单极性SPWM的两种控制方法与过零点输出特性分析比较

摘要：对于采用SPWM的逆变器，其中单极性逆变方式仅用到一对高频开关，相对于双极性逆变具有损耗低、电磁干扰少等优点。分别介绍了单极性逆变中的单边与双边SPWM的产生方法以及各自的控制方法，分析了这两种控制方法在正弦波电压过零点附近的振荡情况，经过仿真与电路试验证明了双边SPWM方式性能更为优越。

关键词：单极性；正弦波脉宽调制；过零点振荡

0 引言

随着控制技术的发展和对设备性能要求的不断提高，许多行业的用电设备不再直接接入交流电网，而是通过电力电子功率变换得到电能，它们的幅值、频率、稳定度及变化形式因用电设备的不同而不尽相同。如通信电源、电弧焊电源、电动机变频调速器、加热电源、汽车电源、绿色照明电源、不间断电源、医用电源、充电器等等，它们所使用的电能都是通过对电网电能进行整流和逆变变换后得到的。因此，高质量的逆变电源已经成为电源技术的重要研究对象。

1 工作原理

1.1 主电路拓扑与SPWM的产生

单极性SPWM逆变电路的拓扑如图1所示，由全桥4个开关管组成的2路桥臂所构成，一路以高频开关工作频率工作，称为高频臂（S₃，S₄）；另一路以输出的正弦波频率进行切换，成为低频臂（S₁，S₂）。

图1 逆变电路主电路结构

单极性逆变有两种产生SPWM的方法。第一种控制方法是将给定的载波（正弦波）整流成正的，调制波（三角波）也是正的，如图2（a）所示，称为单边SPWM控制；第二种控制方法是给定的载波（正弦波）是一个完整的正弦波，调制波（三角波）当正弦波为正时是正的，当正弦波为负时是负的，如图2（b）所示，称为双边SPWM控制。

(a) 载波与调制波均为正

(b)调制波极性随载波改变

图2 两种SPWM产生原理比较

上述两种控制方法产生SPWM的机理不一样，各自的控制电路也有所不同。

1.2 单极性SPWM的两种控制方法

1.2.1 单边SPWM控制

单边SPWM的控制电路如图3所示。图3中的S_g3及S_g4分别对应高频臂上下管的驱动信号；S_g1及S_g2分别对应低频臂上下管的驱动信号。由于低频臂的切换作用，高频臂PWM输出性质随之改变。例如，原来过零时S_g1的窄脉冲对应输出低电压，低频臂切换后突然成为高电压。因此，PWM有一突变过程。

图3 单边SPWM控制电路

图4所示的是单边SPWM控制方法在过零点时的示意图。图4中E₁为理论上跟基准（电压波形）同相位的误差信号，由于在电压环和电流环两个环节中存在积分环节，根据负载的性质和轻重，实际的输出误差信号E₂与基准信号有一个相位差。图中SPWM₁是理论上的高频臂上管的驱动信号，SPWM₂则是实际的高频臂上管的驱动信号。

图4 单边SPWM控制在过零点附近的SPWM示意图