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求解雙極性SPWM驅動原理

一直對逆變感興趣,在電源網上也看到很多前輩們發的有關逆變的帖子,只是當看到雙極性驅動時怎么想都想不明白,網上查的資料也都是千篇一律的,說的不是太明白,在這里想請前輩們指點指點。

我先發個H橋的圖

QQ截圖20151021201010

 

當正弦波正半波時,Q1,Q3按正弦規律導通,負半波時Q2,Q4按正弦規律導通,最終A,B兩點之間的波形如下圖所示,經過 LC 濾波后的輸出波形如下圖的Uo所示為正弦波

QQ截圖20151021201010

說的通俗一點,就是對角線驅動,對角的兩個功率管同時開通和關閉,做SPWM驅動,每隔10mS,就換一組對管,做相同的動作,這樣就可以輸出正弦波.

當然,這只是理想狀態,實際上還是有問題的,因為輸出線路上串有電感,大家都知道,電感電流是不能突變的,每個對角功率管在SPWM關閉的時間里,電感要產生一個反向電流,必須要給它一個回路,所以又有一種新的驅動方法。

QQ截圖20151021201010

這個SPWM時序圖中,就是在對角功率管的每個SPWM關閉的時間里給電感一個回路,相信大家都能看明白。

那么,現在我的問題就來了,下面是雙極性SPWM驅動時序圖

QQ截圖20151021201010

如果只看Q1,Q3的波形,那跟前面說的對角驅動原理是一樣的(Q1,Q3按正弦規律導通),但關鍵是在Q1,Q3每個SPWM關閉的時間里,另外一組對角Q2,Q4就開通了,這樣一來的話,每一個SPWM的周期里(其實就是載波的周期)  Q1,Q3導通時電流是從A點到B點,Q1,Q3關閉時(這時Q2,Q4導通)電流是從B點到A點,這樣電流一會正的流,一會到的流,怎么能產生正弦波呢, 就算要改變電流的方向,那也只能每隔10mS才能改變吧.

我就是弄不明白這里.

1. 在一個SPWM周期里(一個載波周期時間里),Q1,Q3導通結束后Q1,Q3立馬關閉,這時Q2,Q4導通,但就算Q2,Q4導通,電感也沒有續流回路啊,那Q2,Q4在Q1,Q3關閉的時間里導通還有什么意義嗎,

 

而且在Q1,Q3導通時電流是從A點經過,從電感的左前端進入,經過電感本身,再從電感的右端出來,經過負載,經過B點,經過Q3,再到地

當Q1,Q3關閉一瞬間,因為電感電流不能突變,這時電感上就會產生一個反向電壓(自感原理),這時電感就相當于一個電源,假如有電流回路,電流就會從電感的右前端流出,經過負載,經過B點,再經過假設的回路,回到A點,再從電感的左前端進入,回到電感本身。

但此時Q2,Q4導通,電流會從正極經過Q4,經過B點,經過負載,從電感的右前端進入,經過電感本身,從電感的左前端出來,經過A點,經過Q2到地,Q2,Q4導通時的電流方向正好和電感所產生的感應電流方向相反,這樣不僅沒有幫到電感續流,反而壓滯了電感續流。這是為什么

 

2. 如果假設Q1,Q3按正弦規律導通,所產生的是正弦波的正半波,中間夾雜著Q2,Q4所產生的負電壓,那么這兩個正負電壓之和是不是就可以算做是輸出電壓呢。因為Q1,Q3/Q2,Q4在每個載波周期里都是按正弦規律在變化導通,它們之間有電壓差,那么這個電壓差值也是按正弦波的規律變化,輸出的還是正弦波。但這也不對啊,為什么要電壓差呢,有電壓差,輸出的電壓是會減小,那還不如直接改小 調制比,輸出電壓一樣會減小,為什么要經過開通Q2,Q4來產生負電壓,從而產成電壓差,來達到減小輸出電壓呢

 

或者是還有別的分析原理,請前輩們指點指點。

我上面的截圖和有些話 都是從電源網上下的資料中截取的,在此申明一下,也在此感謝前輩們的無私奉獻.

 

 

 

全部回復(23)
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tangze
LV.3
2
2015-10-22 08:49

我還有一個小疑問,就第三張圖來說,Q1做功率SPWM驅動時,Q3在10mS內一直是導通的,在Q1關閉的時間里,Q2導通,此時。回路確實是從電感的右前端流出,經過負載,經過B點,經過Q3,經過Q2,經過A點,再回到電感。但大家想想,在Q1關閉的時刻,電感是會產生一個反向電壓的,那么電流確實是像我上面說的那樣流動的,只是電流在經過Q2時,卻是從Q2的下面往上流的,如果Q2是MOS管,那么Q2的上面(其實就是A點)應該是漏極,下面到地的應該是源極,這下好了,電感續流時 卻是從Q2的源極流到漏極,難道MOS管中的電流正反都可以通嗎,再者,如果Q2體內中并有一個反向二極管,這樣電流是可以經過Q2的,那這樣一來,開通Q2就沒意義了啊,直接讓電流從二極管流過,回到電感不就行了嗎。更近一步說,直接在Q2的漏極和源極上人工并接一個快恢復二極管,讓電流到Q2時,不用經過Q2,而是從Q2上并的二極管上面通過就可以啦,這樣不僅不用開通Q2,也解決了電流不能從源極流到漏極的說法.

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2015-10-22 10:07
已經被添加到社區經典圖庫嘍
http://www.cubesun.cn/bbs/classic/
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cjw318
LV.7
4
2015-10-22 18:55
續流是由MOS管上并聯的反向二極管(封裝在一個管芯里)完成的,你分析時把它給忘了!
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tangze
LV.3
5
2015-10-22 22:08
@cjw318
續流是由MOS管上并聯的反向二極管(封裝在一個管芯里)完成的,你分析時把它給忘了!
既然是反向并聯的二極管,那么在Q1關閉的時間里,就不用導通Q2,直接讓續流的電流從Q2功率管里面并聯的二極管上流過就行了啊, 這樣已經是有續流回路了,那么再開通Q2不是多此一舉嗎,也沒有作用啊
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tangze
LV.3
6
2015-10-22 22:34
@tangze
既然是反向并聯的二極管,那么在Q1關閉的時間里,就不用導通Q2,直接讓續流的電流從Q2功率管里面并聯的二極管上流過就行了啊,這樣已經是有續流回路了,那么再開通Q2不是多此一舉嗎,也沒有作用啊

既然Q2中已經有了反向并聯的二極管作續流回路,為什么還要開通Q2,有什么意義呢,不管是Q2開不開通,續流的電流也只會從并聯的二極管上通過,而不是從Q2功率管上通過.

我有點鉆牛角尖,只是想把問題搞明白,但我個人覺的,Q2開通真的沒必要,反正電流是不會從它上面流過,只會從并聯的二極管上流過

 

 

這里先就假設左下管(Q2)體內沒有并聯二極管,在Q2的外面也沒有并快恢復二極管,那么開通左下管(Q2)就有回路了嗎,續流電流的方向在經過Q2時,是從下往上流,再回到電感的。

難道只要開通功率管,那么電流在經過功率管時,既可以從上往下流,也可以從下往上流嗎

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cjw318
LV.7
7
2015-10-23 06:21
@tangze
[圖片][圖片][圖片]既然Q2中已經有了反向并聯的二極管作續流回路,為什么還要開通Q2,有什么意義呢,不管是Q2開不開通,續流的電流也只會從并聯的二極管上通過,而不是從Q2功率管上通過.我有點鉆牛角尖,只是想把問題搞明白,但我個人覺的,Q2開通真的沒必要,反正電流是不會從它上面流過,只會從并聯的二極管上流過  [圖片]這里先就假設左下管(Q2)體內沒有并聯二極管,在Q2的外面也沒有并快恢復二極管,那么開通左下管(Q2)就有回路了嗎,續流電流的方向在經過Q2時,是從下往上流,再回到電感的。難道只要開通功率管,那么電流在經過功率管時,既可以從上往下流,也可以從下往上流嗎[圖片]。
其實MOS管確實是可以雙向導通的!
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tangze
LV.3
8
2015-10-23 08:53
@cjw318
其實MOS管確實是可以雙向導通的!

那這樣說的話,MOS管就沒有必要分什么漏極和源極了,只要給柵極驅動信號,MOS管就直通了,就像短路一樣。

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tt5321126
LV.2
9
2015-10-23 09:34
@tangze
[圖片]那這樣說的話,MOS管就沒有必要分什么漏極和源極了,只要給柵極驅動信號,MOS管就直通了,就像短路一樣。

我的理解:Q1 Q3導通,電流按紅線走,電容充電,

Q1 Q2都截止,Q3導通,給電感提供續流通路,

    

  Q1截止,Q2 Q3導通,電流按綠線走,降低電容電壓,使輸出電壓呈正弦波

不知道這樣對不對,

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tangze
LV.3
10
2015-10-23 10:20
@tt5321126
[圖片]我的理解:Q1Q3導通,電流按紅線走,電容充電,[圖片]Q1Q2都截止,Q3導通,給電感提供續流通路,[圖片]     Q1截止,Q2Q3導通,電流按綠線走,降低電容電壓,使輸出電壓呈正弦波不知道這樣對不對,

不是的, Q1 Q3導通,電流按紅線走沒錯,此時電流經過電感的路徑是從電感的左前端進入,經過電感本身,再從電感的右前端出來。經過負載,經過Q3,再到地,它的回路是 從電源Ui(電源正極) 到電源地的

但是Q1截止,Q2 Q3導通時,因為流過電感的電流不能突變,這時電感會產生有一個反向的自感電壓,這時侯 電感就相當于一個電源了,也可以等效為電感的右前端為正極,左前端為負極,電流從右前端(正極)流出,經過負載,經過Q3,經過Q2,回到電感的左前端(負極)。

Q1 Q3導通時的電流 和Q1截止,Q2 Q3導通時的電流方向都是經過電感再到負載,但它們的實質跟回路是不一樣的

 

 

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dobetter
LV.7
11
2015-10-23 11:27
@tangze
不是的,Q1Q3導通,電流按紅線走沒錯,此時電流經過電感的路徑是從電感的左前端進入,經過電感本身,再從電感的右前端出來。經過負載,經過Q3,再到地,它的回路是從電源Ui(電源正極)到電源地的但是Q1截止,Q2Q3導通時,因為流過電感的電流不能突變,這時電感會產生有一個反向的自感電壓,這時侯電感就相當于一個電源了,也可以等效為電感的右前端為正極,左前端為負極,電流從右前端(正極)流出,經過負載,經過Q3,經過Q2,回到電感的左前端(負極)。Q1Q3導通時的電流和Q1截止,Q2Q3導通時的電流方向都是經過電感再到負載,但它們的實質跟回路是不一樣的  
分析的很對呀
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tangze
LV.3
12
2015-10-23 11:59
@dobetter
分析的很對呀[圖片]

恩,但我不明白的是 在雙極性SPWM中,Q1,Q3與Q2,Q4是按載波的頻率且不同的占空比(SPWM)交替互補導通的。當Q1,Q3截止,Q2,Q4導通,這時電感的續流回路在哪里呢?

續流電流從電感的右前端出(正極)流出,經過負載,到達B點,到這里后,難道續流電流會從Q4流過,到達主電源的正極(Ui),再從主電源的本身流過,到達主電源的地,再從Q2上流過,到達電感的左前端(負極),完成續流的回路?????

 

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cjw318
LV.7
13
2015-10-23 13:00
@tangze
[圖片]那這樣說的話,MOS管就沒有必要分什么漏極和源極了,只要給柵極驅動信號,MOS管就直通了,就像短路一樣。

原則上只要在G-S間加上正向偏壓就能使MOS導通,而無論此時的D、S間的極性如何,當然S和D這兩個極是不能互換的。

因此MOS管可以用來做壓控可變電阻,用在控制交流信號大小的場合等。

當然,反向時S、D之間的壓降和耐壓是不同的,因此在高壓大功率場合不會這么用的。

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tangze
LV.3
14
2015-10-23 13:48
@cjw318
原則上只要在G-S間加上正向偏壓就能使MOS導通,而無論此時的D、S間的極性如何,當然S和D這兩個極是不能互換的。因此MOS管可以用來做壓控可變電阻,用在控制交流信號大小的場合等。當然,反向時S、D之間的壓降和耐壓是不同的,因此在高壓大功率場合不會這么用的。
恩,感謝你的回復,這樣說 我就能理解了,你再幫我看看12帖子的疑問好嗎
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dobetter
LV.7
15
2015-10-23 15:13
@tangze
恩,但我不明白的是在雙極性SPWM中,Q1,Q3與Q2,Q4是按載波的頻率且不同的占空比(SPWM)交替互補導通的。當Q1,Q3截止,Q2,Q4導通,這時電感的續流回路在哪里呢?續流電流從電感的右前端出(正極)流出,經過負載,到達B點,到這里后,難道續流電流會從Q4流過,到達主電源的正極(Ui),再從主電源的本身流過,到達主電源的地,再從Q2上流過,到達電感的左前端(負極),完成續流的回路????? 
對,可以這么理解,當Q2/Q4導通時,相當于負的BUS電壓加載電感兩端,電感電流這個時候是下降走的~
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cjw318
LV.7
16
2015-10-23 16:28
@tangze
恩,但我不明白的是在雙極性SPWM中,Q1,Q3與Q2,Q4是按載波的頻率且不同的占空比(SPWM)交替互補導通的。當Q1,Q3截止,Q2,Q4導通,這時電感的續流回路在哪里呢?續流電流從電感的右前端出(正極)流出,經過負載,到達B點,到這里后,難道續流電流會從Q4流過,到達主電源的正極(Ui),再從主電源的本身流過,到達主電源的地,再從Q2上流過,到達電感的左前端(負極),完成續流的回路????? 

Q!Q3截止時電感的反電勢為左負右正,此時續流電流(電感右邊正極)經負載到Q4內部并聯的反向二極管到供電電源的正極,再經電源到其負極后又經過Q2并聯的反向二極管回到電感左端。

這種情況下即使Q2Q4導通也無關緊要,因為此時流經Q2Q4的電流(注意MOS的:雙向導通特性)方向都是相同的,并直到反電勢消耗盡。

反電勢消耗完后電流才會改變方向經Q2Q4管內流過,這時其并聯的二極管已處于反向截至。

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tangze
LV.3
17
2015-10-23 16:55
@dobetter
對,可以這么理解,當Q2/Q4導通時,相當于負的BUS電壓加載電感兩端,電感電流這個時候是下降走的~

恩,能講詳細一點嗎

我的理解: 在Q1,Q3截止,Q2,Q4導通的時刻是有兩股電流存在的,一股就是電感的續流電流,這股續流電流的回路及電流方向就是我上面所說的那樣。

還有一股電流就母線電源加在負載上的反向電流,此時這條回路是從母線電源正極(Ui)處開始,經過Q4,經過負載,經過電感的右前端,經過電感本身,從電感左前端出來,經過Q2,再到母線電源的地,完正回路。

這兩股電流的回路不同,在經過電感上的方向也不同,續流是從右前端出來,而加在負載上的這股反向電流卻是從右前端進入.

續流能量比較小,當電感放完電后,就只剩下負載上的反向電流了,反向電流在負載上形成反向電壓 如下圖 紅圈圈住的地方

那這樣又有一個問題了,這些窄寬度的反向電壓在正弦波的正半波里 怎么沒有顯示,去哪里了

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tangze
LV.3
18
2015-10-23 17:29
@cjw318
Q!Q3截止時電感的反電勢為左負右正,此時續流電流(電感右邊正極)經負載到Q4內部并聯的反向二極管到供電電源的正極,再經電源到其負極后又經過Q2并聯的反向二極管回到電感左端。這種情況下即使Q2Q4導通也無關緊要,因為此時流經Q2Q4的電流(注意MOS的:雙向導通特性)方向都是相同的,并直到反電勢消耗盡。反電勢消耗完后電流才會改變方向經Q2Q4管內流過,這時其并聯的二極管已處于反向截至。

恩,我剛回完上面的帖子,刷新一下 就看到你的回帖,謝謝,我在上面回復的跟你的想法是一樣的。

還有一點就是: 假如Q1,Q3導通所產成的是正弦波的正半波,Q2,Q4導通產成的是負半波,但在每一個載波周期的時間里,Q1,Q3導通結束關閉后Q2,Q4就導通了,這就表示在這個正半波里還夾雜著負半波的成份,那后來經過電感和電容濾出來以后,就只有正半波了,那些負半波的成份去哪里了

 

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cjw318
LV.7
19
2015-10-23 18:32
@tangze
[圖片]恩,我剛回完上面的帖子,刷新一下就看到你的回帖,謝謝,我在上面回復的跟你的想法是一樣的。還有一點就是:假如Q1,Q3導通所產成的是正弦波的正半波,Q2,Q4導通產成的是負半波,但在每一個載波周期的時間里,Q1,Q3導通結束關閉后Q2,Q4就導通了,這就表示在這個正半波里還夾雜著負半波的成份,那后來經過電感和電容濾出來以后,就只有正半波了,那些負半波的成份去哪里了[圖片] 

我覺得在正弦波的上半周期里只是Q1Q3在作高頻通斷(PWM),而Q2Q4處于截止狀態;在正弦波的另半周時僅僅Q2Q4在作高頻通斷(PWM),而Q1Q3處于截止狀態。

因此你的波形圖是錯的(開貼的圖倒是對的)。

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tangze
LV.3
20
2015-10-24 08:59
@cjw318
我覺得在正弦波的上半周期里只是Q1Q3在作高頻通斷(PWM),而Q2Q4處于截止狀態;在正弦波的另半周時僅僅Q2Q4在作高頻通斷(PWM),而Q1Q3處于截止狀態。因此你的波形圖是錯的(開貼的圖倒是對的)。[圖片]

這不會吧 這個資料是我在電源網上下的

 

你看,這上面寫的就是 4個功率管都工作在高頻載波頻率的,就是互補交替導通的

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cjw318
LV.7
21
2015-10-24 11:03
@tangze
這不會吧這個資料是我在電源網上下的[圖片] [圖片]你看,這上面寫的就是4個功率管都工作在高頻載波頻率的,就是互補交替導通的

看來你這個圖的模式也能工作的:

這樣的話就是當Q1Q3截止時Q2Q4導通,如果沒有二極管的話,剛開始的反電勢續流是經過Q2Q4反向導通(MOS雙向導通特性)完成的,有了二極管就由二極管來完成。

因此這個反向續流的電壓極性和續流結束后的電壓極性是一致的,因此波形中就是一個負向脈沖,不會有其它雜波出現的。

這種模式可以使電源利用率提高一倍,就像半波整流和全波整流一樣的道理。

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2018-01-04 14:54
@tangze
這不會吧這個資料是我在電源網上下的[圖片] [圖片]你看,這上面寫的就是4個功率管都工作在高頻載波頻率的,就是互補交替導通的
你好,我很想看看這個資料,可以告訴下在哪里下載的嗎?
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ruohan
LV.9
23
2018-01-06 09:07
@tangze
恩,感謝你的回復,這樣說我就能理解了,你再幫我看看12帖子的疑問好嗎
能告訴一下SPWM  的查表法怎么算出來的,,不好理解啊
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tangze
LV.3
24
2018-01-10 11:47
@ruohan
能告訴一下SPWM 的查表法怎么算出來的,,不好理解啊

這個都過去好多年了 我也忘了差不多了,那時候在公司主要是做反激電源,逆變是我的興趣愛好,沒有做過項目,而且我現在已經轉行了。

我記得當時是用是用AVR單片機做的,用的是面積等效法,資料我再找找看,找到就傳給你們,但是筆記我有保存,圖片太大傳不了,做成了PDF格式.希望能幫到你.雖然轉行了,有時還會上電源網看看,這才看到你的回復。

圖片文檔1.pdf

圖片文檔 2.pdf

圖片文檔 3.pdf

 

 

 

 

 

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