无源逆变器讲解
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2
2 LS I L
LS Z S＝ CS
1 TS 3 t f 4 0
I DS
I DSF
2I L
图5－22 Snubber等效电路
3）电容CS的放电过程及电阻RS的计算
RS 1 TS 3 u CS U d C S ln U CSPK U d 1 TS TS 1 3 1 . 01 1 8.124C S 8.124C S f S C S ln 1 . 15 1
三、开关过电压的保护
1）线性换流阶段
U CS (t f ) 1 Cs
tf
0
Biblioteka Baidu
iCS dt u c (0)
IL I t f Ud L t f 2C S 2C s
2）杂散电感谐振放能过程及电容、 吸收二极管的容量计算
图5－21 PWM逆变器的Snubber电路
CS
u%U d 2
5.2.2 逆变桥的输入电流 2U d id iS1 i S 3 i S 5 3r 2 2 2U d Ud Pd U d id 3r rd
U d 3r rd id 2
图5-3 导通的电压型三相逆变器 输出电压波形（三相星形负载）
5.3 串联二极管电流源型逆变电路
MOSFET主电路（一相桥臂） c) IGBT主电路（一相桥臂）
二、基极驱动电路 1．光耦合基极驱动电路 2．变压器耦合基极驱动电路
图5-13 分立元件基极驱动电路
ibfm
U 1 U R11
U1 U 2 R12 Ron
图5-14 变压器隔离的驱动电路
ibrm
5．5．4 功率MOSFET驱动电路
第五章 无源逆变器
5.1 概述 有源逆变 5.1.1 无源逆变器分类
分类房法
使用器件 直流电源性质 电路结构 输出相数
无源逆变
种
类
晶闸管逆变器、GTO逆变器、BJT逆变器、MOSFET逆变器、 IGBT逆变器、混合式逆变器 电压型逆变器、电流型逆变器 半桥电路、全桥电路 单相电路、三相电路、多相电路
5.4.3 三相正弦脉宽调制
图5－10 三相正弦脉冲宽度调制波形
5．5．1 概述
5.5 PWM逆变器
功率晶体管、功率场效应晶体管和绝 5．5．3 大功率晶体管的驱动 缘栅双极型晶体管（GTR、MOSFET、IGBT） 一、功率晶体管理想的基极驱动条件 是自关断器件，用它们作开关元件构成的 1.基极驱动电流必须类似图5－20所示的波形。 PWM逆变器，可使装置的体积小，斩波频 率高，控制灵活，调节性能好，成本低， 图5－20 理 与晶闸管PWM逆变器比较，在中小功率应 想的基极 用范围内，有较好的性能价格比。但是由 驱动电流 于功率晶体管存在二次击穿和耐冲击能力 波形 较差的缺点，因而必须在基极驱动、过流 保护及吸收电路的工程设计时对这些缺点 2. 基极驱动电路必须与逻辑电路、PWM控制电路 予以充分地考虑。 绝缘和隔离，具有足够高的共模电压抑制能力， 5．5．2 PWM逆变器工作原理 响应快，波形不失真 3. 基极驱动电路要有过流或晶体管进入放大区 工作的保护功能。 4. 为了保证开关速度，基极驱动电路应具有抗 饱和的功能，使晶体管工作在临界饱和状态。 5. 尽量降低基极驱动的隔离稳压电源的容量和 功率损耗。 图5-11 PWM逆变器主电路 6. 基极驱动电路应尽量不使PWM波形的脉宽受到 a) 晶体管PWM逆变器主电路 限制，并能适应输出量的通断比可能的任意数值
调压功能
调频功能 负载电流波形
无调压功能、有调压功能
恒频输出、变频输出 正弦波逆变器、非正弦波逆变器
5.1.2 VVVF变换器
在交－直－交变换器中，既能改变频率 又能改变电压的变换器通常称为变压变频 变换器，即VVVF变换器（Variable Voltage Variable Frequency Converter），若实现恒定电压和恒定频 率的逆变则称为恒压恒频变换器，即CVCF 变换器（Constant Voltage Constant Frequency Converter）。
二、能量回馈制动
PWM + C 逆 变 器 M 3~
有源整流器控制电路
电压检测
图5-29 能耗制动原理
图5-30 有源整流器能量回馈制动原理电路
5．2 180导通的电压源型三相逆变器
5.2.1 输出电压及波形分析
u OO '
uUV
1 (uUO ' uVO' uWO ' ) 3
2 3 1 1 1 U d {sin ω t sin 5ω t sin 7ω t sin 11 ω t } π 5 7 11
负载电压中消除了三次和三的倍数次谐波是有益的， 因为它们对于电动机的性能会造成严重的损害。当然， 由于换流作用和逆变器电路的内部电压降，实际电压波 形和理想电压波形略有差别。实际上，六阶梯波逆变器 已成功地应用在交流调速系统中。
一、能耗制动 电动机制动时，动能变为电能向 贮能电容充电，通过检测电容电压， 当电容电压高达某一数值时，接通能 耗回路，使电容电压不再上升，电动 机轴系的动能变成了能耗回路电阻的 发热。如图5-29所示，当电动机制动 运行时，电容C充电后，就会使其电 压高于整流器的输出电压，通过电容 电压的检测反馈，控制能耗电路的功 率晶体管开关VT开通，电容C通过能 耗电阻R放电，当电容电压降低到某 一数值时，电压检测电路控制VT关断， 停止放电。显然，能耗回路动作，电 容C放电的电压必须高于正常工作时 的电源电压。
图5-15 栅极驱动电路
图5-17 EXB841驱动应用实例
5．5．5 IGBT驱动电路
图5-16 EXB系列 集成驱动芯 片内部框图 a) EXB850, 851（标准型） b）EXB840, 841（高速型）
图5－18 EXB841原理电路
5.6 PWM逆变器的特殊问题
5.6.1 PWM逆变器的保护问题
图5-1 交-直交变 换器 的调 压方 式
电流源型变换器大多用于大功率的风机水泵调速控 制系统，其主要运行特点如下： 1.采用可控整流调压、逆变器变频方式运行，一般实现 恒磁通控制 2.逆变器中各开关器件主要起改变电流流通路径的作用， 故交流侧电流为矩形波，与负载性质无关，而交流侧电 压波形和相位因负载阻抗角的不同而异，其波形常接近 正弦波； 3.由于可控整流器能实现可逆运行，能量反馈制动很容 易实现的； 4.采用电感储能，系统响应慢 5.逆变器为六拍逆变器，力矩脉动较大，低速下要采用 电流型PWM技术来减轻力矩的脉动。
图5－19 IGBT开通时等效电路
二、防止上下桥臂直通的措施
逆变器的上下桥臂直通，贮能大 电容短路，这是PWM逆变器最可怕的故 障，一般来说都会对元器件产生永久 性的破坏，因此，必须采取一切措施 绝对避免这种直通故障的出现。防止 上下桥臂直通的原理是：
图 5－20 PWM逆变器的上下桥臂及其驱动波形
5.4 正弦脉宽调制(SPWM)技术
5．4．1 正弦脉宽调制原理 5.4.2 双极性正弦脉宽调制
图5-7 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
图5-9 双极性 SPWM 单相全 桥逆变 电路及 其波形
图5-8 与正弦波等效的矩形脉冲序列波形
综上所述，在SPWM工作情况下，在开 关点上各开关元件间产生电流的转移，而 且绝大多数是桥臂间的换流（包含两种方 式），只有在I=0前后，才会出现桥臂内 元件的自然换流。
图5－25 CS放电的等效电路 图5－23 线性化换流等效电路
3 PRS TS
1 TS 3 0
2 RS iCS dt
3 f s C S (u% U d ) 2 2
5．6．2 PWM逆变器主电源的软起动问题
5．6．3 电动机负载时的制动问题
图5-27 主电源的软起动电路
图5-28 软起动电路
图5-2 VVVF 变换 器的 两种 基本 类型
电压源型逆变器的中间直流环节由于采用电容储能，因 此直流环节电压值不受负载影响，其主要运行特点如下： 1.逆变器采用PWM技术，既变压又变频 2.由于直流电压源的箝位作用，交流测电压波形为矩形波，与 负载阻抗角无关，而交流测电流波形和相位因负载阻抗角的不 同而异，其波形接近正弦波。系统响应速度快； 3.可多台逆变器共用一套直流电源并联运行； 4.同一相的上下桥臂有直通短路的可能，这时电流的变化率和 峰值都很大，需要在极短的时间内进行保护，所以保护困难 5.由于整流部分采用不控整流，因此不能实现能量回馈制动。 如果电动机需要向交流电源反馈能量，因直流测电压方向不能 改变，所以只能靠改变直流电流的方向来实现，这就需要给交 －直变换的整流桥再反并联一套逆变桥。
一.串联二极管电流型逆变器的 主电路及其工作原理 二、换流过程 （1）换流前正常运行阶段 （2）晶闸管换流与恒流充、放电阶段 （3）二极管换流阶段 （4）进入新运行状态
图5-4 串联二极管电流型逆变器电路图
图5-6 串联 二极 管电 流源 型逆 变器 的换 流过 程
图5-5 串联二极管电流源型逆变器 输出电流波形
一、过流保护
1.电源瞬变的过程中，控制部分不输出导致上下桥 臂直通的附加脉冲。事实上，在电源瞬变的过程中， 特别是控制电源包括基极驱动的隔离电源在建立和 突然消失的过程中，直通的现象是不可避免的，但 必须保证没有危害开关元件的直通大电流产生。 2.不管是什么原因，控制逻辑部分，包括DSP或CPU 等故障，都不能送出直通故障信号。简而言之，任 何条件下都不应该出现上下桥臂开关都同时有正的 开通信号 3.开关元件状态转换的过程中，避免因开关时间而 导致上、下桥臂出现暂态的直通现象。
2 LS I L
LS Z S＝ CS
1 TS 3 t f 4 0
I DS
I DSF
2I L
图5－22 Snubber等效电路
3）电容CS的放电过程及电阻RS的计算
RS 1 TS 3 u CS U d C S ln U CSPK U d 1 TS TS 1 3 1 . 01 1 8.124C S 8.124C S f S C S ln 1 . 15 1
三、开关过电压的保护
1）线性换流阶段
U CS (t f ) 1 Cs
tf
0
Biblioteka Baidu
iCS dt u c (0)
IL I t f Ud L t f 2C S 2C s
2）杂散电感谐振放能过程及电容、 吸收二极管的容量计算
图5－21 PWM逆变器的Snubber电路
CS
u%U d 2
5.2.2 逆变桥的输入电流 2U d id iS1 i S 3 i S 5 3r 2 2 2U d Ud Pd U d id 3r rd
U d 3r rd id 2
图5-3 导通的电压型三相逆变器 输出电压波形（三相星形负载）
5.3 串联二极管电流源型逆变电路
MOSFET主电路（一相桥臂） c) IGBT主电路（一相桥臂）
二、基极驱动电路 1．光耦合基极驱动电路 2．变压器耦合基极驱动电路
图5-13 分立元件基极驱动电路
ibfm
U 1 U R11
U1 U 2 R12 Ron
图5-14 变压器隔离的驱动电路
ibrm
5．5．4 功率MOSFET驱动电路
第五章 无源逆变器
5.1 概述 有源逆变 5.1.1 无源逆变器分类
分类房法
使用器件 直流电源性质 电路结构 输出相数
无源逆变
种
类
晶闸管逆变器、GTO逆变器、BJT逆变器、MOSFET逆变器、 IGBT逆变器、混合式逆变器 电压型逆变器、电流型逆变器 半桥电路、全桥电路 单相电路、三相电路、多相电路
5.4.3 三相正弦脉宽调制
图5－10 三相正弦脉冲宽度调制波形
5．5．1 概述
5.5 PWM逆变器
功率晶体管、功率场效应晶体管和绝 5．5．3 大功率晶体管的驱动 缘栅双极型晶体管（GTR、MOSFET、IGBT） 一、功率晶体管理想的基极驱动条件 是自关断器件，用它们作开关元件构成的 1.基极驱动电流必须类似图5－20所示的波形。 PWM逆变器，可使装置的体积小，斩波频 率高，控制灵活，调节性能好，成本低， 图5－20 理 与晶闸管PWM逆变器比较，在中小功率应 想的基极 用范围内，有较好的性能价格比。但是由 驱动电流 于功率晶体管存在二次击穿和耐冲击能力 波形 较差的缺点，因而必须在基极驱动、过流 保护及吸收电路的工程设计时对这些缺点 2. 基极驱动电路必须与逻辑电路、PWM控制电路 予以充分地考虑。 绝缘和隔离，具有足够高的共模电压抑制能力， 5．5．2 PWM逆变器工作原理 响应快，波形不失真 3. 基极驱动电路要有过流或晶体管进入放大区 工作的保护功能。 4. 为了保证开关速度，基极驱动电路应具有抗 饱和的功能，使晶体管工作在临界饱和状态。 5. 尽量降低基极驱动的隔离稳压电源的容量和 功率损耗。 图5-11 PWM逆变器主电路 6. 基极驱动电路应尽量不使PWM波形的脉宽受到 a) 晶体管PWM逆变器主电路 限制，并能适应输出量的通断比可能的任意数值
调压功能
调频功能 负载电流波形
无调压功能、有调压功能
恒频输出、变频输出 正弦波逆变器、非正弦波逆变器
5.1.2 VVVF变换器
在交－直－交变换器中，既能改变频率 又能改变电压的变换器通常称为变压变频 变换器，即VVVF变换器（Variable Voltage Variable Frequency Converter），若实现恒定电压和恒定频 率的逆变则称为恒压恒频变换器，即CVCF 变换器（Constant Voltage Constant Frequency Converter）。
二、能量回馈制动
PWM + C 逆 变 器 M 3~
有源整流器控制电路
电压检测
图5-29 能耗制动原理
图5-30 有源整流器能量回馈制动原理电路
5．2 180导通的电压源型三相逆变器
5.2.1 输出电压及波形分析
u OO '
uUV
1 (uUO ' uVO' uWO ' ) 3
2 3 1 1 1 U d {sin ω t sin 5ω t sin 7ω t sin 11 ω t } π 5 7 11
负载电压中消除了三次和三的倍数次谐波是有益的， 因为它们对于电动机的性能会造成严重的损害。当然， 由于换流作用和逆变器电路的内部电压降，实际电压波 形和理想电压波形略有差别。实际上，六阶梯波逆变器 已成功地应用在交流调速系统中。
一、能耗制动 电动机制动时，动能变为电能向 贮能电容充电，通过检测电容电压， 当电容电压高达某一数值时，接通能 耗回路，使电容电压不再上升，电动 机轴系的动能变成了能耗回路电阻的 发热。如图5-29所示，当电动机制动 运行时，电容C充电后，就会使其电 压高于整流器的输出电压，通过电容 电压的检测反馈，控制能耗电路的功 率晶体管开关VT开通，电容C通过能 耗电阻R放电，当电容电压降低到某 一数值时，电压检测电路控制VT关断， 停止放电。显然，能耗回路动作，电 容C放电的电压必须高于正常工作时 的电源电压。
图5-15 栅极驱动电路
图5-17 EXB841驱动应用实例
5．5．5 IGBT驱动电路
图5-16 EXB系列 集成驱动芯 片内部框图 a) EXB850, 851（标准型） b）EXB840, 841（高速型）
图5－18 EXB841原理电路
5.6 PWM逆变器的特殊问题
5.6.1 PWM逆变器的保护问题
图5-1 交-直交变 换器 的调 压方 式
电流源型变换器大多用于大功率的风机水泵调速控 制系统，其主要运行特点如下： 1.采用可控整流调压、逆变器变频方式运行，一般实现 恒磁通控制 2.逆变器中各开关器件主要起改变电流流通路径的作用， 故交流侧电流为矩形波，与负载性质无关，而交流侧电 压波形和相位因负载阻抗角的不同而异，其波形常接近 正弦波； 3.由于可控整流器能实现可逆运行，能量反馈制动很容 易实现的； 4.采用电感储能，系统响应慢 5.逆变器为六拍逆变器，力矩脉动较大，低速下要采用 电流型PWM技术来减轻力矩的脉动。
图5－19 IGBT开通时等效电路
二、防止上下桥臂直通的措施
逆变器的上下桥臂直通，贮能大 电容短路，这是PWM逆变器最可怕的故 障，一般来说都会对元器件产生永久 性的破坏，因此，必须采取一切措施 绝对避免这种直通故障的出现。防止 上下桥臂直通的原理是：
图 5－20 PWM逆变器的上下桥臂及其驱动波形
5.4 正弦脉宽调制(SPWM)技术
5．4．1 正弦脉宽调制原理 5.4.2 双极性正弦脉宽调制
图5-7 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
图5-9 双极性 SPWM 单相全 桥逆变 电路及 其波形
图5-8 与正弦波等效的矩形脉冲序列波形
综上所述，在SPWM工作情况下，在开 关点上各开关元件间产生电流的转移，而 且绝大多数是桥臂间的换流（包含两种方 式），只有在I=0前后，才会出现桥臂内 元件的自然换流。
图5－25 CS放电的等效电路 图5－23 线性化换流等效电路
3 PRS TS
1 TS 3 0
2 RS iCS dt
3 f s C S (u% U d ) 2 2
5．6．2 PWM逆变器主电源的软起动问题
5．6．3 电动机负载时的制动问题
图5-27 主电源的软起动电路
图5-28 软起动电路
图5-2 VVVF 变换 器的 两种 基本 类型
电压源型逆变器的中间直流环节由于采用电容储能，因 此直流环节电压值不受负载影响，其主要运行特点如下： 1.逆变器采用PWM技术，既变压又变频 2.由于直流电压源的箝位作用，交流测电压波形为矩形波，与 负载阻抗角无关，而交流测电流波形和相位因负载阻抗角的不 同而异，其波形接近正弦波。系统响应速度快； 3.可多台逆变器共用一套直流电源并联运行； 4.同一相的上下桥臂有直通短路的可能，这时电流的变化率和 峰值都很大，需要在极短的时间内进行保护，所以保护困难 5.由于整流部分采用不控整流，因此不能实现能量回馈制动。 如果电动机需要向交流电源反馈能量，因直流测电压方向不能 改变，所以只能靠改变直流电流的方向来实现，这就需要给交 －直变换的整流桥再反并联一套逆变桥。
一.串联二极管电流型逆变器的 主电路及其工作原理 二、换流过程 （1）换流前正常运行阶段 （2）晶闸管换流与恒流充、放电阶段 （3）二极管换流阶段 （4）进入新运行状态
图5-4 串联二极管电流型逆变器电路图
图5-6 串联 二极 管电 流源 型逆 变器 的换 流过 程
图5-5 串联二极管电流源型逆变器 输出电流波形
一、过流保护
1.电源瞬变的过程中，控制部分不输出导致上下桥 臂直通的附加脉冲。事实上，在电源瞬变的过程中， 特别是控制电源包括基极驱动的隔离电源在建立和 突然消失的过程中，直通的现象是不可避免的，但 必须保证没有危害开关元件的直通大电流产生。 2.不管是什么原因，控制逻辑部分，包括DSP或CPU 等故障，都不能送出直通故障信号。简而言之，任 何条件下都不应该出现上下桥臂开关都同时有正的 开通信号 3.开关元件状态转换的过程中，避免因开关时间而 导致上、下桥臂出现暂态的直通现象。