低压大电流开关电源设计_开关电源.docx

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1、 摘要摘要随着科技的不断发展，计算机、电力电子以及自动控制技术都得到了突飞猛进的发展，电力电子学是固体电子学在电力控制和转换中的应用。最早的大功率电子设备是汞弧阀。在现代系统中，转换是通过二极管、晶闸管和功率MOSFET和IGBT等功率晶体管等半导体开关器件来完成的。本设计的题目是低压大电流开关电源-我假定的实例是用单相工频交流电源经过若干个电能变换环节转变成低压直流电源对蓄电池（220V直流，充电电流10A）充电所用的开关电源。其中的单元包括：1.工频整流电路单元，将工频交流电流变换为直流电流。2，带隔离的直流直流变流单元，此单元包括高频逆变电路单元，将直流电流变为高频交流电流。然后用变压器

2、实现电气隔离并升压，从而将低压高频交流电流变换为电压稍高的高频电流。最后采用高频整流单元将高频电流变换为脉动的直流电流。3，滤波器单元因为脉动直流电流不理想，为了提高直流电流的质量，故设置电容器进行滤波，将脉动直流电流中的交流成分滤掉，使纹波系数小于规定值。经过上述各个单元，取得了合格的直流电流就可以对负载即蓄电池充电，本设计就是按照上述电能转换过程采用的各个单元的电路逐步展开的。对每个单元的电路种类经过分析、比较后选出最佳的电路图，然后再选出适合该单元电路的控制方式，最后综合归纳选择出单相移相式全桥电路图，并对各电路中主要的电力电子器件进行了选择。关键词开关电源，工频整流，DC-DC电路,

3、滤波器 【Abstract】Abstract: with the continuous development of science and technology, computer, power electronics and automatic control technology have been developed by leaps and bounds. Power electronics is the application of solid state electronics in power control and conversion. The first high-pow

4、er electronic device was the mercury arc valve. In modern systems, the conversion is accomplished by diodes, thyristors, and semiconductor switching devices such as power transistors such as power MOSFET and IGBT.The topic of this design is the low-voltage high-current switching power supply - the e

5、xample I assumed is the single-phase power-frequency ac power supply through a number of electrical energy conversion links into a low-voltage dc power supply for the battery (220V dc, charging current 10A) charging the switching power supply. The unit includes: 1. Power frequency rectifier circuit

6、unit, which converts power frequency ac current into dc current. 2. Dc - dc converter unit with isolation. This unit includes a high-frequency inverter circuit unit to convert dc current into high-frequency ac current. Then the transformer is used to achieve electrical isolation and voltage boost, s

7、o as to transform the low-voltage high-frequency ac current into the high-frequency current with slightly higher voltage. Finally, a high frequency rectifier unit is used to convert the high frequency current into pulsating dc current. 3. Due to the unsatisfactory pulsating dc current in the filter

8、unit, in order to improve the quality of the dc current, a capacitor is set for filtering to filter out the ac component in the pulsating dc current, so that the ripple coefficient is less than the specified value.After each of the above units, the qualified dc current can be obtained on the load th

9、at is, the battery charge, the design is in accordance with the above energy conversion process adopted by each unit of the circuit is gradually expanded. After the analysis and comparison of the circuit types of each unit, the best circuit diagram is selected, and then the control mode suitable for

10、 the unit circuit is selected.【Key word】: switching power supply, power frequency rectification, dc-dc, filter摘要21.绪论61.1低压大电流开关电源的定义61.2低压大电流开关电源的种类71.3低压大电流开关电源的用途71.4低压大电流开关电源的结构71.5低压大电流开关电源的发展及现状82.低压大电流开关电源的整流电路和带隔离的DC-DC变流电路82.1整流电路的作用和分类82.2单相桥式全控整流电路92.3单相桥式全控整流电路接反电动势电阻负载时的电路及波形122.3开关电源的核

11、心部分122.4带隔离的直流直流变流电路132.5半桥电路132.6全桥电路152.7全波整流和全桥整流172.8全波整流电路和全桥整流电路的比较183.低压大电流开关电源的控制方式203.1低压大电流开关电源的典型控制系统203.2控制方式的分类214.高频逆变电路224.1逆变电路的种类和用途224.2逆变电路的工作原理224.3换流方式的分类224.4电压型逆变电路234.5单相电压型逆变电路235.PWM控制技术255.1 PWM控制技术的发展255.2 PWM控制的基本原理255.3 PWM的控制方法及其比较265.3.1单极性正弦脉宽调制275.3.2 双极性正弦脉宽调制285.3

12、.3单极性调制和双极性调制的比较295.4功率开关器件的开关频率305.4.1最小间歇时间与调制度315.4.2同步调制与异步调制327. 移相全桥型零电压开关PWM电路36总 结38致谢39参考文献401.绪论1.1低压大电流开关电源的定义采用交流单相220V电源输入，经整流电路将交流转换为直流，用电容器对该直流滤波后得到波纹细数较小的直流，然后经高频逆变器件逆变后得到高频交流电压，然后再由高频变压器降压后得到低压高频交流电压，再经整流滤波电路得到低压直流。上述这种采用高频开关方式（过程）进行电能变换的电源称为开关电源。1.2低压大电流开关电源的种类 开关电源起到电能变换的作用，有两种不同的

13、方法可以实现这一变换，其一，先用工频变压器降压，然后经整流滤波后，由线性调压得到稳定的直流输出电压，此种方法获得的电源称为线性电源。其二，即是1.1中所述的开关电源。这两种方法获得的电源比较，开关电源有效率高，体积小，重量轻等优点，明显优于线性电源。因此，线性电源基本上已经被开关电源所取代，成为电子设备的主要供电形式。 图 1.1线性电源的基本电路结构1.3低压大电流开关电源的用途 开关电源广泛用于各种电力电子设备、仪器、电子家电、移动设备等，这种电源的功率通常较小。开关电源在工业上还应用于数控机床、巨型计算机、通信交换机等大型设备的电源，这种电源的功率较大。 开关电源的供电对象大多数都是电子

14、电路。输出电压一般较低，多为3.3V-12V，功率较小。在应用于蓄电池充电、电镀、电解等电化学过程的地方电压较低，但功率较大可高达几十到几百千瓦。在应用于雷达、微波发射机等设备中 使用的是高压、小电流输出的开关电源。1.4低压大电流开关电源的结构 图1.3开关电源的能量变换过程逻辑方框图上图整流电路中输入侧为交流工频单相220V电源，整流电路采用单相桥式全波整流电路，直流侧采用大电容滤波，这种电路结构简单，工作稳定，价格低，效率高，但缺点为谐波含量大，功率因数低。高频逆变单元的核心部分是高频逆变变压器高频整流电路，我们采用隔离型直流直流变流电路。该开关电源采用软开关技术。变压器采用中间抽头的型

15、式，高频整流单元输出侧接电抗器限制脉动直流以起到稳压的作用。滤波器单元采用大电容滤波起到降低纹波系数，提高输出直流的质量。、1.5低压大电流开关电源的发展及现状 高频开关电源自20世纪70年代突破20kHz以来，随着技术的进步，其产品的频率一路飙升到500kHz1MHz。世界上很多国家都在致力于MHz级的高频开关电源的研究。我国在这方面的研究较为滞后，但是已经取得了一定的成果。 通过对高频开关电源原理的分析和实际应用证明，电源使用的电容、电感、变压器的体积和质量与电源工作频率的平方根成反比。依据这个原理，高频开关电源的频率提高必然促成了体积的减小。电源小型化能使产品轻便、节省材料消耗和降低成本

16、，具有很重要的经济价值。 由于软开关技术在理论上可以将开关损耗降低为零，因此该技术始终是研究的热点。其电路可分为:准谐振电路、零开关PWM电路和零转换PWM电路。目前发展应用成熟的技术包括:有源钳位ZVS软开关技术和全桥移相ZVS软开关技术，效率可达90%以上 。同步整流技术通过使用导通电阻极低(不大于3m)的MOSFET，替代传统的二极管作为逆变后的整流器件，通过控制器产生与整流电压相位同步的栅极驱动信号控制同步整流器正常工作，这种方法可以极大降低整流损耗，主要应用于低压大电流功率变换器中。基于电子设计自动化(EDA)技术、单片机技术和数字信号处理器(DSP)技术等数字技术开发的数字电源通过

17、软件和硬件设计，可以替代模拟电路，实现PWM反馈回路的数字控制。DSP可通过内置PID算法生成数字PWM波形控制主功率变换器;配合A/D转换和CPLD等芯片检测系统电流、电压和温度参数，经内部处理调整PWM信号输出，实现调节电源输出和各种保护功能，还可以对同步整流电路进行精确的同步控制。2.低压大电流开关电源的整流电路和带隔离的DC-DC变流电路2.1整流电路的作用和分类 作用：是将交流电能变换为直流电能，然后输入给高频逆变单元。 整流电路的主要分类方法有按组成的器件分（不可控、半控、全控）、按电路的结构分（桥式电路和零式电路）、按交流输入的相数分（单相、三相）。在这里采用单相桥式全控整流电路

18、。 分类：典型的单相可控整流电路包括单相半波可控整流电路、单相整流电路、单相全波可控整流电路和单相桥式半控整流电路。2.2单相桥式全控整流电路2.2.1负载的性质 按整流电路负载的性质分为三种情况，第一种是带电阻负载的工作情况，第二种是带阻感负载的工作情况，第三种是带反电动势负载的工作情况。 第一种情况：在单相桥式全控整流电路中，采用四只晶闸管，VT1、VT4与VT2、VT3分别构成一对桥臂。交流电压在正半周时利用触发延迟角a导通VT1和VT4，在负半周时导通VT2和VT3。如此循环的工作下去。整流后的电压Ud和晶闸管VT1和VT4两端的电压、负载电流波形见图。晶闸管所承受的最大正向电压和反向

19、电压分别为和(U2为负载电压)。 图2.1单相桥式全控整流带电阻负载时的电路及波形第二种情况：交流电压在正半周时触发角a处，给晶闸管VT1和VT4加触发脉冲使其开通，ud=u2。但因负载中有电感存在，使负载电流不能突变，电感对电流起平波作用。U2过零变为负值时，由于电感的作用VT1和VT4始终流过电流id,不关断。到t等于+a时，给VT2和VT3加触发脉冲，此时VT2和VT3已承受正向电压，所以两管导通。之后u2通过VT2和VT3分别向VT1和VT4施加反向电压，使VT1和VT4关断，原来流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3中，这个过程称为换流。直到下一个周期重复这个过程，循环往复

20、。负载上的电压Ud=0.9U2cosa。晶闸管承受的最大反向电压均为。晶闸管导通的平均电流为Ivt=0.707Id。（Id为负载电流。）变压器二次侧电流有效值I2=Id。 图2.2单相桥式全控整流带阻感负载时的电路及波形 第三种情况：当负载为蓄电池时，负载可以看成是一个直流电压源，对于整流电路，它们就是反电动势负载电阻负载。该情况下忽略主电路各个部分电感时，只有在u2瞬时值的绝对值大于反电动势E时，晶闸管承受正电压才有导通的可能。Ud=U2，Id=ud-E/R。当ud-E=0使晶闸管关断，此后ud=E。与情况一比较，晶闸管提前了电角度b关断。在a角相同时，整流输出电压比电阻负载时大。负载电流i

21、d在一个周期内有一部分时间为0（称为电流断续）。还有大部分时间不为0（称为电流连续），为了保证晶闸管可靠的导通，要求触发脉冲有足够的宽度，也就是使t=b时刻，晶闸管开始承受正电压时，要求触发脉冲仍然存在。相当于触发角a被推迟为b。 2.3单相桥式全控整流电路接反电动势电阻负载时的电路及波形 上述三种工作情况比较后，本设计选择带反电动势负载时的工作情况，负载为蓄电池。2.3开关电源的核心部分 高频逆变变压器高频整流电路是开关电源的核心部分。DC-DC变流电路的功能是将直流电变为另一个固定的电压或可调电压的直流电。它分为直接直流变流电路(斩波电路）和间接直流变流电路两种。斩波电路输入与输出之间不隔

22、离。间接直流变流电路是在直流变流电路中增加了交流环节，即采用变压器实现输入输出间的电气隔离，因此称为带隔离的直流直流变流电路或直-交-直电路。本设计采用带隔离的直流直流变流电路。2.4带隔离的直流直流变流电路 图2.4带隔离的直流直流变流电路的结构2.4.1采用带隔离的直流直流变流电路的理由使用直流直流变流电路的结构是因为有很多优点：1） 变压器将输出端与输入端实现了电气隔离，安全系数高2） 能实现相互需要相互隔离的多路输出3） 输出电压与输入电压的比值灵活，可以远小与1或大于14） 交流环节采用较高的工作频率，可以减小变压器和滤波电感、滤波电容的体积和重量，当频率大于20KHz时可以避免人耳

23、所受的噪音 因为工作频率高的，逆变电路一般可以采用GTR、MOSFET、IGBT等全控型器件。整流电路中通常采用快恢复二极管或者通态压降低的肖特基二极管。在分为单端与双端的带隔离的直流直流变流电路中，本设计选用双端电路。双端电路中分为半桥、全桥和推挽电路，变压器中的电流为正负对称的交流电流。单端电路中变压器流过的是直流脉动电流。单端电路分为正激电路和反激电路两种型式。2.5半桥电路 图2.5半桥电路的原理图 图2.6 半桥电路的波形图 电路图中借助于电容器C1，C2和开关器件S1，SQ2组成一个桥型电路，桥的对角线分别接电源和变压器原边绕组。令C1=C2，那么电容器C1，C2的中点电压为电源电

24、压的2分之1.靠S1，S2的交替导通，变压器一次侧就获得了2分之1的电源电压。所以称之为半桥电路。 为了避免S1，S2开关器件在换流的过程中发生短暂的同时导通现象，而造成器件的短路，从而造成电路损坏。所以S1，S2.每个开关的占空比不能超过百分之50，并应留有裕量。2.6全桥电路 图2.7全桥电路的原理图 图2.8全桥电路的波形图全桥逆变电路由四个开关器件组成，互为对角线的两个开关S1，S4或S2.S3同时导通，同一侧半桥的两个开关S1,S3或S2，S4交替导通，可以将直流电压U1逆变成幅值为U1的交流电压，加在变压侧的原边。靠改变上述开关器件的占空比，就可以改变整流电压Ud的平均值，也就改变

25、了输出电压U0.为了避免同一侧半桥中上下开关器件在换流的过程中发生短暂的同时导通现象，而造成器件的短路从而造成短路损坏，所以S1，S2.每个开关的占空比不能超过百分之50，并应留有裕量。 半桥、全桥电路优缺点比较表 2.7全波整流和全桥整流 图2.9全波整流电路图 图2.10全桥整流电路图 2.8全波整流电路和全桥整流电路的比较1. 交流输入比较:全波要求是对称的双交流输入，全桥式只用一组交流。所以全波的交流电源波比全桥复杂。由此成本不同。2. 二极管反向电压比较：因为全波是双交流，所以每只二极管承受两倍反压电压，全桥式的二极管只要承受一个反向电压。3. 二极管比较：全波用量是桥式的一半。4.

26、 内阻比较：全波的电流只通过一只二极管，而全桥式要通过两只管，所以全波的小，桥式的大。5. 输出电压的比较：也因为上述的原因，全波比桥式输出的电压高，虽然二极管压降很小，但在对极低的交流整流时，还是可观的。6. 全桥和全波电路在工作中，各个二极管所流过的电流的平均值是电感L电流平均值的二分之一。 经过对比，一般在输出电压较低的条件下（100V)，宜采用全波整流电路较为合适。而在高压输出的条件下（100V),宜采用全桥整流电路，本设计即采用全桥整流电路。 直流输出侧一般采用大电容器滤波，使得提高直流电压的质量。 图.2.11单相全波可控整流电路及波形3.低压大电流开关电源的控制方式3.1低压大电

27、流开关电源的典型控制系统图4.1开关电源的控制系统典型图 在该控制系统中，用开关电源的输出电压与输入电压相比较，得到了误差信号，根据此信号可以判断出输出电压偏离参考电压的方向和程度，然后控制器根据此误差来调整它的控制量，误差为正或负就表明输出电压低于或高于参考电压，控制器从而提高或降低输出电压，使的输出电压回到参考值。这样的控制方式称为电压反馈控制方式。相对误差很小。3.2控制方式的分类 图3.2电流模式控制系统框图 开关电源的控制方式分为两种，第一种是电压模式控制，这种模式仅有一个输出电压反馈控制环，因此这种控制方式称为电压模式控制方式。电压模式控制是出现最早的控制方式，它的优点是结构简单，

28、但是它不能很好的控制电路中的电流。所以，在电路短路或过载时，它不能停止开关工作起到保护电路的作用。 第二种是电流模式控制，电流模式控制系统实际上是电压反馈环内增加了电流反馈控制环，电压控制器的输出信号作为电流环的参考信号，只要供给这个信号设置限幅，就可以限制电路中的最大电流，从而达到短路或过载保护的目的，还可以实现恒流控制。 综合比较后，本设计采用电压模式控制方式。4.高频逆变电路4.1逆变电路的种类和用途 整流是交流电转换为直流电，逆变与之相反是将直流电转换为交流电的过程，根据交流侧有无电源可以分为有源逆变即交流侧接在电网上的情况。当交流侧直接与负载连接时因为无电源，故称为无源逆变，本设计选

29、择有源逆变。逆变电路与变频的概念经常联系在一起，因此变频电路分为两种形式，交交变频电路和交直交变频电路。后者由交直变换电路和直交变换电路两部分组成，前一部分用于整流电路，后一部分用于逆变电路。逆变电路的用途非常广泛，在各种电源中，如蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源，都需要将直流电源转变为交流电源，向负载供电，这就要用到逆变电路。另外，在调速用的变频器、不间断电源、感应加热电源等地方都广泛的应用逆变电路。逆变电路中换流方式具有重要的地位。逆变电路按直流电源的性质分类，可以分为电压型和电流型。按相数分类，分为单相和多相。本设计选择单相电压型逆变电路。 4.2逆变电路的工作原理 图4.1逆变

30、电路及其波形图中是单相桥式逆变电路，以此为例它的工作原理如上图，桥式电路中的四个臂S1-S4由电子器件及其辅助电路组成，开关S1、S4闭合，开关S2、S3断开时，负载上的电压为正，反之负载上的电压为负，这样如此循环往复，就把直流电变成交流电，借助于改变两组开关的切换频率，即可改变输出的交流电的频率，这就是逆变电路最基本的工作原理。4.3换流方式的分类 换流方式在逆变电路中有着重要地位，换流方式有四种，第一种是器件换流，利用全控型器件的自关断能力来进行换流，称为器件换流。常用的全控器件有IGBT、电力MOSFET、GTO、GTR等。本设计选择器件换流方式，元件选用IGBT。 第二种是电网换流，电

31、网换流需要借助于电网电压实现换流，在换流时，需要把负的电网电压施加在要关断的晶闸管上，即可使其关断，从而实现换流。第三种是负载换流，由负载提供换流电压的换流方式称为负载换流，只有负载电流的相位超前于负载电压的场合（即负载为电容型负载)，才可以实现负载换流.第四种是强迫换流，强迫换流要求设置附加的换流电路，给需要关断的晶闸管强迫施加反向电压或反向电流的换流方式，称为强迫换流，也叫做电容换流。给晶闸管加反向电压而使其关断的换流叫电压换流。通过反并联二极管使晶闸管加上反向电压的换流叫电流换流。4.4电压型逆变电路 根据直流侧电源性质的不同，逆变电路可以分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路，直

32、流侧是电流源的称为电流型逆变电路。 图4.2电压型全桥逆变电路电压型逆变电路的特点有：1. 直流恻为电压源或并联有大电容器。直流侧电压基本无脉动，其直流回路呈现为低阻抗。2. 因为直流电压源的钳位作用，交流侧输出电压波形为矩形波，并且与负载阻抗角无关。交流侧输出电流波形和相位因负载阻抗情况的不同而异。3. 当交流侧为阻感负载时，需要提供无功功率，直流侧的电容可以提供无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道，因此逆变桥各个臂都并联了反馈二级管。根据对比，本设计选择电压型全桥逆变电路。4.5单相电压型逆变电路 单相电压型逆变电路第一个分为半桥逆变电路。半桥逆变电路原理图中有两个桥

33、臂，每个桥臂有一个可控器件和一个反并联二极管组成。在直流侧有两个相互串联的足够大的电容器。两个电容的连接点就是直流电源的终点，负载就接在这个终点和两个桥臂连接点之间。输出电压为矩形波，其幅值为Um等于二分之一Ud . 图4.3单相电压型全桥逆变电路的移相调压方式 第二个是全桥逆变电路，电压型全桥逆变电路有四个桥臂，可以看成由两个半桥电路组合构成，桥臂1和4算一对，桥臂2和3算另一对。桥臂1和4或2和3同时导通，两对桥臂交替各导通180度，其输出电压u0的波形和半桥电路的波形u0形状相同，也是矩形波，但是其幅值高出一倍um=ud。其输出电流的波形和半桥电路的波形形状相同。在直流电压和负载相同的情

34、况下，其输出电流的幅值增加一倍，在这种情况下，要改变输出侧交流电压的有效值，只能通过改变输入侧直流电压ud来实现。 如果为阻感负载，还可以采用移相的方式调节逆变电路的输出电压，这种方式称为移相调压。移相调压的实质就是调节输出电压脉冲的宽度，在单相全桥逆变电路中各个IGBT的三级信号仍为180度正偏，180度反偏。输出电压u0的正负脉冲宽度各位，改变就可以调节输出电压。第三个是带中心抽头变压器的逆变电路，该逆变电路中靠交替驱动两个IGBT。通过变压器的耦合给负载加上矩形波交流电压。在输入电压和负载参数相同，且变压器一次侧两个绕组和二次侧绕组的匝数比为1:1:1的情况下，该电路的输出电压和输出电流

35、的波形和幅值与全桥逆变电路完全相同。该电路比全桥逆变电路少用了一半开关器件，但器件承受的电压别全桥电路高一倍，且必须变压器。经过比较，本设计选择采用单相电压型全桥逆变电路。5.PWM控制技术5.1 PWM控制技术的发展PWM是Pulse Width Modulation的简称，也就是对脉冲的宽度进行调制的技术。通过对很多的脉冲宽度进行调制，来得到需要波形的形状和幅值。PWM控制技术主要应用在逆变电路中，近年来PWM控制技术在整流电路中也开始应用，也有很大的优越性。在现代技术中，绝大多数逆变电路都是采用PWM控制技术，对于逆变电路的影响最为深刻，从而确定了PWM控制技术在电力电子技术中的重要地位

36、，实际上逆变电路离开了PWM控制技术就是不完整的，两者相结合才更为完善。5.2 PWM控制的基本原理脉冲宽度调制控制的方式即控制组成逆变电路的开关器件的打开和关闭的顺序，从而能够输出宽度上不相同但是幅值大小相等的脉冲波。依据相应的规则仅需要对输出脉冲的宽度大小进行调整就能实现改变逆变器输出电压的大小的功能，而且也能对逆变器输出的电压的频率进行调整。PWM控制技术也被称作脉冲宽度调制技术，主要是借助于对不同的输出脉冲的宽度进行调节，从而获取要求的一定的幅值和形状的正弦波等效的波形。理论基础：如果窄脉冲的冲量完全相同但是两者的形状是不相同的，当将其在惯性环节加入时，两种脉冲产生的效果基本是等效的。

37、而冲量的大小是用窄脉冲的面积大小进行衡量的。这里所谓的效果相等就是指产生的响应波形是基本相符的。f (t)d (t)tO图5.1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲abcdtOtOtOf (t)f (t)f (t) 图中a、b、c的脉冲形状分别是矩形脉冲、三角形脉冲和正弦半波脉冲，虽然不同但他们的面积（即冲量）都等于1，这个原理就是面积等效原理，它就是PWM控制技术的理论基础。 图5.2冲量相同的各种窄脉冲的响应波形和PWM波代替正弦半波 PWM波形分为等幅PWM波和不等幅PWM波两种。等幅PWM波是直流电源产生的，不等幅PWM波是由交流电源产生的。这两种波类型都是符合面积等效原理来进行控制的，它们

38、的本质是相同的。 PWM波形能够与不同种类的波形等效，比如：直流波形能够与直流斩波电路输出的波形效果相同；脉冲宽度调制技术输出的波形和正弦波形产生的效果是相同的，而且脉宽调制技术和正弦脉宽调制技术的理论基础是相同的，同样都是以等效面积为基本的原理。借助于波的手段：将正弦半波进行等量划分，共分为N段，可以视为N个相互不一致；借助于冲取代，积（冲量）相同。因此就能够获取脉宽调制波形。根据以上的方式能够得到不同脉冲之间的幅度大小是完全相同的，但是宽化。针对正弦波的半个位于负轴上的周期，也能够借助于相同的方式获取脉宽调制波形。类似于该种脉冲的化而和脉宽调制波形，也被叫做SPWM波形。如果想要改的情况下

39、，只需要参照相同的比例系数对上面讲解的而不同脉冲的宽度进行调节就可以完成。5.3 PWM的控制方法及其比较 PWM逆变电路的控制方法有单极性正弦脉宽调制和双极性正弦脉宽调制两种。5.3.1单极性正弦脉宽调制 图5.3单相桥式PWM逆变电路和单极性PWM控制方式波形正弦波调制信号ur，uc在ur的的三，在ur的负半周波。在ur和uc的交IGBT的。在ur期内性变化，所得到形也只在方式称为式。单极值为的参考信号波与为，频率为的比较，产信号。其原理波形如图2.2所示。图2.2是用单相号与单交截，再开关驱动信号。参fr决fa，每P决定fc。即: P= (5-1) 用参Ur，与三Uc的比值，即调制度m

40、= Ur/Uc，来化。当调由01变化时，脉宽由0/p变化，输化。如为，则展开输出电压的傅里叶技术式子为: （5-2)系数An和Bn由为，起始角为的正脉冲起始角+来定。如果为j则有 (5-3a) (5-3b)由式(5-3a)、式(5-3b)可系数 (5-4a) (5-4b)图5.4 单极性正弦脉宽调制波形5.3.2 双极性正弦脉宽调制借助于双极性的方法，针对输出的ur的波形的半个周期的范围内，三角波载波不仅仅是一个极性的，而是存在两个极性，即在正半轴和负半轴上都存在，因此获取的脉宽调制的波形也是既存在于正半轴也存在于负半轴上。在整个ur波形的周期范围内，获取的脉宽调制的波形只存在Ud和-Ud两种

41、类型的电平，这一点与借助于单极性的控制方式获取的电平类型是不相同的。还是在载波信号uc与调制信号ur的波形的相交的位置对不同的开关管的打开和关闭进行控制。在调制信号的正半轴控制开关管的开闭的规律和负半轴是完全相同的。双极性SPWM输出的电压在区间02的范围之内的波形是关于中心对称的、而在0的范围之内是以轴为对称轴相互对阵的，将其以傅里叶级数进行展开后获得 (5-5) 上面的式子中，输出电压u0（t）能够视为幅值大小为E，频率大小为fo的方波和幅值大小为2E、频率大小为fc的负脉冲序列相互叠加的结果。所以 (5-6)那么输出的电压的表达式如下式 (5-7)其中的基波分量 的表达式如下式 (5-8

42、) 图5.5 双极性PWM控制方式波形5.3.3单极性调制和双极性调制的比较不管是双极性还是单极性调制的方式都是借助于将三角形载波与调制波两者之间图形上的比较，而且在两个图形发生相交的位置施加驱动信号。对调制波ur的幅值大小进行改变，相应的就会将三角形载波和调制正弦波两者相交的位置出现变化，就能够对矩形脉冲的宽度大小进行调节，从而对输出的电压的幅值和频率进行改变。让调制波的频率发生变化，同时交流电压的频率也会出现改变，所以想要对逆变器输出的交流电压的频率和幅值进行改变就可以借助于对调制波的幅值大小和频率进行改变来实现，可以将频率和幅值同时借助于逆变器进行调节，该种控制方式也被称为VVVF控制，

43、不用再对直流供电电源的电压进行控制，所以电压型PWM控制的直流电源通常选择的都是不控整流器。处于对正弦调制波和载波之间的关系进行反映，将两者的幅值的比例M定义为： 借助于对幅值比M进行改变就能完成对交流输出电压的调节，M也可以叫做调制度。将两者的频率比叫做载波比N，即： 在一个周期范围内构成输出的交流电压的矩形脉冲的数量起到决定性作用的就是载波比N。 单极性调制方式是指输出的交流电压的半个周期之内仅仅存在一个极性的脉冲，所以就能够通过逆变器输出比较高的电压值，同时基波 含量的幅值也会更高；而双极性调制方式则是在输出的交流电压的半个周期内同时存在正向的脉冲和负向的脉冲两种，所以其输出的交流电压的

44、幅值就会比较小，同时基波含量的幅值也会相应的比较小，但是在实际的项目应用中，相较于单极性调制方式，双极性调制方式具有更高的灵敏性，而且在实际应用中也会更加普遍，在该调制方式下，若选择足够大的载波比N，调制比M不会超过1，那么交流电压中的基波含量的幅值，输出交流电压中的基波分量的有效值的表达式为，而且借助于方波进行调制是是输出的交流电压中的瘠薄分量的有效值能够达到，其中表示直流电源电压。借助于脉宽调制方式时，能够将逆变器输出电压中(N-2)次以下的谐波完全消除，其中N代表的是载波比，所以除了输出电压中的基波分量之外，在输出电压中含有的谐波分量就只有(N-2)次。比如，当载波比的取值为15的情况下，输出电压的谐波的最小次为13次，最大次为15次，而且。若逆变器的输出的频率大小为50，载波频率的大小为2K，那么载波比的取值就为40，因此借助于该类型的逆变器就能够将输出电压中38次以下的谐波全部消除掉，而剩余的次数比较高的谐波则通过滤波器很容易