單極性SPWM的兩種控制方法與過零點輸出特性比較

摘要：對于采用SPWM的逆變器，其中單極性逆變方式僅用到一對高頻開關，相對于雙極性逆變具有損耗低、電磁干擾少等優(yōu)點。分別介紹了單極性逆變中的單邊與雙邊SPWM的產(chǎn)生方法以及各自的控制方法，分析了這兩種控制方法在正弦波電壓過零點附近的振蕩情況，經(jīng)過仿真與電路試驗證明了雙邊SPWM方式性能更為優(yōu)越。

引言

隨著控制技術的發(fā)展和對設備性能要求的不斷提高，許多行業(yè)的用電設備不再直接接入交流電網(wǎng)，而是通過電力電子功率變換得到電能，它們的幅值、頻率、穩(wěn)定度及變化形式因用電設備的不同而不盡相同。如通信電源、電弧焊電源、電動機變頻調(diào)速器、加熱電源、汽車電源、綠色照明電源、不間斷電源、醫(yī)用電源、充電器等等，它們所使用的電能都是通過對電網(wǎng)電能進行整流和逆變變換后得到的。因此，高質量的逆變電源已經(jīng)成為電源技術的重要研究對象。

1 工作原理

1.1 主電路拓撲與SPWM的產(chǎn)生

單極性SPWM逆變電路的拓撲如圖1所示，

由全橋4個開關管組成的2路橋臂所構成，一路以高頻開關工作頻率工作，稱為高頻臂（S3，S4）；另一路以輸出的正弦波頻率進行切換，成為低頻臂（S1，S2）。

單極性逆變有兩種產(chǎn)生SPWM的方法。第一種控制方法是將給定的載波（正弦波）整流成正的，調(diào)制波（三角波）也是正的，如圖2（a）所示，稱為單邊SPWM控制；第二種控制方法是給定的載波（正弦波）是一個完整的正弦波，調(diào)制波（三角波）當正弦波為正時是正的，當正弦波為負時是負的，如圖2（b）所示，稱為雙邊SPWM控制。

上述兩種控制方法產(chǎn)生SPWM的機理不一樣，各自的控制電路也有所不同。

1.2 單極性SPWM的兩種控制方法

1.2.1 單邊SPWM控制

單邊SPWM的控制電路如圖3所示。圖3中的Sg3及Sg4分別對應高頻臂上下管的驅動信號；Sg1及Sg2分別對應低頻臂上下管的驅動信號。由于低頻臂的切換作用，高頻臂PWM輸出性質隨之改變。例如，原來過零時Sg1的窄脈沖對應輸出低電壓，低頻臂切換后突然成為高電壓。因此，PWM有一突變過程。

圖4所示的是單邊SPWM控制方法在過零點時的示意圖。圖4中E1為理論上跟基準（電壓波形）同相位的誤差信號，由于在電壓環(huán)和電流環(huán)兩個環(huán)節(jié)中存在積分環(huán)節(jié)，根據(jù)負載的性質和輕重，實際的輸出誤差信號E2與基準信號有一個相位差。圖中SPWM1是理論上的高頻臂上管的驅動信號，SPWM2則是實際的高頻臂上管的驅動信號。

1）t0～t1時刻由圖4可以看到，在t0～t1時刻，由于給定的低頻臂信號是1，對應圖3可以知道主電路低頻臂下管導通，圖4中SPWM對應的是高頻臂上管的驅動信號，上管的SPWM驅動信號逐漸變小。由圖1可以知道在t0～t1時刻，輸出正弦波信號由正逐漸變?yōu)?。

2）t1時刻在t1時刻，低頻臂信號由1變?yōu)?，所以，低頻臂由下管導通變?yōu)樯瞎軐�通，由圖3可以分析出，在低頻臂切換的同時，產(chǎn)生SPWM的比較器也進行了切換，所以，由E1誤差信號產(chǎn)生的SPWM（高頻臂上管）在t1時刻馬上變?yōu)榻咏?00％的SPWM,然后逐漸變小。高頻臂下管的驅動互補于高頻臂上管的驅動，所以高頻臂下管的驅動由0逐漸變大。由圖1可以得知，輸出正弦波信號由0逐漸變負。

3）t1～t2時刻實際的輸出誤差信號E2會與E1相差一個相位，所以，產(chǎn)生的SPWM2與SPWM1是不同的。由圖4可以看出：t1時刻以后，SPWM2馬上就為0，由于高頻臂下管信號互補于SPWM2，對應于主電路，在t1時刻高頻臂下管馬上以一個比較大的占空比導通，然后占空比慢慢變�。▓D中SPWM2逐漸變大），高頻臂下管信號并不是由0逐漸變大，SPWM的突變必然會引起輸出正弦波信號在過零點的振蕩�？晒┻x擇的解決方案如下：

（1）在低頻臂切換的同時，把輸出誤差信號人為地放電，使其為0，這樣就可以減弱在過零點時刻所引起的振蕩；

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