正弦波UPS中逆變電路結(jié)構(gòu)及SPWM方法

前言

逆變電路是UPS電源的核心電路。作者在剖析若干知名廠家生產(chǎn)的UPS電源電路的基礎(chǔ)上，對(duì)UPS電源中的逆變電路進(jìn)行了探討。本文所涉及的電路，是這些廠家技術(shù)人員多年技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的結(jié)晶，并且經(jīng)歷過大量產(chǎn)品投放市場后的考驗(yàn)，具有很好的參考價(jià)值。作者在此發(fā)表出來，供業(yè)內(nèi)人士和有興趣者參考。

UPS電源有很多分類，作者根據(jù)業(yè)內(nèi)的習(xí)慣，將UPS電源分為工頻機(jī)和高頻機(jī)。本文中的工頻機(jī)和高頻機(jī)采用的都是正弦波逆變電路，輸出的都是正弦波電壓，并且都是在線式結(jié)構(gòu)。文中只涉及正弦波逆變電路，以下簡稱逆變電路。

逆變電路的結(jié)構(gòu)

逆變電路由正弦波SPWM調(diào)制電路和功放電路組成。

1工頻機(jī)所采用的逆變電路的結(jié)構(gòu)圖

圖1所示為工頻機(jī)所采用的逆變電路的結(jié)構(gòu)圖。由圖可見，工頻機(jī)逆變電路中右側(cè)的功放電路采用的是全橋式功放電路，這種功放電路需要正弦波調(diào)制電路提供4路相互獨(dú)立的SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在左側(cè)的正弦波調(diào)制電路中，用正弦波信號(hào)去調(diào)制三角波信號(hào)，得到4路獨(dú)立的SPWM信號(hào)，經(jīng)隔離驅(qū)動(dòng)后送至功放電路。

在這種結(jié)構(gòu)中，每一橋臂功率管的數(shù)量視輸出功率而定，當(dāng)輸出功率較小時(shí)，功率管采用MOS器件，輸出功率大時(shí)，采用IGBT模塊。

2高頻機(jī)所采用的逆變電路的結(jié)構(gòu)圖

圖2所示為高頻機(jī)所采用的逆變電路的結(jié)構(gòu)圖。由圖可見，高頻機(jī)逆變電路中的功放電路采用的是半橋式功放電路，這種功放電路需要正弦波調(diào)制電路提供2路相互獨(dú)立的SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在左側(cè)的正弦波調(diào)制電路中，由電腦板直接提供2路SPWM波信號(hào)，經(jīng)隔離驅(qū)動(dòng)后送至功放電路。

在這種結(jié)構(gòu)中，每一橋臂功率管的數(shù)量也視輸出功率而定，當(dāng)輸出功率較小時(shí)，功率管采用MOS器件，輸出功率較大時(shí)，也采用IGBT模塊。

正弦脈寬調(diào)制（SPWM）方法

SPWM信號(hào)實(shí)際上就是與正弦波等效的一系列等幅不等寬的矩形脈沖波。

在20KVA以下的小型逆變電路中，通常用正弦波（調(diào)制波）調(diào)制三角波（載波）的方法來實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制的目的，又稱為三角波調(diào)制法，它是利用比較器來完成這一功能的。根據(jù)調(diào)制信號(hào)所包含的信息量，調(diào)制電路可以分為單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制。

1 SPWM調(diào)制方法及特點(diǎn)

在單電源供電的比較器重，若將正弦波送到比較器的同相輸入端，將三角波送到比較器的反相輸入端，則在正三角波幅值大于正弦波的幅值時(shí)，比較器將輸出一個(gè)負(fù)向脈沖，這個(gè)負(fù)向脈沖的寬度等于三角波大于正弦波部分所對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔。而在三角波幅值小于正弦波的幅值時(shí)，比較器將輸出一個(gè)正向脈沖，這個(gè)正向脈沖的寬度等于三角波小于正弦波部分所對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔。從圖3可見，這時(shí)在電壓比較器的輸出端將得到一連串脈沖方波序列，其特點(diǎn)是：對(duì)應(yīng)于正弦波幅值較低的部位，脈沖方波的寬度較窄，而對(duì)應(yīng)于正弦波幅值較高的部位，脈沖方波的寬度較寬。這就是正弦脈沖調(diào)制信號(hào)，即SPWM信號(hào)。

根據(jù)分析，這種三角波調(diào)制電路有以下特點(diǎn)：

⒈當(dāng)三角波頻率與正弦波頻率之比N>20以上時(shí)，在比較器輸出端產(chǎn)生的矩形脈沖，其寬度正比于正弦波幅值與三角波幅值之比。

因此，只要適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)輸入到比較器的正弦波電壓的幅值大小，就可以調(diào)節(jié)脈沖寬度，從而調(diào)節(jié)了逆變器輸出的正弦波電壓的大小。這一特點(diǎn)也使得由三角波調(diào)制電路構(gòu)成的逆變電路具有自動(dòng)穩(wěn)壓的功能。

⒉當(dāng)正弦波幅度小于三角波幅度時(shí)，逆變器輸出電壓波形中只含有基波和17、19…次諧波，而不包含3、5、7…等低次諧波分量，僅存在與三角波頻率相近的高次諧波。

正弦波的頻率是50Hz，通常三角波的頻率是10-20KHz左右。因此，在采用三角波調(diào)制法的逆變電路中，輸出電壓的波形中實(shí)際上不包含低次諧波分量，它們所包含的最低諧波分量的頻率都在幾十KHz以上。因此，在這種逆變電路中，逆變器所需的合成器（即輸出濾波器）的尺寸、重量和成本可以大大減小。

⒊若增大正弦波的幅度，使正弦波幅度大于三角波幅度時(shí)，逆變電路輸出的調(diào)制波中，將開始出現(xiàn)3、5、7…等低次諧波分量。這會(huì)導(dǎo)致逆變輸出正弦波電壓的失真度增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使電路進(jìn)入自動(dòng)保護(hù)關(guān)機(jī)狀態(tài)。因此在調(diào)試時(shí)要主意正弦波的幅度不能超過三角波的幅度。

上述正弦波調(diào)制法已經(jīng)成為一種經(jīng)典的正弦波調(diào)制方法，在逆變電路中被廣泛使用。

2雙極性SPWM調(diào)制

在雙極性調(diào)制電路中，需要一路正弦波信號(hào)和一路三角波信號(hào)，三角波信號(hào)的幅值必須略大于正弦波信號(hào)的峰-峰值。

如圖4a所示，若將正弦波送到單電源比較器的同相輸入端，將三角波送到比較器的反相輸入端，則在電壓比較器的輸出端將得到一連串脈沖方波序列，其特點(diǎn)是：在正弦波的正半周中，對(duì)應(yīng)于正弦波幅值較低的部位，脈沖方波的寬度較窄，而對(duì)應(yīng)于正弦波幅值較高的部位，脈沖方波的寬度較寬。而在正弦波的負(fù)半周中，對(duì)應(yīng)于正弦波幅值較低的部位，脈沖方波的寬度較寬，而對(duì)應(yīng)于正弦波幅值較高的部位，脈沖方波的寬度較窄。

由于這種調(diào)制電路輸出的SPWM波信號(hào)中既包含了正弦信號(hào)正半周的信息，又包含了負(fù)半周的信息，所以稱為雙極性調(diào)制。

由于高頻機(jī)通常采用半橋式功放電路，需要兩路大小相等、相位相反的SPWM信號(hào)，因此在高頻機(jī)中，將由此得到的雙極性調(diào)制信號(hào)分為兩路，將其中一路反相180°，即可得到兩路大小相同、相位相反的SPWM信號(hào)。

圖4b所示為另一種調(diào)制電路。它與圖4a的區(qū)別是將正弦波送到比較器的反相輸入端，而將三角波送到比較器的同相輸入端。由此得到的SPWM信號(hào)的波形與圖4a的相反，SPWM波寬度的變化規(guī)律也相反。將其分為兩路，并將其中一路反相后，同樣可以得到兩路大小相等、相位相反的SPWM信號(hào)。

3單極性SPWM調(diào)制

在單極性調(diào)制電路中，也需要一路正弦波信號(hào)和一路三角波信號(hào)，但三角波信號(hào)的幅值只須略大于正弦波信號(hào)正半周的幅值或負(fù)半周的幅值。并且與正弦波的正半周或負(fù)半周對(duì)齊。

如圖5單極性調(diào)制電路示意圖所示，若將正弦波送到單電源比較器的同相輸入端，將三角波送到比較器的反相輸入端，則在三角波幅值大于正弦波的幅值時(shí)，比較器將輸出一個(gè)負(fù)向脈沖，這個(gè)正向脈沖的寬度等于三角波大于正弦波部分所對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔。而在三角波幅值小于正弦波的幅值時(shí)，比較器將輸出一個(gè)正向脈沖，這個(gè)正向脈沖的寬度等于三角波小于正弦波部分所對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔。從圖5可見：這時(shí)在電壓比較器的輸出端將得到一串脈沖方波序列，其特點(diǎn)是對(duì)應(yīng)于正弦波正半周幅值較低的部位，脈沖方波的寬度較窄，而對(duì)應(yīng)于正弦波正半周幅值較高的部位，脈沖方波的寬度較寬。對(duì)應(yīng)于正弦波的負(fù)半周，則輸出脈沖方波的幅值為0.

由于這種調(diào)制電路輸出的SPWM波信號(hào)中只包含了正弦信號(hào)正半周或負(fù)半周的信息，所以稱為單極性調(diào)制。

在工頻機(jī)中通常采用全橋式功放電路，需要4路不同的SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，因此必須采用單極性調(diào)制方式。所以在工頻機(jī)中，需要提供一路正弦波信號(hào)，一路正向三角波、一路反向三角波。其中正弦波信號(hào)的對(duì)稱軸不能在0軸（X軸）上，而是要抬高到電源電壓的二分之一處，圖中標(biāo)記為Vz，這樣才能保證三角波只與正弦波的正半周或只與負(fù)半周相調(diào)制。于是，用正向三角波和正弦波信號(hào)組合，可以得到兩路SPWM信號(hào)，而用反向三角波和正弦波信號(hào)組合，可以得到另外兩路不同的SPWM信號(hào)，一共可得到4路不同的SPWM信號(hào)。參見圖6所示。

圖6中正弦波與正、反向三角波組合排列的位置與全橋功放電路中功放管的排列位置相對(duì)應(yīng)，它們輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)能使功率管按照對(duì)角線的規(guī)律導(dǎo)通和截止。

在正弦波正半周期間，a組中正弦波總是高于反向三角波的幅度，加至單電源比較起的反相端以后，比較器a始終輸出低電平，使左上臂功放管始終截止；此時(shí)雖然d組中的比較器d可以輸出SPWM信號(hào)，但左上臂與右下臂對(duì)角線上的兩組功放管卻不能導(dǎo)通。此時(shí)b組中正弦波總是高于反向三角波的幅度，所以比較器b始終輸出高電平，使左下臂功放管始終飽和導(dǎo)通；而此時(shí)c組中的比較器c卻可以輸出SPWM信號(hào)，所以右上臂與左下臂對(duì)角線上的功放管就能根據(jù)SPWM信號(hào)導(dǎo)通或截止。在正弦波信號(hào)正半周期間，左上臂功放管始終截止，所以全橋功放電路左側(cè)上、下臂的功放管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通；而右側(cè)上、下功放管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的極性剛好相反，因此右側(cè)上、下臂的功放管也不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通。

在正弦波負(fù)半周期間，c組中正弦波總是低于正向三角波的幅度，加至單電源比較起的反相端以后，比較器c始終輸出低電平，使右上臂功放管始終截止，此時(shí)雖然b組中的比較器b可以輸出SPWM信號(hào)，但右上臂與左下臂對(duì)角線上的兩組功放管卻不能導(dǎo)通。此時(shí)d組中正弦波總是低于正向三角波的幅度，所以比較器d始終輸出高電平，使右下臂功放管始終飽和導(dǎo)通；而此時(shí)a組中的比較器a卻可以輸出SPWM信號(hào)，所以左上臂與右下臂對(duì)角線上的功放管就能根據(jù)SPWM信號(hào)導(dǎo)通或截止。在正弦波信號(hào)負(fù)半周期間，右上臂功放管始終截止，所以全橋功放電路右側(cè)上、下臂的功放管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通；而左側(cè)上、下功放管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的極性剛好相反，因此左側(cè)上、下臂的功放管也不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通。

因此，上述組合正好符合全橋功放電路的要求。

需要說明的是，所謂正、反向三角波只是相對(duì)概念，它們相互平等，無主次之分，這樣的名稱只是便于說明問題。