直流-交流变换技术

u o ≈ u o1
f c >> f
单相双极性SPWM逆变电路
单相双极性SPWM逆变电路
• 电压平均值模型：
单相双极性SPWM逆变电路
• 幅值调制比ma对输出基波幅值的影响
SPWM的定义并没有要求幅度调制比一定小于1，在ma > 1时叫做过调制，调制情况如下图4.9，ma的 增长可以使输出电压的基频分量幅值进一步增长。幅度调制比趋向于无穷大时，电路工作情况就将退化 为方波逆变的情况。因此，提高ma并不能无限制提升直流电压利用率，而是以方波逆变的情况为上限。 当SPWM的输出就是方波的情况，这时的幅度调制比定义为mak，显然mak是与mf有关的，mf越高mak也 越大。 过调制除了带来直流电压利用率的有限增加，还导致输出电压低次谐波大量出现（与方波输出类似 的3、5、7等奇数次低次谐波），与SPWM初衷是有一定矛盾的。
式中各开关角αi如图4.6(b)所示，表示在输出电压基波前1/4周期内uo极性翻转的各 时刻点,由调制波uc和载波us的交点决定,因此改变幅值调制比ma ，即改变调制波的 幅值usm可以改变包括基波在内的电压值。 方波逆变的情况，相当于mf = 1的双极性SPWM逆变情况。 输出电压包括谐波虽然可以精确计算，但也不难看到，在mf很大、ma变动的情 况下，这样的计算是比较烦琐的；而对于电路工作者而言并不关心谐波的精确细 节，只需要掌握输出基波性能和谐波频率、幅值的大致分布。
单相双极性SPWM逆变电路
• 逆变直流侧输入电流分析
假定逆变电路的频率调制比足够大，以至于用很小的滤波参数就可将输出电压 的谐波滤除，于是输出电压 为正弦波，即
uo = U om sin ωt io = I om sin(ωt − φ )
idU d = io uo = U m I m ⋅ sin ωt ⋅ sin(ωt − φ )
∫
TS / 2
0
U d 2 dt = U d
4U d U = ≈ 1.273U d 输出电压的基波峰值为： o1m π U 其有效值为： U o1 = o1m ≈ 0.9U d 2 U o1 A = ≈ 0.9 基波电压增益（直流母线电压利用率）： V Ud 总谐波失真度THD（Total Harmonic Distortion） 表征了一个实际波形同其基波的接近程度，定义为：
1,3 S D 1,3 2,4 1,3 2,4
能量输出
1,3 2,4 2,4
全桥逆变电路
全桥方波逆变基本工作波形
方波逆变电路分析
• 全桥逆变电路输出电压分析：
uo = ∑
n
4U d sin nωt nπ
(n = 1, 3, 5, ……) ，其中ω= 2πfs
2 U = 输出电压有效值为： o TS
id = Um Im ⎡ cos(2ωt − φ ) ⎤ I i ⋅ cos φ ⎢1 − = − ⎥ d d 2U d cos φ ⎣ ⎦
Id =
Um Im ⋅ cos(2ωt − φ ) id = 2U d
Um Im ⋅ cos φ 2U d
SPWM全桥逆变器提供的电流包含直流分量、交流基波分量，直流分量是向负载 提供有功功率的，交流分量使得直流电源周期性吞吐能量，为无功电流。
线路中不存在分布、寄生参数。
方波逆变电路分析
u g1,3 u g2,4 uo
+Ud
t
u o1 i o1
t
Ud/2
Lo
uo
Ud/2
Dp
Sp
0
Ro
Dn Sn
-Ud
t
io
io
0
t0 t 1
t2 t3
t4
t
半桥逆变电路
id
S1 D1
D2 S2
id
0
母线平均电流
t
Ud
S4 D4
Lo
uo io
Ro
D3 S3
能量回馈
2U d
U o1m =
π
≈ 0.637U d
其有效值为：
U o1 =
U o1m ≈ 0.45U d 2
基波电压增益：
U o1 AV = ≈ 0.45 Ud
全桥方波逆变电路的特点
• 输出电压调节能力差：自身不具备电压 调节能力，只能通过改变直流母线电压 的大小来调节； • 输出电压谐波含量丰富：THD=48.3%； • 直流输入母线电压利用率较高：0.9； • 输入电流：每半个输出周期均有无功电 流回馈到输入母线直流电压端。
1 THD = U 01
∑U
n=2
∞
2 n
1 π2 2 2 = U o − U 01 = − 1 = 0.483 = 48.3% U 01 8
方波逆变电路分析
• 半桥逆变电路输出电压分析：
2U d uo = ∑ sin nωt nπ n
输出电压的基波峰值为：
(n = 1, 3, 5, ……) ，其中ω= 2πfs
uS1
0
S1
S2
t
2Vi Vi
uS2
0
t t
Vo
NVi
主电路
工作模式①
— —
0
-NVi
S1门极信号
Vi S1 +
—
Vi
+ S2
—
S1
S2
工作模式②
工作模式③
+
+
—
S2门极信号
①
②
③
②
①
②
③
②
+
电路工作过程波形示意图
桥式逆变结构：
桥式电路的基本拓扑结构和实现形式
全桥逆变电路 半桥逆变电路
Ch4.3 单相方波逆变电路
单相双极性SPWM逆变电路
• 双极性SPWM电路的特点和存在的问题
逆变电源的主要应用场合
• 变频变压(variable voltage & variable frequency, VVVF)交流电源：如变频器，作为交 流电机的驱动器。 E1 = 4.44 f1W1kW 1φm • 恒频恒压(constant voltage & constant frequency, CVCF)交流电源：提供一个类似理想 电网的恒压恒频特性，如不间断电源系统 (uninterruptible power supply，UPS)，飞机二次 电源，光伏发电系统，风能发电系统等。 • 有源逆变器 ：典型输出负载是电网，如可再生能 源并网发电。
Ch4.2 逆变电路的基本拓扑形式
• 推挽逆变结构： • 桥式逆变结构： • 桥式逆变结构的推广： 如半桥、全桥、三相桥、多相桥、多 电平桥式电路、多重化桥式电路等 等。
逆变电路与直流变换电路的内在联系
推挽电路
全桥电路
全波整流
全桥整流
推挽逆变结构：
1:1:N
+
+ Vo
—
—
+ + Vi
— —
Vi S1 S2
• 输出电压脉冲宽度 为
τ =α
• 输出零电压脉冲宽度为
θ =输出电压分析：
U o1m =
4U d
π
sin
τ
2
=
4U d
π
sin
α
2
全桥相移式调压逆变电路
Ch4.4 单相SPWM逆变电路
• SPWM逆变调制技术：
所谓SPWM是“正弦脉冲宽度调制”（Sinusoidal Pulse Width Modulation）的缩写，采用了标准正弦波作为PWM调制波，是目 前运用最为广泛的逆变控制技术，其基本原理又可分为单极性和 双极性调制两类。
C1
单相双极性SPWM逆变电路
• 对调制波进行三次谐波注入
单相双极性SPWM逆变电路
• 单相双极性SPWM输出电压频谱分析
基波成分，如前所述； （开关次）中心谐波，即谐波次数h=mf的谐波，随着幅度调制比增加，其幅值相对直流母线电 压的归一化比值从最大值有所跌落； 边频带谐波，是指以mf的整数倍次谐波为中心，附近渐次衰减的上下边频带谐波。按照分析假 定，频率开关次谐波为奇数，输出不含偶次谐波，则各边频带谐波次数为 h = jmf±k (4.27) 其中j和k不能同时为奇数或者偶数，以保证h为奇数。
Ch4 直流－交流变换技术
逆变电路的基本拓扑形式 单相方波逆变电路 单相PWM逆变电路 三相方波逆变电路 三相PWM逆变电路 逆变器PWM技术的优化 多电平逆变器（选讲） 逆变器输出滤波器的设计（选讲）
Ch4.1
概 述
• 直流－交流变换电路，又称逆变器（inverter) DC (direct current)-AC (alternating current) • 逆变电路的分类： 直流电源形式、电路结构、按功率器件、输出 波形要求、所接负载能量传递情况、输出相 数、开关器件工作情况等分类。 • 本教材主要讨论的逆变器： 电压源型、无源逆变器。
¾ 分析条件假定。 ¾ 方波逆变电路(输出电压幅值不可控）。 ¾ 全桥相移式调压逆变电路（输出电压幅 值可控）。
分析条件假定－简化电路分析
• 功率器件特性理想 ：
开关功率器件无损耗、无时延。
• 电源特性理想 ：
逆变器输入为理想直流电压源 。
• 负载特性理想 ：
理想的电阻器、电感器和电容器。
• 电路特性理想：
调制技术有关概念：
SPWM采用的调制波为正弦波为 幅值调制比定义为 频率调制比定义为
单相双极性SPWM逆变电路
所谓双极性SPWM，指主电路每个 开关周期内输出电压波形都会出现 正和负两种极性的电平。
单相双极性SPWM逆变电路
• 傅里叶输出电压分析：
假定频率调制比为奇数，那么输出电压uo是一个半波对称的奇函数，即 uo(t) = -uo(t+0.5T)，对uo进行傅立叶展开：