单相PWM逆变器研究

何鹏++班诗淇

摘要 随着逆变器技术发展的成熟，在生活中逆变器的使用变得很普遍，如使用办公设备（如：电脑、传真机、打印机、扫描仪等）。逆变器是把直流电源转变成交流电。和谐型电力机车上也利用了逆变器技术，如在机车牵引电传动系统采用交一直一交传动形式。通过单相PWM逆变器的研究、分析、仿真，有利于进一步应用逆变器，并对其性能的研究。

关键词 逆变器；和谐型电力机车；PWM

中图分类号 TM4

文献标识码 A

文章编号2095-6363（2015）10-0032-02

1 IGBT性能

IGBT在电力机车上的应用就十分广泛，和谐型电力机车主电路采用交一直一交传动形式，牵引设备主要包括各高压电器、主变压器、牵引变流器、牵引电机及相应控制系统。牵引电路主要由网侧电路、四象限整流电路、中间直流环节电路、逆变电路等相关电路组成。

四象限整流电路利用了IGBT功率模块实现能量的双向流动。

绝缘栅双极晶体管（IGBT）本质上是一个场效应晶体管，只是在漏极和漏区之间多了一个P型层。IGBT有三个引出极：栅极G、集电极C和发射极E。

IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，场控器件的通断由栅极电压UGE决定。

1） IGBT导通：UGE大于开启电压UGE （th）时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电压，IGBT导通。

2） IGBT关断：栅极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。

2 单相逆变器电路结构

逆变器是能够将直流电源转变为交流电源的变换电路。按照输出电压的相数可分为单相逆变器、三相逆变器和多相逆变器。单相逆变器电路结构，如图2所示。单相全桥逆变电路由直流电压源Ud和两个桥臂组成，每个桥臂包括两个IGBT、两个二极管器件。

工作原理：1）当Sl、S3导通时，电源电压从电源的正极出发，经过Sl到L，再到R，再到S3，最终回到电源的负极，逆变电路输出电压u₀等于Ud。2）当S2、S4导通时，电源电压从电源的正极出发，经过S2到R，再到L，再到S4，最终回到电源的负极，逆变电路输出电压u₀等于-Ud。因此逆变电路输出电压u₀为一个与驱动信号同频率、正负幅值均为Ud的的交变方波电压。

3 单相PWM逆变器结的控制电路

控制电路分为电压型控制电路、电流型控制电路。电压型控制电路：制定值交流电与输出交流电压相减，经PI调节器调节再与输出电流进行相减，再进PI调节器调节后，输入PWM控制器。PWM控制器输出电压控制IGBT的门极，控制IGBT的导通与关闭。

1）电流型控制电路如图3所示。给定值Ul（交流电压）与逆变器输出的电流进行相减，得到新的信号；新的信号经过PI调节后，再与三角波进行比较，得到IGBT的驱动信号。

2）电压型控制电路如图4所示。给定值Ul（交流电压）与负载R两端电压进行相减，得到一个新的信号；新的信号经过PI调节后，再与负载R的电流进行相减，得到另一个新的信号；这个新信号经过PI调节后，再与负载R两端电压进行相减，再经过PI调节后，去与三角波进行比较，得到IGBT的驱动信号。

4 仿真及小结

1）单相PWM逆变器电流型控制电路仿真电路，如图3所示。电路中参数设定为直流电压源Ud=lOOV，三角载波V3的峰峰值为2V，频率为5100Hz；电感L=lF，电阻R=1200欧。仿真结果如表1所示。给定电压的频率为50Hz，仿真输出电压的频率为50Hz。

2）单相PWM逆变器电压型控制电路仿真电路，如图4所示。电路中参数设定为直流电压源Ud=lOOV，三角载波V3的峰峰值为2V，频率为5100Hz；电感L=lF，电阻R=1200欧。仿真结果如表2所示。给定电压的频率为50Hz，仿真输出电压的频率为50Hz。

通过对两种控制方式的仿真结果进行比较，逆变器的输出电压有效值及THD基本上相差不大，只不过电压型控制电路的输出电压THD比电流型控制电路的范围值要大一些。在今后对逆变器的研究中，如能够对逆变器采用多种控制方式兼容。在逆变器刚启动时，采用电流型控制电路，当逆变器的输出电压达到某个值时，逆变器的控制电路自动地切换到电压型控制电路，或者是其他形式的控制方式。这样可使用逆变器拥有多种性能，更好地控制逆变器的输出电压。