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          单相全桥逆变电路

          单相全桥逆变电路也称“H 桥”电路,其电路拓朴结构如图2-5 所示,由两个半桥
          单相全桥电路拓朴结构
          图2-5 单相全桥电路拓朴结构
          电路组成,以1800 方波为例说明单相全桥电路的工作原理,功率开关元件Q1 与Q4 互补,Q2 与Q3 互补,当Q1 与Q3 同时导通时,负载电压U0= +Ud;当Q2 与Q4 同时悼通时,负载两端U0= -Ud,Q1 Q3 和Q2 Q4 轮流导通,负载两端就得到交流电能。
          全桥输出电压、电流波形
          图2-6 全桥输出电压、电流波形
          假设负载具有一定电感,即负载电流落后与电压 角度,在Q1Q3 功率管栅极加上驱动信号时,由于电流的带后,此时D1 D3 仍处于导通续流阶段,当经过y 电角度时,电流过零,电源向负载输送有功功率,同样当Q2 Q4 加上栅极驱动信号时D2D4 仍处于续流状态,此时能量从负载馈送回直流侧,再经过y 电角度后,Q2 Q4 才真正流过电流。单相全桥电路上述工作状况下Q1Q3 和Q2Q4 分别工作半个周期,其输出电压波形为180 度的方波,事实上这种控制方式并不实用,因为在实际的逆变电源中输出电压是需要可以控制和调节的,下面介绍输出电压的调节方法——移相调压法和脉宽调压法。
          3.1 移相调压法
          图2-7 为移相控制原理,Q1 Q4 互锁,Q2 Q3 互锁,且均为180℃方波信号,但Q1Q4 桥臂所加的方波与Q2 Q3 桥臂所加的方波相位错开 角度,移相控制原理
          图2-7 移相控制原理
          假设负载功率因数在(0~ 1)之间,且电流滞后于电压某一角度,则移相电路可分为6 个不同的工作时间段:
          第一时段:有功输出模式,输出电压电流均为正——Q1 Q3 导通
          第二时段:续流模式,电压为零但电流为正——Q1 Q2 导通
          第三时段:回馈模式,电压为负但电流为正——D2D4 导通
          第四时段:有功输出模式,电压为负电流为负——Q2 Q4 导通
          第五时段:续流模式,电压为零但电流为负——Q4 D3 导通
          第六时段:回馈模式,电压为正但电流为负——D1D3 导通
          采用移相控制方式调节输出电压只需调节相移角y 即可,由于四个功率开关元件和四个续流二极管轮流对称工作,因此每个器件所承受的应力对称相等,对延长器件寿命
          有利。
          3.2 脉宽调节法
          脉宽调节的控制波形如图2-8 所示,用一个幅值为Ur 的直流参考电平与幅值为Uc
          脉宽调节的控制波形
          图2-8 脉宽调节的控制波形的三角波载波信号进行比较,得到Q1 Q3 和Q2Q4 的基极驱动信号,其中Q1 和Q4 互补。当Uc 在0~1 范围内变化时,脉冲宽度可在0~1800 范围内变化,从而改变输出电压Uo。图2-8 所示的控制方式中“H 桥”斜对角的功率开关同时导通和关断,四个功率开关在不导通区间区间均不导通,在这种情况下若负载功率因数在(0~1)之间,续流二极管将完成部分能量从负载回馈至直流侧的作用,这种工作方式中输出只有+1、-1 两种状态,我们称之为双极性调制;与之相反的单极性调制法是保证输出具有+1、0、-1 三种状态,该方法将在后续章节中讨论。
          4、单相方波逆变器的输出波形分析
          推挽式、半桥式、全桥式逆变器输出的方波或矩形波,如图2-9 所示。
          单相方波逆变器的输出波形分析
          图2-9 矩形波形
          a)脉宽为1800 b)脉宽为(1800 -y)
          图2-9a 所示方波的傅里叶级数展开式为
          傅里叶级数展开式
          式中i U ——推挽式方波逆变器一次测单个绕组上的电压;
          1 N ——推挽式方波逆变器一次测两个相同的绕组匝数;
          2 N ——推挽式方波逆变器二次测绕组匝数
          方波中含有幅值为4Ui N2 I(N1π)的基波分量外,还含有较大的低次谐波(3,5,7,9次)分量。该方波输出电压的有效值为
          方波输出电压的有效值
          该矩形波同样只含有各奇次谐波,并且基波及谐波的幅值随脉宽变化,当脉宽等于1200时,3 次及3 倍数次谐波等于零。由图2-9b 可知,脉宽θ与调制度m 有关,即
          θ=mπ (2-6)
          式中θ ——脉宽
          m——调制度
          输出电压的有效值为
          输出电压的有效值
          由式(2-4)、(2-5)、(2-6)可知,n 次谐波的含量U2n /(Ui N2 /N1)、总的谐波畸变度THD 与调制度m 的关系,如图2-10 所示。矩形波的THD 随脉宽变化,即使脉宽为1200时,THD 仍有30%。
          矩形波的n 次谐波含量、总谐波畸变度与调制度的关系
          图2-10 矩形波的n 次谐波含量、总谐波畸变度与调制度的关系
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