PWM控制是目前晶体管式逆变弧焊电源、场效应晶体管式逆变弧焊电源、IGBT式逆变弧焊电源中应用最多的控制方式，PWM控制器是逆变式弧焊电源控制电路的核心。此外，SGX525还存在欠电压锁定功能，15脚输入电压低于规定电压后，切断控制信号和PWM信号。......
2023-06-30
PWM变换器工作原理及应用
【摘要】：图4-4H型可逆PWM变换器1）双极式可逆PWM变换器双极式工作制的主要特点是，四个功率管IGBT的栅极驱动电压分为两组。
1.不可逆PWM变换器
图4-2（a）所示是由IGBT组成的简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统主电路原理图，也称直流降压斩波器。电路中电源Us一般由不可控电源提供；电容C为大电容，用于滤波；电动机电枢为脉宽调制器的负载，可看为电阻-电感-反电动势负载。二极管VD在IGBT关断时为电枢回路提供释放电感储存能的续流回路。
图4-2 不可逆PWM变换器
VT的控制门极（栅极）由脉宽可调的脉冲电压ug驱动，在一个开关周期T内，当0≤t＜Ton时，ug为正，VT饱和导通，电源电压Us通过VT加到直流电动机电枢两端；当Ton≤t＜T时，ug为负，VT截止，电枢失去电源，并通过二极管VD进行续流。因此，直流电动机电枢两端的平均电压为
图4-2（b）所示为稳定状态时脉冲端电压ud、电枢平均电压Ud和电枢电流id的波形。由图可见，稳态电流是脉动的，其平均值等于负载电流IdL=TL/（CTφ）。设连续的电枢脉冲电流id的平均值为Id，稳态转速相应的反电动势为E，电枢回路总电阻为R，则由回路平衡电压方程可推导出机械特性方程为
当电流连续时，调节占空比ρ，可得到如图4-2（c）所示的一簇平行的机械特性曲线。
从图4-2可以看出，简单不可逆变换器电路中，电流id不能反向，电动机无法反转，不能产生制动作用，只能做单象限运行。要使电动机能够产生制动作用，电路中必须具有反方向电流-id的通路，因此将图4-2（a）中的VT和VD改为图4-3（a）中的VT1和VD2，再增设VT2和VD1，就构成带制动回路的不可逆变换器电路。VT2和VD1的功能是构成反向电枢电流通路，因此VT2被称为辅助管，而VT1被称为主管。VT1和VT2的驱动电压大小相等、方向相反，即ug1=-ug2。该电路的运行存在以下三种情况：
（1）一般电动状态下，VT2在VD2两端产生的压降的作用下始终没有导通。
当0≤t＜Ton时，ug1为正，VT1饱和导通；ug2为负，VT2截止。此时，电源电压Us加到电枢两端，电流id1沿回路1流通，如图4-3（e）所示。此时Us为
当Ton≤t＜T时，ug1和ug2都变换极性，VT1截止，但VT2却不能导通，因为id2沿回路2经二极管VD2续流，在VD2两端产生的压降给VT2施加反压，使它失去导通的可能，如图4-3（f）所示。因此，在这种情况下，电动运动状态下，实际上是VT1、VD2交替导通，而VT2始终不导通，相当于简单的不可逆变换器，其电压和电流波形如图4-3（b）所示，与图4-2（b）的情况一样。此时电压平衡方程式为
（2）制动状态下，降低电动运行中电动机转速，需要减小控制电压，使ug1的正脉冲变窄，从而使平均电压Ud降低，但由于惯性作用，转速和反电动势还来不及立即变化，造成E＞Ud的局面。这时VT2就在电动机制动中发挥作用。
当Ton≤t＜T时，如图4-3（c）所示，此时ug2为正，VT2导通，电动机反向电压（E-Ud）产生的反向电流id3沿回路3通过VT2流通，产生能耗制动，直到t=T为止，如图4-3（g）所示。反电动势为
当T≤t＜T+Ton时，VT2截止，id4沿回路4通过VD1续流，对电源回馈制动，同时在VD1上的压降使VT1不能导通，如图4-3（h）所示。在整个制动过程中，VT2、VD1轮流导通，而VT1始终截止，电压和电流波形如图4-3（c）所示。此时电压平衡方程式为
反向电流的制动作用使电动机转速下降，直到新的稳态。最后应该指出，当直流电源采用半导体整流装置时，在回馈制动阶段电能不可能通过它送回电网，只能向滤波电容C充电，从而造成瞬间的电压升高，通常称作“泵升电压”。如果回馈能量大，泵升电压升至过高，将危及器件IGBT和整流二极管，必须采取措施加以限制。
图4-3 带制动回路的不可逆变换器
（3）轻载电动状态下，负载电流较小。
当Ton≤t＜T时，VT1截止后，id2沿回路2经二极管VD2续流时，还没有到达时间周期T，电流在时间t=t2时衰减到零，VD2两端电压也降为零，VT2提前导通，使电流反向，产生局部时间的制动作用。
当T≤t＜T+Ton时，VT2截止，VD1续流，并使id4很快衰减到零，从而使VT1导通，使电流正向。这种在一个开关周期内VT1、VD2、VT2、VD1四个管子轮流导通的电压和电流变化波形如图4-3（d）所示，其开环机械特性如图4-3（i）所示。
图4-3（a）所示电路之所以为不可逆是因为平均电压Ud始终大于零，电流虽然能够反向，但电压和转速仍不能反向。如果要求转速反向，需要再增加VT和VD，构成可逆的PWM变换器-直流电动机系统。
2.可逆PWM变换器
可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（通常称H型）电路，如图4-4（a）所示，电动机M两端电压UAB的极性随全控型电力电子器件的开关状态而改变。可逆PWM变换器的控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，下面着重分析双极式工作制，然后再简述单极式工作制的基本特点。
图4-4 H型可逆PWM变换器
1）双极式可逆PWM变换器
双极式工作制的主要特点是，四个功率管IGBT的栅极驱动电压分为两组。VT1和VT4同时导通和关断，其栅极驱动电压ug1=ug4；VT2和VT3同时导通和关断，其栅极驱动电压ug2=ug3。
在一个开关周期内，当0≤t＜Ton时，ug1和ug4为正，功率管VT1和VT4饱和导通；而ug2和ug3为负，VT2和VT3截止。这时+Us加在电枢AB两端，UAB=Us，电枢电流id1沿回路1流通，如图4-4（c）所示。
当Ton≤t＜T时，ug1和ug4变负，VT1和VT4截止；ug2和ug3变正，但VT2和VT3并不能立即导通，因为在电枢电感释放储能的作用下，id2沿回路2经VD2、VD3续流，如图4-4（d）所示。在VD2、VD3上的压降使VT2和VT3的c-e极承受着反压，这时UAB=-Us。UAB在一个周期内正负相间，这是双极式工作制的特征，其电压、电流波形如图4-4（b）所示。
由于电压UAB的正、负变化，电流波形出现两种情况，如图4-4（b）中的id1和id2所示。id1为电动机负载较重的情况，这时平均负载电流大，在续流阶段电流仍维持正方向，电动机始终工作在第一象限的电动状态。id2为负载很轻的情况，平均电流小，在续流阶段电流很快衰减到零，于是VT2和VT3的c-e极两端失去反压，在负的电源电压-Us和电枢电动势的共同作用下导通，电枢电流反向，沿回路3流通，电动机处于制动状态，如图4-4（e）所示。同理，在0≤t＜Ton期间，当负载轻时，电流也有一次倒向。随着反向电流的增加，VT2和VT3的触发脉冲消失，触发脉冲切换到VT1和VT4，电流沿如图4-4（f）所示回路续流，反向电流减小，直到变为0后VT1和VT4导通，电流重新沿图4-4（c）所示回路导通。
双极式可逆PWM变换器的输出平均电压为
通过分析可以看出，双极式可逆PWM变换器的优点为：
①电流一定连续；
②可使电动机四象限运行；
③电动机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；
④低速平稳性好，系统的调速范围大；
⑤低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。
2）单极式可逆PWM变换器
单极式工作制的特点是，VT1和VT2的驱动脉冲ug1=-ug2，具有与双极式一样的正负交替的脉冲波形，使得VT1和VT2交替导通。而VT3和VT4的驱动脉冲则根据电动机的转向施加不同的直流控制信号。当电动机正转时，ug3恒为负，ug4恒为正。反之，电动机反转时，ug3恒为正，ug4恒为负。
电动机正转时，ug3恒为负，ug4恒为正，则VT3截止而VT4导通，在一个开关周期内，当0≤t＜Ton时，ug1为正，ug2为负，ug3为负，ug4为正，则VT1和VT4导通，VT2和VT3截止，UAB=+Us，电枢电流沿回路1导通。当Ton≤t＜T时，ug1为负，VT1截止，电枢电流id沿着续流二极管VD2→电枢→VT4回路流通，以释放回路中的磁场能量。UAB=0，由于VD2导通，VT2不通。
电动机反转时，在一个开关周期内，当0≤t＜Ton时，ug1为负，ug2为正，ug3为正，ug4为负，则VT2和VT3导通，VT1和VT4截止，UAB=-Us，电枢电流沿回路3导通。当Ton≤t＜T时，ug2为负，VT2截止，电枢电流id沿着续流二极管VD1→电枢→VT3回路流通，以释放回路中的磁场能量。UAB=0，由于VD1导通，VT1不通。
在电动机朝一个方向旋转时，电路输出单一极性的脉冲电压，如图4-5所示，所以称为单极式控制，其电压占空比和不可逆电路一样。由于VT3和VT4总有一个长通、一个长断，所以不存在频繁的交替导通，因而其开关损耗要小于双极式变换器，装置可靠性比较高。
图4-5 单极式PWM变换器电压和电流波形
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