无源逆变器讲解
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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。
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. 逆变器为六拍逆变器，力矩脉动较大，低速下要采用
图5-1
电流型 PWM 技术来减轻力矩的脉动。
交-直-
电压源型逆变器的中间直流环节由于采用电容储能，因
交变 换器 的调 压方
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；
图5-4 串联二极管电流型逆变器电路图
图5-5 串联二极管电流源型逆变器 输出电流波形
图5-6 串联 二极 管电 流源 型逆 变器 的换 流过 程
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
功率损耗。
图5-11 PWM 逆变器主电路 a) 晶体管 PWM逆变器主电路 MOSFET 主电路（一相桥臂）
6. 基极驱动电路应尽量不使PWM波形的脉宽受到 限制，并能适应输出量的通断比可能的任意数值
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
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。
5.2.2 逆变桥的输入电流
id
?
iS1 ? iS3 ? iS5
?
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
2. 基极驱动电路必须与逻辑电路、 PWM控制电路 绝缘和隔离，具有足够高的共模电压抑制能力， 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
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。
类型
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
1 uOO ' ? 3 (uUO' ? uVO' ? uWO' )
uUV
?
2
π
3
U
d
{sin
ω
t
?
1 sin 5ω t ?
5
1 sin 7ω t ? 1 sin 11ω t ? ?
单相电路、三相电路、多相电路
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
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：
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 ）。
式
3. 可多台逆变器共用一套直流电源并联运行；
图5-2 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
VVVF 峰值都很大，需要在极短的时间内进行保护，所以保护困难
变换 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。
器的 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
两种 基本
2U d 3r
Pd
? Udid
?
2U
2 d
3r
?
U
2 d
rd
rd
?
Байду номын сангаас
Ud id
?
3r 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
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5-13 分立元件基极驱动电路
ibfm
?
U1 ? ? U R11
ibrm
?
U1 ? U2 R12 ? Ron
图5-14 变压器隔离的驱动电路
5．5．4 功率MOSFET驱动电路
图5-15 栅极驱动电路
5．5．5 IGBT驱动电路
5.1 概述 有源逆变
第五章 无源逆变器
无源逆变
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 调压功能 调频功能 负载电流波形
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
率高，控制灵活，调节性能好，成本低， 与晶闸管PWM逆变器比较，在中小功率应 用范围内，有较好的性能价格比。但是由 于功率晶体管存在二次击穿和耐冲击能力
图5－20 理 想的基极 驱动电流
较差的缺点，因而必须在基极驱动、过流
波形
保护及吸收电路的工程设计时对这些缺点
予以充分地考虑。
5．5．2 PWM逆变器工作原理
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 PWM逆变器，可使装置的体积小，斩波频
1.基极驱动电流必须类似图 5－20所示的波形。
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。
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. 逆变器为六拍逆变器，力矩脉动较大，低速下要采用
图5-1
电流型 PWM 技术来减轻力矩的脉动。
交-直-
电压源型逆变器的中间直流环节由于采用电容储能，因
交变 换器 的调 压方
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；
图5-4 串联二极管电流型逆变器电路图
图5-5 串联二极管电流源型逆变器 输出电流波形
图5-6 串联 二极 管电 流源 型逆 变器 的换 流过 程
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
功率损耗。
图5-11 PWM 逆变器主电路 a) 晶体管 PWM逆变器主电路 MOSFET 主电路（一相桥臂）
6. 基极驱动电路应尽量不使PWM波形的脉宽受到 限制，并能适应输出量的通断比可能的任意数值
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
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。
5.2.2 逆变桥的输入电流
id
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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
2. 基极驱动电路必须与逻辑电路、 PWM控制电路 绝缘和隔离，具有足够高的共模电压抑制能力， 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
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。
类型
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
1 uOO ' ? 3 (uUO' ? uVO' ? uWO' )
uUV
?
2
π
3
U
d
{sin
ω
t
?
1 sin 5ω t ?
5
1 sin 7ω t ? 1 sin 11ω t ? ?
单相电路、三相电路、多相电路
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
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：
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 ）。
式
3. 可多台逆变器共用一套直流电源并联运行；
图5-2 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
VVVF 峰值都很大，需要在极短的时间内进行保护，所以保护困难
变换 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。
器的 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
两种 基本
2U d 3r
Pd
? Udid
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Байду номын сангаас
Ud id
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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
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5-13 分立元件基极驱动电路
ibfm
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U1 ? ? U R11
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U1 ? U2 R12 ? Ron
图5-14 变压器隔离的驱动电路
5．5．4 功率MOSFET驱动电路
图5-15 栅极驱动电路
5．5．5 IGBT驱动电路
5.1 概述 有源逆变
第五章 无源逆变器
无源逆变
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 调压功能 调频功能 负载电流波形
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
率高，控制灵活，调节性能好，成本低， 与晶闸管PWM逆变器比较，在中小功率应 用范围内，有较好的性能价格比。但是由 于功率晶体管存在二次击穿和耐冲击能力
图5－20 理 想的基极 驱动电流
较差的缺点，因而必须在基极驱动、过流
波形
保护及吸收电路的工程设计时对这些缺点
予以充分地考虑。
5．5．2 PWM逆变器工作原理
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 PWM逆变器，可使装置的体积小，斩波频
1.基极驱动电流必须类似图 5－20所示的波形。