正弦波UPS中逆變電路結構及SPWM方法探討

　　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電源電路的基礎上，對UPS電源中的逆變電路進行了探討。本文所涉及的電路，是這些廠家技術人員多年技術經(jīng)驗的結晶，并且經(jīng)歷過大量產(chǎn)品投放市場后的考驗，具有很好的參考價值。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)的習慣，將UPS電源分為工頻機和高頻機。本文中的工頻機和高頻機采用的都是正弦波逆變電路，輸出的都是正弦波電壓，并且都是在線式結構。文中只涉及正弦波逆變電路，以下簡稱逆變電路。

　　逆變電路的結構

　　逆變電路由正弦波SPWM調制電路和功放電路組成。

　　1工頻機所采用的逆變電路的結構圖

　　圖1所示為工頻機所采用的逆變電路的結構圖。由圖可見，工頻機逆變電路中右側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制電路提供4路相互獨立的SPWM驅動信號。在左側的正弦波調制電路中，用正弦波信號去調制三角波信號，得到4路獨立的SPWM信號，經(jīng)隔離驅動后送至功放電路。

　　在這種結構中，每一橋臂功率管的數(shù)量視輸出功率而定，當輸出功率較小時，功率管采用MOS器件，輸出功率大時，采用IGBT模塊。

　　2高頻機所采用的逆變電路的結構圖

　　圖2所示為高頻機所采用的逆變電路的結構圖。由圖可見，高頻機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制電路提供2路相互獨立的SPWM驅動信號。在左側的正弦波調制電路中，由電腦板直接提供2路SPWM波信號，經(jīng)隔離驅動后送至功放電路。

　　在這種結構中，每一橋臂功率管的數(shù)量也視輸出功率而定，當輸出功率較小時，功率管采用MOS器件，輸出功率較大時，也采用IGBT模塊。

　　正弦脈寬調制(SPWM)方法

　　SPWM信號實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(調制波)調制三角波(載波)的方法來實現(xiàn)脈寬調制的目的，又稱為三角波調制法，它是利用比較器來完成這一功能的。根據(jù)調制信號所包含的信息量，調制電路可以分為單極性調制和雙極性調制。

　　1 SPWM調制方法及特點

　　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，比較器將輸出一個負向脈沖，這個負向脈沖的寬度等于三角波大于正弦波部分所對應的時間間隔。而在三角波幅值小于正弦波的幅值時，比較器將輸出一個正向脈沖，這個正向脈沖的寬度等于三角波小于正弦波部分所對應的時間間隔。從圖3可見，這時在電壓比較器的輸出端將得到一連串脈沖方波序列，其特點是：對應于正弦波幅值較低的部位，脈沖方波的寬度較窄，而對應于正弦波幅值較高的部位，脈沖方波的寬度較寬。這就是正弦脈沖調制信號，即SPWM信號。

　　根據(jù)分析，這種三角波調制電路有以下特點：

　?、碑斎遣l率與正弦波頻率之比N>20以上時，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?shù)卣{節(jié)輸入到比較器的正弦波電壓的幅值大小，就可以調節(jié)脈沖寬度，從而調節(jié)了逆變器輸出的正弦波電壓的大小。這一特點也使得由三角波調制電路構成的逆變電路具有自動穩(wěn)壓的功能。

　?、伯斦也ǚ刃∮谌遣ǚ葧r，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，在采用三角波調制法的逆變電路中，輸出電壓的波形中實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。

　?、橙粼龃笳也ǖ姆龋拐也ǚ却笥谌遣ǚ葧r，逆變電路輸出的調制波中，將開始出現(xiàn)3、5、7…等低次諧波分量。這會導致逆變輸出正弦波電壓的失真度增大，嚴重時會使電路進入自動保護關機狀態(tài)。因此在調試時要主意正弦波的幅度不能超過三角波的幅度。

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

　　2雙極性SPWM調制

　　在雙極性調制電路中，需要一路正弦波信號和一路三角波信號，三角波信號的幅值必須略大于正弦波信號的峰-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，其特點是：在正弦波的正半周中，對應于正弦波幅值較低的部位，脈沖方波的寬度較窄，而對應于正弦波幅值較高的部位，脈沖方波的寬度較寬。而在正弦波的負半周中，對應于正弦波幅值較低的部位，脈沖方波的寬度較寬，而對應于正弦波幅值較高的部位，脈沖方波的寬度較窄。

　　由于這種調制電路輸出的SPWM波信號中既包含了正弦信號正半周的信息，又包含了負半周的信息，所以稱為雙極性調制。

　　由于高頻機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，因此在高頻機中，將由此得到的雙極性調制信號分為兩路，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。

　　圖4b所示為另一種調制電路。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。

　　3單極性SPWM調制

　　在單極性調制電路中，也需要一路正弦波信號和一路三角波信號，但三角波信號的幅值只須略大于正弦波信號正半周的幅值或負半周的幅值。并且與正弦波的正半周或負半周對齊。

　　如圖5單極性調制電路示意圖所示，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，比較器將輸出一個負向脈沖，這個正向脈沖的寬度等于三角波大于正弦波部分所對應的時間間隔。而在三角波幅值小于正弦波的幅值時，比較器將輸出一個正向脈沖，這個正向脈沖的寬度等于三角波小于正弦波部分所對應的時間間隔。從圖5可見：這時在電壓比較器的輸出端將得到一串脈沖方波序列，其特點是對應于正弦波正半周幅值較低的部位，脈沖方波的寬度較窄，而對應于正弦波正半周幅值較高的部位，脈沖方波的寬度較寬。對應于正弦波的負半周，則輸出脈沖方波的幅值為0.

　　由于這種調制電路輸出的SPWM波信號中只包含了正弦信號正半周或負半周的信息，所以稱為單極性調制。

　　在工頻機中通常采用全橋式功放電路，需要4路不同的SPWM驅動信號，因此必須采用單極性調制方式。所以在工頻機中，需要提供一路正弦波信號，一路正向三角波、一路反向三角波。其中正弦波信號的對稱軸不能在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半周相調制。于是，用正向三角波和正弦波信號組合，可以得到兩路SPWM信號，而用反向三角波和正弦波信號組合，可以得到另外兩路不同的SPWM信號，一共可得到4路不同的SPWM信號。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應，它們輸出的驅動信號能使功率管按照對角線的規(guī)律導通和截止。

　　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;此時雖然d組中的比較器d可以輸出SPWM信號，但左上臂與右下臂對角線上的兩組功放管卻不能導通。此時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通;而此時c組中的比較器c卻可以輸出SPWM信號，所以右上臂與左下臂對角線上的功放管就能根據(jù)SPWM信號導通或截止。在正弦波信號正半周期間，左上臂功放管始終截止，所以全橋功放電路左側上、下臂的功放管不會同時導通;而右側上、下功放管的驅動信號的極性剛好相反，因此右側上、下臂的功放管也不會同時導通。

　　在正弦波負半周期間，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，此時雖然b組中的比較器b可以輸出SPWM信號，但右上臂與左下臂對角線上的兩組功放管卻不能導通。此時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通;而此時a組中的比較器a卻可以輸出SPWM信號，所以左上臂與右下臂對角線上的功放管就能根據(jù)SPWM信號導通或截止。在正弦波信號負半周期間，右上臂功放管始終截止，所以全橋功放電路右側上、下臂的功放管不會同時導通;而左側上、下功放管的驅動信號的極性剛好相反，因此左側上、下臂的功放管也不會同時導通。

　　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。