【文章內容簡介】 最多，其任一點水平寬度和高度成線性關系且左右對稱；與任一平緩變化的調制信號波相交，在交點控制器件通斷，就得寬度正比于信號波幅值的脈沖，符合 PWM 的要求。 調制信號波為正弦波時，得到的就是 SPWM 波；調制信號不是正弦波，而是其他所需波形時，也能得到等效的 PWM 波。 結合 IGBT 單相橋式電壓型逆變電路對調制法進行說明： 設負載為阻感負載，工作時 V1和 V2通斷互補， V3和 V4通斷也互補。 控制規(guī)律： 0u 正半周， 1V 通， 2V 斷， 3V 和 4V 交替通斷，負載電流比電壓滯后，在電壓 u 正半周，電流有一段為正，一段為負，負載電流為正區(qū)間， 1V 和 4V 導通時， 0u 等于 dU ， 4V 關斷時，負載電流通過 1V 和 3DV 續(xù)流， 0u =0，負載電流為負區(qū)間， 0i 為負，實際上從 1DV 和 4DV 流過，仍有 0u = dU ， 4V 斷， 3V 通后， 0i 從 3V 和 1DV 續(xù)流， 0u =0， 0u 總可得到 dU 和零兩種電平。 0u 負半周，讓 2V 保持通， 1V 保持斷， 3V 和 4V 交替通斷， 0u 可得 dU 和零兩種電平。 三相 PWM 逆變器設計 5 圖 24 單相橋式 PWM 逆變電路 PWM 逆變電路的諧波分析 使用載波對正弦信號波調制，產生了和載波有關的諧波分量。諧波頻率和幅值是衡量PWM 逆變電路性能的重要指標之一。 分析方法： 不同信號波周期的 PWM 波 不同，無法直接以信號波周期為基準分析，以載波周期為基礎，再利用貝塞爾函數推導出 PWM 波的傅里葉級數表達式，分析過程相當復雜，結論卻簡單而直觀。 三相的分析結果 三相橋式 PWM 逆變電路采用公用載波信號時不同調制度 a 時的三相橋式 PWM 逆變電路輸出線電壓的頻譜圖如圖 25。在輸出線電壓中，所包含的諧波角頻率為 rc ?? kn ? 式中， n=1， 3， 5， … 時， k=3(2m1)177。1， m=1， 2， … ； 6m +1， m =0， 1， … ； n =2， 4， 6， … 時， k = 6m 1， m =1， 2， … 。 和單相比較，共同點是都不含低次諧波，一個較顯著的區(qū)別是載波角頻率 ωc 整數倍的諧波被消去了，諧波中幅值較高的是 ωc177。2 ωr和 2ωc177。ωr。 三相 PWM 逆變器設計 6 圖 25 三相橋式 PWM 逆變電路輸出線電壓頻譜圖 當調制信號波不是正弦波時，諧波由兩部分組成 ：一部分是對信號波本身進行諧波分析所得的結果，另一部分是由于信號波對載波的調制而產生的諧波。三相 PWM 逆變器設計 7 第三 章 雙閉環(huán)系統(tǒng)的設計 電流內環(huán)采用比例積分調節(jié)器時的雙環(huán)控制技術 在逆變器雙環(huán)控制方案中，電壓外環(huán)采用 PID調節(jié)器，電流內環(huán)采用 PI調節(jié)器，下文簡稱雙環(huán) PIDPI控制方式。其中電流調節(jié)器 Gi的比例環(huán)節(jié)用來增加逆變器的阻尼系數，使整個系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并且保證有很強的魯棒性；電流調節(jié)器的積分環(huán)節(jié)用來減少電流環(huán)穩(wěn)態(tài)誤差；電壓外環(huán)采用 PID調節(jié)器，電壓調節(jié)器的作用是使得輸出電壓波形瞬時跟蹤給定值。這種電流內環(huán)電 壓外環(huán)雙環(huán)控制的動態(tài)響應速度十分快，并且靜態(tài)誤差很小。 以濾波電感電流為內環(huán)被控量的電感電流內環(huán)電壓外環(huán)控制并不具備很好的抑制負載擾動性能，因此可將電感電流內環(huán)改為電感電流瞬時反饋 控制和負載擾動前饋補償相結合的控制方式，從而得到如圖 示的逆變器電感電流內環(huán)電壓外環(huán) PIDPI控制系統(tǒng)框圖。 其中， 111 1 (1 )1 i dv kTG k p k ZZ ???? ? ? ?? 為電壓調節(jié)器， 22 11 ii kTG kp Z ????? 為電流調節(jié)器 。 圖 31 帶負載前饋電感電流內環(huán)電壓外環(huán)控制系統(tǒng)框圖 電壓電流調節(jié)器 控制參數的設計有兩種方法：一種是模擬化方法，即在模擬域下進行參數設計然后將其離散化，處理方法為：將其中的兩個極點配置為一對共軛極點，另外兩個極點設置在距離虛軸很遠的地方。假設該系統(tǒng)的期望閉環(huán)主導極點為21,2 1r r r rsj? ? ? ?? ? ? ?，閉環(huán)非主導極點為 3 rrsn???? ， n取 510。將連續(xù)系統(tǒng)中的極點離散化，得到數字控制系統(tǒng)中所需要的極點。另一種是直接數字法。模擬化控制器設計方法只是一種近似處理，而且也不能實現只有數字控制特有的控制策略。直接數字法在 保持系統(tǒng)穩(wěn)定的同時可得到更寬的控制帶寬，這個優(yōu)點在多環(huán)系統(tǒng)或采樣周期比較大時變得更為顯著，所以數字控制器最好采取直接數字化方法設計。 實驗結果 Gv Gi 1 / L 1 / Sr / L1 / S1 / C ru 1u1ioiou三相 PWM 逆變器設計 8 穩(wěn)態(tài)試驗波形 圖 34 雙環(huán) PIDPI 控制逆變器帶滿載（ 50A） 輸出電流電壓波形（ 100V/div， 10ms/div） 動態(tài)試驗波形 為了考察該逆變器的動態(tài)性能，對逆變器進行突加線性負載實驗，實驗波形如 圖 35所示。 圖 34 為 逆變器雙環(huán) PIDPI 控制系統(tǒng)突加 26A 負載時的 響應波形。 可以看出，突加26A 阻性負載時，電壓跌落到 284V,瞬間電壓跌落與電壓峰值的比為 %，恢復時間為，動態(tài)性能較好。 可見該系統(tǒng)具有瞬態(tài)跌落小和恢復時間快的特點。 圖 32 雙環(huán) PIDPI 控制逆變器空載輸出電壓波形 （ 100V/div， 10ms/div） 圖 33 雙環(huán) PIDPI 控制逆變器帶 30A 阻性負載 輸出電流電壓波形（ 100V/div， 10ms/div） 三相 PWM 逆變器設計 9 圖 雙環(huán) PIDPI 控制逆變器突加 25A 負載響應波形 （ 100V/div， 10ms/div） 結論 實驗結果表明，基于狀態(tài)觀測器的雙環(huán)控制方法能輸出高質量的正弦波，對整流性負載具有較好的抑制能力；動態(tài)調節(jié)速度較快，系統(tǒng)擁有較好的動態(tài)性能，控制器的設計簡單易行，是較為理想的控制方法；能有效補償各種誤差影響。各種負 載時輸出電壓穩(wěn)態(tài)誤差不超過 %，突加阻性半載時電壓變化率為 %，即使帶非線性負載輸出電壓也能保持較好的正弦度。 三相 PWM 逆變器設計 10 第四 章 由 IGBT 構成的驅動電路設計 門極驅動 IGBT 簡介及分析 IGBT 簡介 絕緣門極雙極型晶體管（ IGBT）本質上是一個場效應晶體管，只是在漏極和漏區(qū)之間多了一個 P 型層。根據國際電工委員會的文件建議，其各部分名稱基本沿用場效應晶體管的相應命名。 IGBT 的結構剖面圖如圖 41 所示。它在結構上類似于 MOSFET ，其不同點在于 IGBT 是在 N 溝道功率 MOSFET 的 N+基板（漏極）上增加了一個 P+ 基板（ IGBT 的集電極），形成 PN 結 j1 ，并由此引出漏極、柵極和源極則完全與MOSFET 相似。 圖 41 IGBT 結構剖面圖 由圖可以看出， IGBT 相當于一個由 MOSFET 驅動的厚基區(qū) GTR ， 圖中Rdr 是厚基區(qū) GTR 的擴展電阻。 IGBT 是以 GTR 為主導件、 MOSFET 為驅動件的復合結構。 三相 PWM 逆變器設計 11 IGBT 的動態(tài)特性分析 圖 41IGBT 的動態(tài)圖 與 MOSFET 的相似，因為開通過 程中 IGBT 在大部 分時間作為 MOSFET 運行uCE 的下降過程分為 tfv1 和 tfv2 兩段。 tfv1——IGBT 中 MOSFET 單獨工作的電壓下降過程； tfv2——MOSFET 和 PNP 晶體管同時工作的電壓下降過程 。 電流下降時間又可分為 tfi1 和 tfi2 兩段。 tfi1——IGBT 內部的 MOSFET 的關斷過程， iC 下降較快； tfi2——IGBT 內部的 PNP 晶體管的關斷過程， iC 下降較慢 IGBT 中雙極型 PNP 晶體管的存在，雖然帶來了電導調制效應的好處，但也引入了少子儲存現象，因而 IGBT 的開關速度低于電力 MOSFET。 IGBT 的特性和參數特點 IGBT 開關速度快，開關損耗小，開關損耗只有 GTR 的 1/10，與電力 MOSFET相當 ,無二次擊穿現象 。 在相同電壓和電流定額的情況下， IGBT 的安全工作區(qū)比 GTR 大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力。 IGBT 的通態(tài)壓降比 VDMOSFET 低，特別是在電流較大的區(qū)域； 與電力 MOSFET 和 GTR 相比， IGBT 的耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時可以保持開關頻率高 。 輸入阻抗高，輸入特性與 MOSFET 類似。 由 于三相橋式電壓型逆變電路中采用的 IJBT 管，它在使用的時候需要驅動電ttt10%90%10%90%UCEIC0O0UGEUG E MICMUC E Mtfv 1tfv 2to fftontfi 1tfi 2td (o ff)tftd (o n )trUC E (o n )UG E MUG E MICMICM三相 PWM 逆變器設計 12 路，才能使 IGBT 管子正常地開通和關斷。 IGBT 的驅動電路必須具備 2 個功能：一是實現控制電路與被驅動 IGBT 柵極的電隔離； 二是提供合適的柵極驅動脈沖。實現電隔離可采用脈沖變壓器、微分變壓器及光電耦合器。 根據設計要求，