正弦波UPS中逆变电路结构及SPWM方法

前言

逆变电路是UPS电源的核心电路。作者在剖析若干知名厂家生产的UPS电源电路的基础上，对UPS电源中的逆变电路进行了探讨。本文所涉及的电路，是这些厂家技术人员多年技术经验的结晶，并且经历过大量产品投放市场后的考验，具有很好的参考价值。作者在此发表出来，供业内人士和有兴趣者参考。

UPS电源有很多分类，作者根据业内的习惯，将UPS电源分为工频机和高频机。本文中的工频机和高频机采用的都是正弦波逆变电路，输出的都是正弦波电压，并且都是在线式结构。文中只涉及正弦波逆变电路，以下简称逆变电路。

逆变电路的结构

逆变电路由正弦波SPWM调制电路和功放电路组成。

1工频机所采用的逆变电路的结构图

图1所示为工频机所采用的逆变电路的结构图。由图可见，工频机逆变电路中右侧的功放电路采用的是全桥式功放电路，这种功放电路需要正弦波调制电路提供4路相互独立的SPWM驱动信号。在左侧的正弦波调制电路中，用正弦波信号去调制三角波信号，得到4路独立的SPWM信号，经隔离驱动后送至功放电路。

在这种结构中，每一桥臂功率管的数量视输出功率而定，当输出功率较小时，功率管采用MOS器件，输出功率大时，采用IGBT模块。

2高频机所采用的逆变电路的结构图

图2所示为高频机所采用的逆变电路的结构图。由图可见，高频机逆变电路中的功放电路采用的是半桥式功放电路，这种功放电路需要正弦波调制电路提供2路相互独立的SPWM驱动信号。在左侧的正弦波调制电路中，由电脑板直接提供2路SPWM波信号，经隔离驱动后送至功放电路。

在这种结构中，每一桥臂功率管的数量也视输出功率而定，当输出功率较小时，功率管采用MOS器件，输出功率较大时，也采用IGBT模块。

正弦脉宽调制（SPWM）方法

SPWM信号实际上就是与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波。

在20KVA以下的小型逆变电路中，通常用正弦波（调制波）调制三角波（载波）的方法来实现脉宽调制的目的，又称为三角波调制法，它是利用比较器来完成这一功能的。根据调制信号所包含的信息量，调制电路可以分为单极性调制和双极性调制。

1 SPWM调制方法及特点

在单电源供电的比较器重，若将正弦波送到比较器的同相输入端，将三角波送到比较器的反相输入端，则在正三角波幅值大于正弦波的幅值时，比较器将输出一个负向脉冲，这个负向脉冲的宽度等于三角波大于正弦波部分所对应的时间间隔。而在三角波幅值小于正弦波的幅值时，比较器将输出一个正向脉冲，这个正向脉冲的宽度等于三角波小于正弦波部分所对应的时间间隔。从图3可见，这时在电压比较器的输出端将得到一连串脉冲方波序列，其特点是：对应于正弦波幅值较低的部位，脉冲方波的宽度较窄，而对应于正弦波幅值较高的部位，脉冲方波的宽度较宽。这就是正弦脉冲调制信号，即SPWM信号。

根据分析，这种三角波调制电路有以下特点：

⒈当三角波频率与正弦波频率之比N>20以上时，在比较器输出端产生的矩形脉冲，其宽度正比于正弦波幅值与三角波幅值之比。

因此，只要适当地调节输入到比较器的正弦波电压的幅值大小，就可以调节脉冲宽度，从而调节了逆变器输出的正弦波电压的大小。这一特点也使得由三角波调制电路构成的逆变电路具有自动稳压的功能。

⒉当正弦波幅度小于三角波幅度时，逆变器输出电压波形中只含有基波和17、19…次谐波，而不包含3、5、7…等低次谐波分量，仅存在与三角波频率相近的高次谐波。

正弦波的频率是50Hz，通常三角波的频率是10-20KHz左右。因此，在采用三角波调制法的逆变电路中，输出电压的波形中实际上不包含低次谐波分量，它们所包含的最低谐波分量的频率都在几十KHz以上。因此，在这种逆变电路中，逆变器所需的合成器（即输出滤波器）的尺寸、重量和成本可以大大减小。

⒊若增大正弦波的幅度，使正弦波幅度大于三角波幅度时，逆变电路输出的调制波中，将开始出现3、5、7…等低次谐波分量。这会导致逆变输出正弦波电压的失真度增大，严重时会使电路进入自动保护关机状态。因此在调试时要主意正弦波的幅度不能超过三角波的幅度。

上述正弦波调制法已经成为一种经典的正弦波调制方法，在逆变电路中被广泛使用。

2双极性SPWM调制

在双极性调制电路中，需要一路正弦波信号和一路三角波信号，三角波信号的幅值必须略大于正弦波信号的峰-峰值。

如图4a所示，若将正弦波送到单电源比较器的同相输入端，将三角波送到比较器的反相输入端，则在电压比较器的输出端将得到一连串脉冲