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、電磁干擾少等優點。分別介紹了單極性逆變中的單邊與雙邊SPWM的產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，經過仿真與電路試驗證明了雙邊SPWM方式性能更為優越。

關鍵詞：單極性；正弦波脈寬調制；過零點振蕩

0 引言

隨著控制技術的發展和對設備性能要求的不斷提高，許多行業的用電設備不再直接接入交流電網，而是通過電力電子功率變換得到電能，它們的幅值、頻率、穩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、電動機變頻調速器、加熱電源、汽車電源、綠色照明電源、不間斷電源、醫用電源、充電器等等，它們所使用的電能都是通過對電網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）。

圖1 逆變電路主電路結構

單極性逆變有兩種產生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。

(a) 載波與調制波均為正

(b)調制波極性隨載波改變

圖2 兩種SPWM產生原理比較

上述兩種控制方法產生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S_g3及S_g4分別對應高頻臂上下管的驅動信號；S_g1及S_g2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S_g1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3 單邊SPWM控制電路

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，由于在電壓環和電流環兩個環節中存在積分環節，根據負載的性質和輕重，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。

圖4 單邊SPWM控制在過零點附近的SPWM示意圖