单极正弦脉冲宽度调制(SPWM)逆变器

摘要

本发明提供一种单极正弦脉冲宽度调制(SPWM)逆变器，包括单极SPWM调制电路(120)，用于产生SPWM驱动脉冲，以驱动功率变换电路(130)；功率变换电路(130)，用于在所述单极SPWM调制电路(120)的驱动下，将直流输入电源逆变成交流电输出；以及电阻分压采样电路(110)，用来采集所述功率变换电路(130)输出的交流电压。本发明利用电压采样电阻的Y型拓扑连接，消除了由采样电路造成的母线桥臂短路的隐患，从而在精确地对逆变器交流输出电压采样的同时，省去了常规采样电路所需的采样变压器、光耦或霍尔电压传感器等电器隔离元件，提高采样电压精度，降低成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种逆变器及其交流电压采样电路，更具体而言涉及一种用于单极SPWM调制逆变器的交流电压采样电路。

背景技术

目前，在现有的技术中，逆变器的交流输出电压采样电路，多用采样变压器或线性光耦或隔离放大器，等于将控制电路和输出隔离，以防止采样所带来的直通危险。但这样的代价是提高了采样电路的成本，而且会造成精度的误差。

文件1：“电压隔离采样装置”(CN200520135499.3，保定天威集团有限公司)披露了一种采用隔离变压器的采样电路。该采样电路由采样变压器隔离加信号调理电路组成，这类采样电路的电原理图如图1所示，它也是逆变电源采样最多采样电路之一，图中Q1、Q2、Q3、Q4与L3、C1组成逆变器的主电路输出正弦波电压，输出正弦波电压经采样变压器T1隔离降压，采样变压器的副边接整流桥D1，整流桥D1输出的馒头波经电阻R1、R2分压后得到采样电压。这种采样电路为目前业界所使用的主流结构，其具有精度高的优点，能适用于大多数应用场合，但体积大、成本高，而且由于存在整流桥在低压采样应用中有一定的局限性。

文献2：“一种对220V交流电压的采样电路”(CN03222949.6(华南理工大学)公开了一种光耦隔离型的采样电路，该采样电路由光耦、稳压管、电容组成，这类采样电路的电原理图如图2所示，同上，图中Q1、Q2、Q3、Q4与L3、C1组成逆变器的主电路输出正弦波电压，输出正弦波电压，输出正弦波电压经整流器D2整流，整流后的电压接至由R1、R2、R3、R4、C2、光耦V1，稳压管ZD1(TL431)组成信号调理电路，其中R3、C2为与ZD1组成PI调节器，R1、R2组成输出电压分压电路与ZD1的基准2.5V比较，输出电压升高，光耦源边电流增加，输出电压减小，光耦源边电流减小。这样光耦副边与输出电压大小成比例的电流经R5转变成采样电压，该采样电路由需高压整流桥，光耦、稳压管、电阻、电容等组成，这个电路仅能采样交流电压的幅值，而相位、谐波等信息均丢失，精度不高，而成本稍高。

文献3：“LEM闭环传感器在信号采样中的应用”(电子元器件应用，Vo1.9NO.10，2007年10月，广东工业大学)给出了利用霍尔元件采样的例子，采样电路由霍尔元件构成，这类采样电路的电原理图如图3所示，图中Q1、Q2、Q3、Q4与L3、C1组成逆变器的主电路输出正弦波电压，输出正弦波霍尔电压传感器隔离降压，霍尔电压传感器的副边接整流桥D1，整流桥D1输出的馒头波经电阻R1、R2分压后得到采样电压。相比上述两种采样电路，该电路精度最高，但霍尔传感器需外加辅助电源，结构复杂，同时成本也是最高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有交流电压采样电路结构复杂，难以进一步降低体积和重量，以及高成本、精度误差大等缺点，而提出一种适用于单极SPWM调制逆变器及其采样电路，该采样电路去除了常规采样电路的隔离环节，采用简单的电阻分压采样，并且具有精度高、成本低的优点。

本发明的目的是克服现有交流电压采样电路的高成本、精度误差大的缺点，本发明提出一种适用于单极SPWM调制逆变器的电压采样电路，该采样电路去除了常规采样电路的隔离环节，采用简单的电阻分压采样，并且具有精度高、成本低的优点。

有鉴于此，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种单极正弦脉冲宽度调制(SPWM)逆变器，包括：单极SPWM调制电路(120)，用于产生SPWM驱动脉冲，以驱动功率变换电路(130)；功率变换电路(130)，用于在所述单极SPWM调制电路(120)的驱动下，将直流输入电源逆变成交流电输出；以及电阻分压采样电路(110)，用来采集所述功率变换电路(130)输出的交流电压，通过电阻分压以输出与所述功率变换电路(130)的交流输出电压成一定比例的电压信号，供用户使用。

根据本发明的优选实施例，所述单极SPWM调制电路(120)产生的SPWM驱动脉冲驱动功率变换电路(130)输出的交流电是正弦交流输出。

根据本发明的优选实施例，所述单极SPWM调制电路(120)生成的SPWM驱动脉冲分别驱动第一逆变桥臂(Q1、Q3)和第二逆变桥臂(Q2、Q4)，所述SPWM驱动脉冲由第一逆变桥臂(Q1、Q3)和第二逆变桥臂(Q2、Q4)放大后，然后经滤波电路(L3，C1)滤波后产生正弦交流输出给所述电阻采样电路(110)。

根据本发明的优选实施例，所述电阻分压采样电路(110)为Y型电阻分压采样电路，由Y型连接的三个支路构成。

根据本发明的优选实施例，所述电阻分压采样电路(110)为一Y型电路结构，三个支路分别为高压支路1、2和低压支路3，所述高压支路1和高压之路2的一端分别与所述单极SPWM逆变器输出的正、负端相连，另一端接到一起与所述低压支路3的上端相连，此连接点构成三支路的Y型结点(samp)，所述低压支路3的下端和直流母线地相连。

根据本发明的优选实施例，电阻R5一端接直流母线地，另一端同时串接“电阻R2串R1”和“电阻R4串R3”两者的并联电阻，从而构成所述Y型电阻分压采样电路(110)。

根据本发明的优选实施例，所述电阻R1、R2串联构成高压支路1，R1接交流输出A端，R2经由Y型结点(SAMP)接电阻R5；电阻R3、R4串联构成高压支路2，R3接交流输出B端，R4经由Y型结点(SAMP)接电阻R5；R5单独构成低压之路，两端分别连接Y型结点(SAMP)和直流母线地。

根据本发明的优选实施例，其中电阻R₁＝R₂＝R₃＝R₄。

根据本发明的优选实施例，根据逆变器的输出电压值，电阻分压采样电路(110)的采样电压值、功耗和耐压，以及采样精度来选取电阻R5。

根据本发明的优选实施例，当SPWM驱动脉冲处于正半周期信号时，功率变换电路(130)交流输出正电压，经电阻支路R1串R2，与电阻R5并联“电阻R3串R4“的等效电阻形成回路，在R5上得到正半周期的交流电压信号(Vsamp)；当SPWM驱动脉冲处于负半周期信号时，功率变换电路(130)交流输出负电压，经电阻支路R3串R4，与电阻R5并联“电阻R1串R2”的等效电阻形成回路，在R5上得到负半周期的交流电压信号(Vsamp)；从而电阻R5就得到了整个周期的交流电压信号(Vsamp)。

采用上述技术方案，本发明利用电压采样电阻的Y型拓扑连接，消除了由采样电路造成的母线桥臂短路的隐患，故可以去除常规逆变器采样电路所必须的电气隔离元件。本发明可以精确的对逆变器交流输出电压采样的同时，消除了常规采样电路所需的采样变压器、光耦或霍尔电压传感器，使采样电压精度更高，成本更低。

虽然在下文中将结合一些示例性实施及使用方法来描述本发明，但本领域技术人员应当理解，并不旨在将本发明限制于这些实施例。反之，旨在覆盖包含在所附的权利要求书所定义的本发明的精神与范围内的所有替代品、修正及等效物。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1是常规技术中采用隔离电路的逆变器及其采样电路原理图；

图2a是采用变压器隔离的逆变器及其采样电路的原理图；

图2b是采用光耦隔离的逆变器及其采样电路的原理图；

图2c是采用霍尔电压传感器隔离的逆变器及其采样电路的原理图；

图3是根据本发明的单极正弦脉冲宽度调制(SPWM)逆变器及其电压采样电路的原理图。

图4是根据本发明的单极正弦脉冲宽度调制(SPWM)逆变器及其电压采样电路的一个采样电压信号时序图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。需要注意的是，根据本发明的单极正弦脉冲宽度调制(SPWM)逆变器及其交流电压采样电路的实施方式仅仅作为例子，但本发明不限于该具体实施方式。

本发明的目的是克服现有交流电压采样电路的高成本、精度误差大的缺点，本发明提出一种适用于单极SPWM调制逆变器的采样电路，该采样电路去除了常规采样电路的隔离环节，采用简单的电阻分压采样，并且具有精度高、成本低的优点。

根据本发明的单极正弦脉冲宽度调制(SPWM)逆变器包括：单极SPWM调制电路(120)，用于产生SPWM驱动脉冲，以驱动功率变换电路(130)；功率变换电路(130)，用于在所述单极SPWM调制电路(120)的驱动下，将直流输入电源逆变成交流电输出；电阻分压采样电路(110)，用来采集所述功率变换电路(130)输出的交流电压，通过电阻分压以输出与所述功率变换电路(130)的交流输出电压成一定比例的电压信号，供用户使用。

上述单极SPWM调制电路(120)产生的SPWM驱动脉冲驱动功率变换电路(130)输出的交流电是正弦交流输出。所述单极SPWM调制电路(120)生成的SPWM驱动脉冲分别驱动第一逆变桥臂(Q1、Q3)和第二逆变桥臂(Q2、Q4)，所述SPWM驱动脉冲由第一逆变桥臂(Q1、Q3)和第二逆变桥臂(Q2、Q4)放大后，然后经滤波电路(L3，C1)滤波后产生正弦交流输出给所述电阻采样电路(110)。

在优选实施例中，电阻分压采样电路(110)为Y型电阻分压采样电路，由Y型连接的三个支路构成。电阻分压采样电路(110)为一Y型电路结构，三个支路分别为高压支路1、2和低压支路3，所述高压支路1和高压之路2的一端分别与所述单极SPWM逆变器输出的正、负端相连，另一端接到一起与所述低压支路3的上端相连，此连接点构成三支路的Y型结点(samp)，所述低压支路3的下端和直流母线地相连。

换句话说，电阻R5一端接直流母线地，另一端同时串接“电阻R2串R1”和“电阻R4串R3”两者的并联电阻，从而构成所述Y型电阻分压采样电路(110)。更具体而言，所述电阻R1、R2串联构成高压支路1，R1接交流输出A端，R2经由Y型结点(SAMP)接电阻R5；电阻R3、R4串联构成高压支路2，R3接交流输出B端，R4经由Y型结点(SAMP)接电阻R5；R5单独构成低压之路，两端分别连接Y型结点(SAMP)和直流母线地。

图3分别示出了本发明的电压采样电路的优选实施方式。与常规采样电路相比，同样由Q1、Q2、Q3、Q4与L3、C1组成逆变器的功率变换电路(130)输出正弦波电压(即正弦功率信号)。但是，常规采样电路是采输出端A、B端之间的电压值，由于A、B端之一与母线短接均会造成Q1、Q2、Q3、Q4组成的桥臂短路，所以必须采样隔离的采样方式。我们分析，在图3中当逆变器采取单极SPWM调制时，

逆变器的输出A端(“+”端)对直流母线的输出为：

$\left(\begin{array}{c}{V}_{O+}=V_d*M\sin \mathrm{\omega t}...(2\mathrm{n\pi }\le \mathrm{\omega t}\le 2\mathrm{n\pi }+\pi )\\ V_{O+}=0...............(2\mathrm{n\pi }+\pi \le \mathrm{\omega t}\le 2(n+1)\pi )\end{array}\right)......\left(1\right)$

其中：

V_O+..................交流输出A端(交流正)对直流母线地电压

V_d..................直流母线电压

M..................SPWM调制比

ω..................交流输出电压角频率

逆变器的输出B端(“-”端)对直流母线的输出为：

$\left(\begin{array}{c}{V}_{O-}=0..................(2\mathrm{n\pi }\le \mathrm{\omega t}\le 2\mathrm{n\pi }+\pi )\\ V_{O-}=V_d*M\sin \mathrm{\omega t}...(2\mathrm{n\pi }+\pi \le \mathrm{\omega t}\le 2(n+1)\pi )\end{array}\right)......\left(2\right)$

其中：

V_O-..................交流输出B端(交流负)对直流母线地电压

V_d..................直流母线电压

M..................SPWM调制比

ω..................交流输出电压角频率

而逆变器交流输出电压为：

V_out＝V_d*M sinωt......(3)

其中：

V_out..................逆变器交流输出电压

V_d..................直流母线电压

M..................SPWM调制比

ω..................交流输出电压角频率

也即逆变器输出A、B端对直流母线地之间已经反映了输出电压的足够信息，这样我们通过采集A、B端对直流母线的电压也就采集了输出电压。

因此，我们设计了Y型电阻分压采样电路。根据本发明的逆变器采取单极SPWM调制，同时单极SPWM调制电路120与直流母线共地结构，并采用Y型电路结构构成电阻分压采样电路。该逆变器由电阻分压采样电路110、单极SPWM调制电路120和功率变换电路130构成，电阻分压采样电路110的三个支路分别为高压支路1、2，低压支路3，两个高压支路的一端分别与逆变器输出正、负端相连，另一端接到一起再与低压支路的上端相连，低压支路的下端和直流母线地相连。

电阻R5一端接直流母线地，另一端同时与电阻R2、R4相连。其中电阻R1、R2串联，R1接交流输出A端，R2接电阻R5；电阻R3、R4串联，R3接交流输出B端，R4接电阻R5。电阻R₁＝R₂＝R₂＝R₄＝R_M。

在本发明中，利用电压采样电阻的Y型拓扑连接，消除了由采样电路造成的母线桥臂短路的隐患，故可以去除常规逆变器采样电路所必须的电气隔离元件。

参见图3和图4，在交流输出的正半周期和负半周期，采样电压由欧姆定理可得：

其中：

V_samp......................逆变器采样电压

V_out..................逆变器输出电压

又有R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝R_M，所以公式4可以变换为：

由上分析可知，通过选择适当的电阻R1、R2、R3、R4、R5就可以得到输出电压的采样值。由于输出电压一般为220V交流，因此采用了R1、R2，R3、R4电阻串联的方式。流过采样电路的电流值为：

电阻的选择可以根据公式6计算流过采样电阻的电流值以便确定电阻的功耗和耐压值，根据公式5计算采样电压值是否与控制电路电平相匹配。

本发明可以精确的对逆变器交流输出电压采样的同时，消除了常规采样电路所需的采样变压器、光耦或霍尔电压传感器，使采样电压精度更高，成本更低。

图3示出了本发明的电压采样电路的原理图。本发明交流电压采样电路由电阻分压采样电路110，单极SPWM调制电路120和功率变换电路130构成。单极SPWM调制电路120由常规单极SPWM调制电路构成，生成SPWM调制波(也即SPWM驱动脉冲)分别驱动Q1、Q3桥臂和Q2、Q4桥臂，SPWM调制波由Q1、Q3桥臂和Q2、Q4桥臂放大后经过滤波电路形成正弦交流输出。当SPWM调制波(驱动脉冲)处于正半周期信号时，功率变换电路(130)交流输出正电压，经电阻支路R1、R2，与由电阻R5和R3、R4并联的等效电阻形成回路，在R5上得到正半周期电压信号(换言之，经电阻支路R1串R2，与电阻R5并联“电阻R3串R4“的等效电阻形成回路，在R5上得到正半周期的交流电压信号Vsamp)。当SPWM调制波(驱动脉冲)处于负半周期信号时，功率变换电路(130)交流输出负电压，经电阻支路R3、R4，与由电阻R5和R1、R2并联的等效电阻形成回路，在R5上得到负半周期的交流电压信号(换言之，经电阻支路R3串R4，与电阻R5并联“电阻R1串R2”的等效电阻形成回路，在R5上得到负半周期的交流电压信号Vsamp)。这样电阻R5就得到了整个周期的电压信号(Vsamp)。电阻分压采样电路110为一Y型电路结构，三个支路分别为高压支路1、2，低压支路3组成，高压支路1和高压之路2的一端分别与逆变器输出的正、负端相连，另一端接到一起与低压支路的上端相连(三支路的Y型结点为采样点SMAP)，低压支路的下端和直流母线地相连。

如图3所示，电阻R5一端接直流母线地，另一端同时串联“电阻R2与R1相串”和“电阻R4与R3相串”两者的并联电路，从而构成Y型电阻分压采样电路110。其中电阻R1、R2串联构成高压支路1，R1接交流输出A端，R2经由Y型结点samp接电阻R5；电阻R3、R4串联构成高压支路2，R3接交流输出B端，R4经由Y型结点SAMP接电阻R5；R5单独构成低压之路，两端分别连接Y型结点SAMP和直流母线地。其中电阻R₁＝R₂＝R₃＝R₄＝R_M。电阻R5根据逆变器的输出电压值，电阻分压采样电路(110)的采样电压值、功耗和耐压，以及采样精度来选取。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。