在传统的UPWM控制方式中，S1、S2、S3和S4均采用SPWM调制。

[p] 2、3全桥逆变器工作状态分析

　　在一个开关周期中，改善的UPWM控制方式下，全桥逆变器有4个工作状态,如图4。
图5给出了不同工作状态下的等效电路。在分析之前作如下假设：1)所有开关管均为理想器件；2)电感、电容均为理想元件。

　　（1）工作状态0

　　时刻前[图5（a）]，输出电压和电感电流方向相反。此时虽然S2、S3导通，但由于电流方向与输出电压方向反相而致使S2、S3没有流过电流，从而此时功率管虽然开通，但是却起不到调制的作用，而是通过D2、D3续流。

　　（2）工作状态1
　　
　　从时刻开始输出电压和电感电流方向变得相同。此时S1、S4导通，由于电感的足够大此工作状态是连续的，即电流不换相。在这工作状态下S1常通，而S4以正弦规律通断。从而实现SPWM调制。

　　（3）工作状态2

　　时刻开始输出电压和电感电流方向变得相反。此时虽然S1、S4导通，但由于电流方向的变化而致使S1、S4没有流过电流，从而此时功率管虽然和工作状态一样，但是却起不到调制的作用，而是通过D1、D4续流。

　　（4）工作状态3

　　时刻开始输出电压和电感电流方向变得相同。此时S2、S3导通，由于电感的足够大此工作状态是连续的，即电流不换相。在这工作状态下S3常通，而S2以正弦规律通断。从而实现SPWM调制。

　　在时刻t3，电流方向反相。从而开始另一个周期，其工作情况等同于前面描述的

3、改善的UPWM与其它控制方式的比较

3、1 改善的UPWM与BPWM控制方式比较

　　BPWM控制时，逆变桥的对角功率管（S1/S4、S2/S3）同时开通或同时关断，同一桥臂的开关管处于互补导通，所有功率管均为高频开关。这样每发生一次开关，逆变桥的输出电压为正输入电压或负输入电压，从而输出电压的半个周期内，平之间切换，即+1/-1（或-1/+1）切换方式，整个输出电压周期内所得到的是两态输出电压波形。由此可得在相同滤波器下工作于这种方式的输出波形的THD更大，而且功率管管耗更大。

3、2改善的UPWM与传统的UPWM控制方式比较

　　传统的UPWM控制时，逆变桥输出端得到的是三态输出电压波形，但由于其工作时功率管工作在高频状态下，这样就造成较高的开关损耗。这种控制方式的优势在于电流换相时，桥臂工作于调制状态从而使输出波形得到改善。同时可以通过合理的设置死区来实现开关管的ZVS。但这样将影响输出波形的THD。


[p] 4、实验结果与分析
　
　　为了验证此逆变器的工作原理，在实验室制作了输入电压150-450VDC，输出电压150-300VAC，频率15-1000Hz的逆变器。

　　图7（a）是同一桥臂的两个驱动波形，CH1是调制管的驱动波形，CH2是常通管驱动波形，而图7（b）是CH1的放大。从波形可以看出解调时加的滤波电容和功率管的输入电容对波形有一定影响、且米勒效应比较明显。但实验证明这并不影响功率管的正常开通与关断。

5、结论

　　本文对传统UPWM加以改善，使得功率管的损耗大大降低。同时，较之于BPWM优点也是明显的,使功率管不完全工作于高频状态，故功率管损耗更小。而且改善后的UPWM仍然工作于三态，谐波频谱更好一些。研制的工作频率为100kHz、输出频率15Hz-1000Hz、输出电压为150VAC-300VAC、输出功率为1350VA的逆变器实验样机证明了方案的可行性。


6、参考文献

1. 刘凤君，“正弦波逆变器”，科学出版社，2002

2.李维琴，1KVA逆变器模块的研究与开发，南京航空航天大学硕士学位论文

3.赵小简，SPWM高频脉冲直流环节逆变器的研究，南京航空航天大学硕士学位论文

4.R.S.Lai and K.D.T.Ngo,A PWM Method for Reduction of Switching Loss in An Full-bridge Inverter,IEEE Trans.on PE Vol.10,No,3,1995