單相PWM逆變器研究

何鵬++班詩淇

摘要 隨著逆變器技術(shù)發(fā)展的成熟，在生活中逆變器的使用變得很普遍，如使用辦公設(shè)備（如：電腦、傳真機(jī)、打印機(jī)、掃描儀等）。逆變器是把直流電源轉(zhuǎn)變成交流電。和諧型電力機(jī)車上也利用了逆變器技術(shù)，如在機(jī)車牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)采用交一直一交傳動(dòng)形式。通過單相PWM逆變器的研究、分析、仿真，有利于進(jìn)一步應(yīng)用逆變器，并對(duì)其性能的研究。

關(guān)鍵詞 逆變器；和諧型電力機(jī)車；PWM

中圖分類號(hào) TM4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào)2095-6363（2015）10-0032-02

1 IGBT性能

IGBT在電力機(jī)車上的應(yīng)用就十分廣泛，和諧型電力機(jī)車主電路采用交一直一交傳動(dòng)形式，牽引設(shè)備主要包括各高壓電器、主變壓器、牽引變流器、牽引電機(jī)及相應(yīng)控制系統(tǒng)。牽引電路主要由網(wǎng)側(cè)電路、四象限整流電路、中間直流環(huán)節(jié)電路、逆變電路等相關(guān)電路組成。

四象限整流電路利用了IGBT功率模塊實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。

絕緣柵雙極晶體管（IGBT）本質(zhì)上是一個(gè)場效應(yīng)晶體管，只是在漏極和漏區(qū)之間多了一個(gè)P型層。IGBT有三個(gè)引出極：柵極G、集電極C和發(fā)射極E。

IGBT的驅(qū)動(dòng)原理與電力MOSFET基本相同，場控器件的通斷由柵極電壓UGE決定。

1） IGBT導(dǎo)通：UGE大于開啟電壓UGE （th）時(shí)，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供基極電壓，IGBT導(dǎo)通。

2） IGBT關(guān)斷：柵極間施加反向電壓或不加信號(hào)時(shí)，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān)斷。

2 單相逆變器電路結(jié)構(gòu)

逆變器是能夠?qū)⒅绷麟娫崔D(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娫吹淖儞Q電路。按照輸出電壓的相數(shù)可分為單相逆變器、三相逆變器和多相逆變器。單相逆變器電路結(jié)構(gòu)，如圖2所示。單相全橋逆變電路由直流電壓源Ud和兩個(gè)橋臂組成，每個(gè)橋臂包括兩個(gè)IGBT、兩個(gè)二極管器件。

工作原理：1）當(dāng)Sl、S3導(dǎo)通時(shí)，電源電壓從電源的正極出發(fā)，經(jīng)過Sl到L，再到R，再到S3，最終回到電源的負(fù)極，逆變電路輸出電壓u₀等于Ud。2）當(dāng)S2、S4導(dǎo)通時(shí)，電源電壓從電源的正極出發(fā)，經(jīng)過S2到R，再到L，再到S4，最終回到電源的負(fù)極，逆變電路輸出電壓u₀等于-Ud。因此逆變電路輸出電壓u₀為一個(gè)與驅(qū)動(dòng)信號(hào)同頻率、正負(fù)幅值均為Ud的的交變方波電壓。

3 單相PWM逆變器結(jié)的控制電路

控制電路分為電壓型控制電路、電流型控制電路。電壓型控制電路：制定值交流電與輸出交流電壓相減，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)再與輸出電流進(jìn)行相減，再進(jìn)PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后，輸入PWM控制器。PWM控制器輸出電壓控制IGBT的門極，控制IGBT的導(dǎo)通與關(guān)閉。

1）電流型控制電路如圖3所示。給定值Ul（交流電壓）與逆變器輸出的電流進(jìn)行相減，得到新的信號(hào)；新的信號(hào)經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后，再與三角波進(jìn)行比較，得到IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

2）電壓型控制電路如圖4所示。給定值Ul（交流電壓）與負(fù)載R兩端電壓進(jìn)行相減，得到一個(gè)新的信號(hào)；新的信號(hào)經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后，再與負(fù)載R的電流進(jìn)行相減，得到另一個(gè)新的信號(hào)；這個(gè)新信號(hào)經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后，再與負(fù)載R兩端電壓進(jìn)行相減，再經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后，去與三角波進(jìn)行比較，得到IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

4 仿真及小結(jié)

1）單相PWM逆變器電流型控制電路仿真電路，如圖3所示。電路中參數(shù)設(shè)定為直流電壓源Ud=lOOV，三角載波V3的峰峰值為2V，頻率為5100Hz；電感L=lF，電阻R=1200歐。仿真結(jié)果如表1所示。給定電壓的頻率為50Hz，仿真輸出電壓的頻率為50Hz。

2）單相PWM逆變器電壓型控制電路仿真電路，如圖4所示。電路中參數(shù)設(shè)定為直流電壓源Ud=lOOV，三角載波V3的峰峰值為2V，頻率為5100Hz；電感L=lF，電阻R=1200歐。仿真結(jié)果如表2所示。給定電壓的頻率為50Hz，仿真輸出電壓的頻率為50Hz。

通過對(duì)兩種控制方式的仿真結(jié)果進(jìn)行比較，逆變器的輸出電壓有效值及THD基本上相差不大，只不過電壓型控制電路的輸出電壓THD比電流型控制電路的范圍值要大一些。在今后對(duì)逆變器的研究中，如能夠?qū)δ孀兤鞑捎枚喾N控制方式兼容。在逆變器剛啟動(dòng)時(shí)，采用電流型控制電路，當(dāng)逆變器的輸出電壓達(dá)到某個(gè)值時(shí)，逆變器的控制電路自動(dòng)地切換到電壓型控制電路，或者是其他形式的控制方式。這樣可使用逆變器擁有多種性能，更好地控制逆變器的輸出電壓。