單極性SPWM的兩種控制方法與過零點輸出特性分析比較

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(guān)，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。

關(guān)鍵詞：單極性；正弦波脈寬調(diào)制；過零點振蕩

0 引言

隨著控制技術(shù)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(zhì)量的逆變電源已經(jīng)成為電源技術(shù)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(guān)管組成的2路橋臂所構(gòu)成，一路以高頻開關(guān)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(jié)構(gòu)

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。

(a) 載波與調(diào)制波均為正

(b)調(diào)制波極性隨載波改變

圖2 兩種SPWM產(chǎn)生原理比較

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S_g3及S_g4分別對應高頻臂上下管的驅(qū)動信號；S_g1及S_g2分別對應低頻臂上下管的驅(qū)動信號。由于低頻臂的切換作用，高頻臂PWM輸出性質(zhì)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(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(zhì)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(qū)動信號，SPWM₂則是實際的高頻臂上管的驅(qū)動信號。

圖4 單邊SPWM控制在過零點附近的SPWM示意圖