适用于逆变电源的SPWM波形调制方法及调制电路

摘要

本发明摒弃了传统的对输出电压的有效值采样，和标准输出进行比较，以其误差对输出电压进行控制的方法，直接采用输出电压的波形和标准波形进行比较，对其误差波形进行调制的方法。与传统的波形调制技术不同的是，这种调制技术，反馈速度快，能对输出波形的瞬态变化作出及时修正，能对输出波形中的直流偏移进行自动校正，能方便的引入电流反馈，从而极大提高整个逆变器的可靠性，特别适用于逆变器负载是整流性负载、感性负载的场合。本发明将输出低通滤波器内电感电流波形直接和电压误差信号进行比较，提高了逆变电源的瞬态响应能力。本发明的电压误差放大器设置有积分电路，可以自动校正逆变电源的直流偏移。

说明书

技术领域

本发明属于电力电子学领域，尤其涉及适用于逆变电源的SPWM波形调制电路及调制方法。

背景技术

现有SPWM波形调制的常见方法是用模拟或数字电路产生一个标准正弦波，该正弦波经一增益受误差信号控制的乘法器，对其输出幅度进行控制后，与三角波进行比较，产生一系列脉宽随正弦波幅度变化的脉冲串，该脉冲串由开关电源进行功率放大，滤去高频成分，就得到了交流电源。其电路框图如图1所示：

这种电路虽然简单、易于实现，但明显存在以下缺点：

1、存在直流偏移

由于器件的离散性，导致脉宽的不对称，从而造成输出波形中含有直流分量，虽然有很多技术可以减少直流分量，但无法从根本上消除。当负载是电感性负载时(例如：变压器、电动机)，直流分量对负载的伤害是致命的，轻则造成负载严重发热，可靠性下降，重则造成负载损坏。

2、瞬态响应不好

由于对输出电压采样信号需要经过有效值变换，转换成直流电压后再和基准电压进行比较。而有效值变换电路往往需要较大的时间常数(例如：4～10个信号周期)，势必难于响应负载的瞬态变化。

3、难于加入电流反馈环

由于SPWM波的形成是标准正弦波和标准三角波的比较，在环路中很难加入电流反馈环，从而无法实现逐脉冲电流保护，当负载发生意外时(例如：电动机堵转、负载短路)，无法保证系统安全。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种适用于逆变电源的SPWM波形调制电路及调制方法，达到反馈速度快，能对输出波形的瞬态变化作出及时修正，能对输出波形中的直流偏移进行自动校正，能方便的引入电流反馈，提高整个逆变器的可靠性的有益效果。

为解决上述技术，本发明所采用的技术方案是：

一种适用于逆变电源的SPWM波形调制方法包括以下步骤：

1)电压比较：

标准正弦波信号和输出波形采样信号直接进行比较，产生电压误差信号；

2)电流比较：

将输出电压误差信号和输出低通滤波产生的电感电流信号在设定的开关频率下进行比较，形成SPWM波形。

上述步骤2)的具体步骤为：

2.1)将输出电压误差信号和电感电流信号进行比较，输出电流误差放大信号；

2.2)当电流误差放大的输出信号由低向高翻转时，开始和设定开关脉冲进行相位比较，输出相位误差信号；

2.3)用相位误差信号控制输出电流误差放大信号的偏置，形成和设定开关频率同步的SPWM信号。

上述步骤1还包括对电压误差信号进行积分的步骤。

一种适用于逆变电源的SPWM波形调制电路，其特殊之处在于：信号源正弦波发生器一端接地，另一端连接误差信号比较器反相输入端，误差信号比较器的输出端和SPWM波调制比较器正向输入端连接，SPWM波调制比较器输出端和D类功率放大器连接，D类功率放大器单元通过电感电流取样电路与低通滤波器输入端连接，电感电流取样电路与SPWM波调制比较器反向输入端连接，开关频率设定单元与SPWM波调制比较器连接，输出电压采样单元一端与误差信号比较器正向输入端连接，另一端与低通滤波器输出端连接。

该误差信号比较器还可包括积分电路，所述积分电路包括积分电容，所述积分电容两端分别与误差信号比较器的反向输入端和输出端连接。

本发明的有益效果是：

1、本发明摒弃了传统的对输出电压的有效值采样，和标准输出进行比较，以其误差对输出电压进行控制的方法，直接采用输出电压的波形和标准波形进行比较，对其误差波形进行调制的方法。与传统的波形调制技术不同的是，这种调制技术，反馈速度快，能对输出波形的瞬态变化作出及时修正，能对输出波形中的直流偏移进行自动校正，能方便的引入电流反馈，从而极大提高整个逆变器的可靠性，特别适用于逆变器负载是整流性负载、感性负载的场合。

2、本发明将输出低通滤波器内电感电流波形直接和电压误差信号进行比较，提高了逆变电源的瞬态响应能力。

3、本发明的电压误差放大器设置有积分电路，可以自动校正逆变电源的直流偏移。

附图说明

图1是与本发明相关的现有技术的原理框图；

图2是本发明的原理框图；

图3是本发明的电路示意图；

图4是相位比较器输入-输出波形示意图；

图5是U2、U3、CLK、Vs、CS输出波形和逆变器输出波形的对应关系。

具体实施方式

如图2～3所示，适用于逆变电源的SPWM波形调制方法，包括以下步骤：

1)电压比较：

标准正弦波信号和输出波形采样信号直接进行比较，产生电压误差信号；再对电压误差信号进行积分；

2)电流比较：

2.1)将输出电压误差信号和电感电流信号进行比较，输出电流误差放大信号；

2.2)当电流误差放大的输出信号由低向高翻转时，开始和设定开关脉冲进行相位比较，输出相位误差信号；

2.3)用相位误差信号控制输出电流误差放大信号的偏置，形成和设定开关频率同步的SPWM信号。

一种适用于逆变电源的SPWM波形调制电路，信号源正弦波发生器一端接地，另一端连接误差信号比较器反相输入端，误差信号比较器的输出端和SPWM波调制比较器正向输入端连接，SPWM波调制比较器输出端和D类功率放大器连接，D类功率放大器单元通过电感电流取样电路与低通滤波器输入端连接，电感电流取样电路与SPWM波调制比较器反向输入端连接，开关频率设定单元与SPWM波调制比较器连接，输出电压采样单元一端与误差信号提取比较器正向输入端连接，另一端与低通滤波器输出端连接。

误差信号比较器还可包括积分电路，积分电路包括积分电容，积分电容两端分别与误差信号提取比较器的反向输入端和输出端连接。

本发明的工作原理：

如图3所示，Sin_Vo是标准的正弦波信号，Vs是输出波形信号，它和Sin_Vo信号相位相差180°，U1是交流加法器，它对直流信号有无穷大的放大作用。Sin_in信号是Sin_Vo信号和Vs信号的误差信号，CS是输出低通滤波器电感的电流信号，CLK信号是欲调制频率的脉冲信号，U6是相位比较器，当U2-1信号滞后CLK信号时，P-OUT是低电平；当U2-1信号超前CLK信号时，P-OUT是高电平，在其它时间端，P-out呈现高阻状态，P-OUT与CLK信号、U2-1信号的关系如图4所示

U4、U5是跨导运算放大器，它的输出电流受偏置电流的控制：

I_OUT＝gm(±ein)＝19.2×I_ABC×(±ein)。

其中：I_ABC是偏置电流，

ein是输入电压。

当开机瞬间，还未建立反馈电压和反馈电流时，假设Sin_Vo是正半周，则Sin_in是“-”信号，U2-1为低电平，显然，P-out此时是高阻，U5输出为零，相应的一组桥臂开始导通，电感上有电流流过，CS开始增加，当CS大于Sin_in时，U2翻转，P-OUT变为高电平，U5获得偏流，输出一直流电流，锁定U2状态，输出关断，CS开始下降，直到CLK脉冲前沿到来，P-out转为高阻，开始进行下一个脉冲的比较。由于Sin_Vo是正弦波信号，电感电流的增长斜率不变，电感电流是线性增加，所以，比较的电流阀值也依正弦波规律变化，输出的脉冲串是依正弦波规律变化的SPWM波。U2、U3、CLK、Vs、CS输出波形和逆变器输出波形的对应关系见图5。

U3比较器主要是为了实现桥式电路的换相，在U4的输入端预加有偏置电流源。因此，当Sin_Vo是正半周时，U3-1是低电平，当Sin_Vo是负半周时，U3-1是高电平。

一般的逆变桥，在正弦波过零时，容易出现交越失真。本设计因为在过零点附近有U3加入调制，几乎没有交越失真。