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求解双极性SPWM驱动原理

一直对逆变感兴趣,在电源网上也看到很多前辈们发的有关逆变的帖子,只是当看到双极性驱动时怎么想都想不明白,网上查的资料也都是千篇一律的,说的不是太明白,在这里想请前辈们指点指点。

我先发个H桥的图

 

当正弦波正半波时,Q1,Q3按正弦规律导通,负半波时Q2,Q4按正弦规律导通,最终A,B两点之间的波形如下图所示,经过 LC 滤波后的输出波形如下图的Uo所示为正弦波

说的通俗一点,就是对角线驱动,对角的两个功率管同时开通和关闭,做SPWM驱动,每隔10mS,就换一组对管,做相同的动作,这样就可以输出正弦波.

当然,这只是理想状态,实际上还是有问题的,因为输出线路上串有电感,大家都知道,电感电流是不能突变的,每个对角功率管在SPWM关闭的时间里,电感要产生一个反向电流,必须要给它一个回路,所以又有一种新的驱动方法。

这个SPWM时序图中,就是在对角功率管的每个SPWM关闭的时间里给电感一个回路,相信大家都能看明白。

那么,现在我的问题就来了,下面是双极性SPWM驱动时序图

如果只看Q1,Q3的波形,那跟前面说的对角驱动原理是一样的(Q1,Q3按正弦规律导通),但关键是在Q1,Q3每个SPWM关闭的时间里,另外一组对角Q2,Q4就开通了,这样一来的话,每一个SPWM的周期里(其实就是载波的周期)  Q1,Q3导通时电流是从A点到B点,Q1,Q3关闭时(这时Q2,Q4导通)电流是从B点到A点,这样电流一会正的流,一会到的流,怎么能产生正弦波呢, 就算要改变电流的方向,那也只能每隔10mS才能改变吧.

我就是弄不明白这里.

1. 在一个SPWM周期里(一个载波周期时间里),Q1,Q3导通结束后Q1,Q3立马关闭,这时Q2,Q4导通,但就算Q2,Q4导通,电感也没有续流回路啊,那Q2,Q4在Q1,Q3关闭的时间里导通还有什么意义吗,

 

而且在Q1,Q3导通时电流是从A点经过,从电感的左前端进入,经过电感本身,再从电感的右端出来,经过负载,经过B点,经过Q3,再到地

当Q1,Q3关闭一瞬间,因为电感电流不能突变,这时电感上就会产生一个反向电压(自感原理),这时电感就相当于一个电源,假如有电流回路,电流就会从电感的右前端流出,经过负载,经过B点,再经过假设的回路,回到A点,再从电感的左前端进入,回到电感本身。

但此时Q2,Q4导通,电流会从正极经过Q4,经过B点,经过负载,从电感的右前端进入,经过电感本身,从电感的左前端出来,经过A点,经过Q2到地,Q2,Q4导通时的电流方向正好和电感所产生的感应电流方向相反,这样不仅没有帮到电感续流,反而压滞了电感续流。这是为什么

 

2. 如果假设Q1,Q3按正弦规律导通,所产生的是正弦波的正半波,中间夹杂着Q2,Q4所产生的负电压,那么这两个正负电压之和是不是就可以算做是输出电压呢。因为Q1,Q3/Q2,Q4在每个载波周期里都是按正弦规律在变化导通,它们之间有电压差,那么这个电压差值也是按正弦波的规律变化,输出的还是正弦波。但这也不对啊,为什么要电压差呢,有电压差,输出的电压是会减小,那还不如直接改小 调制比,输出电压一样会减小,为什么要经过开通Q2,Q4来产生负电压,从而产成电压差,来达到减小输出电压呢

 

或者是还有别的分析原理,请前辈们指点指点。

我上面的截图和有些话 都是从电源网上下的资料中截取的,在此申明一下,也在此感谢前辈们的无私奉献.

 

 

 

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

我还有一个小疑问,就第三张图来说,Q1做功率SPWM驱动时,Q3在10mS内一直是导通的,在Q1关闭的时间里,Q2导通,此时。回路确实是从电感的右前端流出,经过负载,经过B点,经过Q3,经过Q2,经过A点,再回到电感。但大家想想,在Q1关闭的时刻,电感是会产生一个反向电压的,那么电流确实是像我上面说的那样流动的,只是电流在经过Q2时,却是从Q2的下面往上流的,如果Q2是MOS管,那么Q2的上面(其实就是A点)应该是漏极,下面到地的应该是源极,这下好了,电感续流时 却是从Q2的源极流到漏极,难道MOS管中的电流正反都可以通吗,再者,如果Q2体内中并有一个反向二极管,这样电流是可以经过Q2的,那这样一来,开通Q2就没意义了啊,直接让电流从二极管流过,回到电感不就行了吗。更近一步说,直接在Q2的漏极和源极上人工并接一个快恢复二极管,让电流到Q2时,不用经过Q2,而是从Q2上并的二极管上面通过就可以啦,这样不仅不用开通Q2,也解决了电流不能从源极流到漏极的说法.

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2015-10-22 10:07
已经被添加到社区经典图库喽
http://www.dianyuan.com/bbs/classic/
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cjw318
LV.7
4
2015-10-22 18:55
续流是由MOS管上并联的反向二极管(封装在一个管芯里)完成的,你分析时把它给忘了!
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tangze
LV.3
5
2015-10-22 22:08
@cjw318
续流是由MOS管上并联的反向二极管(封装在一个管芯里)完成的,你分析时把它给忘了!
既然是反向并联的二极管,那么在Q1关闭的时间里,就不用导通Q2,直接让续流的电流从Q2功率管里面并联的二极管上流过就行了啊, 这样已经是有续流回路了,那么再开通Q2不是多此一举吗,也没有作用啊
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tangze
LV.3
6
2015-10-22 22:34
@tangze
既然是反向并联的二极管,那么在Q1关闭的时间里,就不用导通Q2,直接让续流的电流从Q2功率管里面并联的二极管上流过就行了啊,这样已经是有续流回路了,那么再开通Q2不是多此一举吗,也没有作用啊

既然Q2中已经有了反向并联的二极管作续流回路,为什么还要开通Q2,有什么意义呢,不管是Q2开不开通,续流的电流也只会从并联的二极管上通过,而不是从Q2功率管上通过.

我有点钻牛角尖,只是想把问题搞明白,但我个人觉的,Q2开通真的没必要,反正电流是不会从它上面流过,只会从并联的二极管上流过

 

 

这里先就假设左下管(Q2)体内没有并联二极管,在Q2的外面也没有并快恢复二极管,那么开通左下管(Q2)就有回路了吗,续流电流的方向在经过Q2时,是从下往上流,再回到电感的。

难道只要开通功率管,那么电流在经过功率管时,既可以从上往下流,也可以从下往上流吗

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cjw318
LV.7
7
2015-10-23 06:21
@tangze
[图片][图片][图片]既然Q2中已经有了反向并联的二极管作续流回路,为什么还要开通Q2,有什么意义呢,不管是Q2开不开通,续流的电流也只会从并联的二极管上通过,而不是从Q2功率管上通过.我有点钻牛角尖,只是想把问题搞明白,但我个人觉的,Q2开通真的没必要,反正电流是不会从它上面流过,只会从并联的二极管上流过  [图片]这里先就假设左下管(Q2)体内没有并联二极管,在Q2的外面也没有并快恢复二极管,那么开通左下管(Q2)就有回路了吗,续流电流的方向在经过Q2时,是从下往上流,再回到电感的。难道只要开通功率管,那么电流在经过功率管时,既可以从上往下流,也可以从下往上流吗[图片]。
其实MOS管确实是可以双向导通的!
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tangze
LV.3
8
2015-10-23 08:53
@cjw318
其实MOS管确实是可以双向导通的!

那这样说的话,MOS管就没有必要分什么漏极和源极了,只要给栅极驱动信号,MOS管就直通了,就像短路一样。

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tt5321126
LV.2
9
2015-10-23 09:34
@tangze
[图片]那这样说的话,MOS管就没有必要分什么漏极和源极了,只要给栅极驱动信号,MOS管就直通了,就像短路一样。

我的理解:Q1 Q3导通,电流按红线走,电容充电,

Q1 Q2都截止,Q3导通,给电感提供续流通路,

    

  Q1截止,Q2 Q3导通,电流按绿线走,降低电容电压,使输出电压呈正弦波

不知道这样对不对,

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tangze
LV.3
10
2015-10-23 10:20
@tt5321126
[图片]我的理解:Q1Q3导通,电流按红线走,电容充电,[图片]Q1Q2都截止,Q3导通,给电感提供续流通路,[图片]     Q1截止,Q2Q3导通,电流按绿线走,降低电容电压,使输出电压呈正弦波不知道这样对不对,

不是的, Q1 Q3导通,电流按红线走没错,此时电流经过电感的路径是从电感的左前端进入,经过电感本身,再从电感的右前端出来。经过负载,经过Q3,再到地,它的回路是 从电源Ui(电源正极) 到电源地的

但是Q1截止,Q2 Q3导通时,因为流过电感的电流不能突变,这时电感会产生有一个反向的自感电压,这时侯 电感就相当于一个电源了,也可以等效为电感的右前端为正极,左前端为负极,电流从右前端(正极)流出,经过负载,经过Q3,经过Q2,回到电感的左前端(负极)。

Q1 Q3导通时的电流 和Q1截止,Q2 Q3导通时的电流方向都是经过电感再到负载,但它们的实质跟回路是不一样的

 

 

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dobetter
LV.7
11
2015-10-23 11:27
@tangze
不是的,Q1Q3导通,电流按红线走没错,此时电流经过电感的路径是从电感的左前端进入,经过电感本身,再从电感的右前端出来。经过负载,经过Q3,再到地,它的回路是从电源Ui(电源正极)到电源地的但是Q1截止,Q2Q3导通时,因为流过电感的电流不能突变,这时电感会产生有一个反向的自感电压,这时侯电感就相当于一个电源了,也可以等效为电感的右前端为正极,左前端为负极,电流从右前端(正极)流出,经过负载,经过Q3,经过Q2,回到电感的左前端(负极)。Q1Q3导通时的电流和Q1截止,Q2Q3导通时的电流方向都是经过电感再到负载,但它们的实质跟回路是不一样的  
分析的很对呀
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tangze
LV.3
12
2015-10-23 11:59
@dobetter
分析的很对呀[图片]

恩,但我不明白的是 在双极性SPWM中,Q1,Q3与Q2,Q4是按载波的频率且不同的占空比(SPWM)交替互补导通的。当Q1,Q3截止,Q2,Q4导通,这时电感的续流回路在哪里呢?

续流电流从电感的右前端出(正极)流出,经过负载,到达B点,到这里后,难道续流电流会从Q4流过,到达主电源的正极(Ui),再从主电源的本身流过,到达主电源的地,再从Q2上流过,到达电感的左前端(负极),完成续流的回路?????

 

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cjw318
LV.7
13
2015-10-23 13:00
@tangze
[图片]那这样说的话,MOS管就没有必要分什么漏极和源极了,只要给栅极驱动信号,MOS管就直通了,就像短路一样。

原则上只要在G-S间加上正向偏压就能使MOS导通,而无论此时的D、S间的极性如何,当然S和D这两个极是不能互换的。

因此MOS管可以用来做压控可变电阻,用在控制交流信号大小的场合等。

当然,反向时S、D之间的压降和耐压是不同的,因此在高压大功率场合不会这么用的。

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tangze
LV.3
14
2015-10-23 13:48
@cjw318
原则上只要在G-S间加上正向偏压就能使MOS导通,而无论此时的D、S间的极性如何,当然S和D这两个极是不能互换的。因此MOS管可以用来做压控可变电阻,用在控制交流信号大小的场合等。当然,反向时S、D之间的压降和耐压是不同的,因此在高压大功率场合不会这么用的。
恩,感谢你的回复,这样说 我就能理解了,你再帮我看看12帖子的疑问好吗
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dobetter
LV.7
15
2015-10-23 15:13
@tangze
恩,但我不明白的是在双极性SPWM中,Q1,Q3与Q2,Q4是按载波的频率且不同的占空比(SPWM)交替互补导通的。当Q1,Q3截止,Q2,Q4导通,这时电感的续流回路在哪里呢?续流电流从电感的右前端出(正极)流出,经过负载,到达B点,到这里后,难道续流电流会从Q4流过,到达主电源的正极(Ui),再从主电源的本身流过,到达主电源的地,再从Q2上流过,到达电感的左前端(负极),完成续流的回路????? 
对,可以这么理解,当Q2/Q4导通时,相当于负的BUS电压加载电感两端,电感电流这个时候是下降走的~
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cjw318
LV.7
16
2015-10-23 16:28
@tangze
恩,但我不明白的是在双极性SPWM中,Q1,Q3与Q2,Q4是按载波的频率且不同的占空比(SPWM)交替互补导通的。当Q1,Q3截止,Q2,Q4导通,这时电感的续流回路在哪里呢?续流电流从电感的右前端出(正极)流出,经过负载,到达B点,到这里后,难道续流电流会从Q4流过,到达主电源的正极(Ui),再从主电源的本身流过,到达主电源的地,再从Q2上流过,到达电感的左前端(负极),完成续流的回路????? 

Q!Q3截止时电感的反电势为左负右正,此时续流电流(电感右边正极)经负载到Q4内部并联的反向二极管到供电电源的正极,再经电源到其负极后又经过Q2并联的反向二极管回到电感左端。

这种情况下即使Q2Q4导通也无关紧要,因为此时流经Q2Q4的电流(注意MOS的:双向导通特性)方向都是相同的,并直到反电势消耗尽。

反电势消耗完后电流才会改变方向经Q2Q4管内流过,这时其并联的二极管已处于反向截至。

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tangze
LV.3
17
2015-10-23 16:55
@dobetter
对,可以这么理解,当Q2/Q4导通时,相当于负的BUS电压加载电感两端,电感电流这个时候是下降走的~

恩,能讲详细一点吗

我的理解: 在Q1,Q3截止,Q2,Q4导通的时刻是有两股电流存在的,一股就是电感的续流电流,这股续流电流的回路及电流方向就是我上面所说的那样。

还有一股电流就母线电源加在负载上的反向电流,此时这条回路是从母线电源正极(Ui)处开始,经过Q4,经过负载,经过电感的右前端,经过电感本身,从电感左前端出来,经过Q2,再到母线电源的地,完正回路。

这两股电流的回路不同,在经过电感上的方向也不同,续流是从右前端出来,而加在负载上的这股反向电流却是从右前端进入.

续流能量比较小,当电感放完电后,就只剩下负载上的反向电流了,反向电流在负载上形成反向电压 如下图 红圈圈住的地方

那这样又有一个问题了,这些窄宽度的反向电压在正弦波的正半波里 怎么没有显示,去哪里了

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tangze
LV.3
18
2015-10-23 17:29
@cjw318
Q!Q3截止时电感的反电势为左负右正,此时续流电流(电感右边正极)经负载到Q4内部并联的反向二极管到供电电源的正极,再经电源到其负极后又经过Q2并联的反向二极管回到电感左端。这种情况下即使Q2Q4导通也无关紧要,因为此时流经Q2Q4的电流(注意MOS的:双向导通特性)方向都是相同的,并直到反电势消耗尽。反电势消耗完后电流才会改变方向经Q2Q4管内流过,这时其并联的二极管已处于反向截至。

恩,我刚回完上面的帖子,刷新一下 就看到你的回帖,谢谢,我在上面回复的跟你的想法是一样的。

还有一点就是: 假如Q1,Q3导通所产成的是正弦波的正半波,Q2,Q4导通产成的是负半波,但在每一个载波周期的时间里,Q1,Q3导通结束关闭后Q2,Q4就导通了,这就表示在这个正半波里还夹杂着负半波的成份,那后来经过电感和电容滤出来以后,就只有正半波了,那些负半波的成份去哪里了

 

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cjw318
LV.7
19
2015-10-23 18:32
@tangze
[图片]恩,我刚回完上面的帖子,刷新一下就看到你的回帖,谢谢,我在上面回复的跟你的想法是一样的。还有一点就是:假如Q1,Q3导通所产成的是正弦波的正半波,Q2,Q4导通产成的是负半波,但在每一个载波周期的时间里,Q1,Q3导通结束关闭后Q2,Q4就导通了,这就表示在这个正半波里还夹杂着负半波的成份,那后来经过电感和电容滤出来以后,就只有正半波了,那些负半波的成份去哪里了[图片] 

我觉得在正弦波的上半周期里只是Q1Q3在作高频通断(PWM),而Q2Q4处于截止状态;在正弦波的另半周时仅仅Q2Q4在作高频通断(PWM),而Q1Q3处于截止状态。

因此你的波形图是错的(开贴的图倒是对的)。

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tangze
LV.3
20
2015-10-24 08:59
@cjw318
我觉得在正弦波的上半周期里只是Q1Q3在作高频通断(PWM),而Q2Q4处于截止状态;在正弦波的另半周时仅仅Q2Q4在作高频通断(PWM),而Q1Q3处于截止状态。因此你的波形图是错的(开贴的图倒是对的)。[图片]

这不会吧 这个资料是我在电源网上下的

 

你看,这上面写的就是 4个功率管都工作在高频载波频率的,就是互补交替导通的

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cjw318
LV.7
21
2015-10-24 11:03
@tangze
这不会吧这个资料是我在电源网上下的[图片] [图片]你看,这上面写的就是4个功率管都工作在高频载波频率的,就是互补交替导通的

看来你这个图的模式也能工作的:

这样的话就是当Q1Q3截止时Q2Q4导通,如果没有二极管的话,刚开始的反电势续流是经过Q2Q4反向导通(MOS双向导通特性)完成的,有了二极管就由二极管来完成。

因此这个反向续流的电压极性和续流结束后的电压极性是一致的,因此波形中就是一个负向脉冲,不会有其它杂波出现的。

这种模式可以使电源利用率提高一倍,就像半波整流和全波整流一样的道理。

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2018-01-04 14:54
@tangze
这不会吧这个资料是我在电源网上下的[图片] [图片]你看,这上面写的就是4个功率管都工作在高频载波频率的,就是互补交替导通的
你好,我很想看看这个资料,可以告诉下在哪里下载的吗?
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ruohan
LV.9
23
2018-01-06 09:07
@tangze
恩,感谢你的回复,这样说我就能理解了,你再帮我看看12帖子的疑问好吗
能告诉一下SPWM  的查表法怎么算出来的,,不好理解啊
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tangze
LV.3
24
2018-01-10 11:47
@ruohan
能告诉一下SPWM 的查表法怎么算出来的,,不好理解啊

这个都过去好多年了 我也忘了差不多了,那时候在公司主要是做反激电源,逆变是我的兴趣爱好,没有做过项目,而且我现在已经转行了。

我记得当时是用是用AVR单片机做的,用的是面积等效法,资料我再找找看,找到就传给你们,但是笔记我有保存,图片太大传不了,做成了PDF格式.希望能帮到你.虽然转行了,有时还会上电源网看看,这才看到你的回复。

图片文档1.pdf

图片文档 2.pdf

图片文档 3.pdf

 

 

 

 

 

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