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
1）t₀～t₁时刻    由图4可以看到，在t₀～t₁时刻，由于给定的低频臂信号是1，对应图3可以知道主电路低频臂下管导通，图4中SPWM对应的是高频臂上管的驱动信号，上管的SPWM驱动信号逐渐变小。由图1可以知道在t₀～t₁时刻，输出正弦波信号由正逐渐变为0。

    2）t₁时刻    在t₁时刻，低频臂信号由1变为0，所以，低频臂由下管导通变为上管导通，由图3可以分析出，在低频臂切换的同时，产生SPWM的比较器也进行了切换，所以，由E₁误差信号产生的SPWM（高频臂上管）在t₁时刻马上变为接近100％的SPWM,然后逐渐变小。高频臂下管的驱动互补于高频臂上管的驱动，所以高频臂下管的驱动由0逐渐变大。由图1可以得知，输出正弦波信号由0逐渐变负。

    3）t₁～t₂时刻    实际的输出误差信号E₂会与E₁相差一个相位，所以，产生的SPWM₂与SPWM₁是不同的。由图4可以看出：t₁时刻以后，SPWM₂马上就为0，由于高频臂下管信号互补于SPWM₂，对应于主电路，在t₁时刻高频臂下管马上以一个比较大的占空比导通，然后占空比慢慢变小（图中SPWM₂逐渐变大），高频臂下管信号并不是由0逐渐变大，SPWM的突变必然会引起输出正弦波信号在过零点的振荡。可供选择的解决方案如下：

    （1）在低频臂切换的同时，把输出误差信号人为地放电，使其为0，这样就可以减弱在过零点时刻所引起的振荡；

    （2）人为地把低频臂信号超前或滞后一定相位，但是，这一方案由于低频臂信号的相位受负载轻重的影响，实际上难以做到准确。

1.2.2    双边SPWM控制

    双边SPWM的控制电路如图5所示。由于低频臂的切换作用，高频臂PWM输出性质随之改变。例如，过零前S_g1的窄脉冲对应为输出低电压，低频臂切换后突然成为高电压。然而与单边SPWM控制所不同的是，双边SPWM中的反相动作是与低频臂同时进行的。由于控制器中的输出没有突变，低频臂的切换也不会造成输出的突变。

图 5    双 边 SPWM控 制 电 路

    图6所示的是双边SPWM控制方法在过零点附近的SPWM示意图。图6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，实际的误差信号E₂会与基准信号相差一个相位。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6    双边SPWM控制在过零点附近的SPWM示意图

    1）t₀～t₁时刻    由图6可以看到，在t₀～t₁时刻，由于给定的低频臂信号是1，对应图5可以知道主电路低频臂下管导通，图6中SPWM对应的高频臂上管的驱动信号，由图1可以知道在t₀～t₁时刻，输出正弦波信号由正逐渐变为0。

    2）t₁时刻    在t₁时刻，低频臂信号由1变为0，所以低频臂由下管导通变为上管导通，由图5可以分析出，在低频臂切换的同时，产生SPWM的比较器也进行了切换，所以，由E₁误差信号产生的SPWM（高频臂上管）在t₁时刻马上变为100％的SPWM,然后逐渐变小。高频臂下管的驱动互补于高频臂上管的驱动，所以，高频臂下管的驱动由0逐渐变大。由图1可以得知，输出正弦波信号由0逐渐变负。

    3）t₁～t₂时刻    实际的输出误差信号E₂会与E₁相差一个相位，所以，产生的SPWM₂与SPWM₁是不同的，由图6可以看出，在t₁到t₂时刻，高频臂上管驱动一直都是高电平，由于高频臂下管互补于上管驱动，所以，在t₁到t₂时刻，高频臂下管是不导通的，此后有一软开通过程。由图6中SPWM₁与SPWM₂的比较可以看出，误差信号滞后于基准信号有利于抑制正弦波输出信号在过零点的振荡。

2    计算机仿真与实验结果

    应用电子电路计算机辅助分析于设计软件Matlab，分别对上述两种控制方法进行了仿真。

    仿真条件:输出220V，f=25Hz

2.1    单边SPWM控制的仿真波形

    单边SPWM控制的仿真波形如图7所示。从图7可以明显地看到，正弦波在过零点的时候有明显的振荡，跟理论分析完全吻合。

图7    单边SPWM控制方法仿真波形 
 

2.2    双边控制方法之仿真波形

    双边SPWM控制的仿真波形如图8所示。从图8可以明显地看到，正弦波在过零点的时候没有振荡，跟理论分析完全吻合。

图8    双边SPWM控制方法仿真波形

3    实验结果与讨论

3.1    单边SPWM控制方法之实验波形

    实验波形如图9，图10所示。

图9    单边SPWM控制方法之实验波形(闭环前)

图10    单边SPWM控制方法之实验波形(闭环后)

3.2    双边SPWM控制方法之实验波形

    实验波形如图11所示。

图11    双边SPWM控制方法之实验波形

3.3    讨论

    由仿真波形和实验波形可以看到，单边SPWM控制方法在过零点有很大的振荡，并且由实验可以得知，单边SPWM控制方法在没有闭环前振荡得十分厉害，而且电感有很大的噪音，单边SPWM控制方法在闭环以后也有振荡，电感依然有噪音。

    双边SPWM控制方法有很好的抑制过零点振荡的作用，实验时，双边SPMW控制方法在闭环前和闭环后过零点都没有振荡，电感的噪音也很小。

4    结语

    就单极性逆变，本文分别对其中的单边与双边SPWM的产生方法及控制方法以及其在正弦波电压过零点附近的振荡情况进行了分析。理论分析表明，并通过仿真与电路试验证明，双边SPWM中的控制器输出，因没有在过零点附近发生大的突变，其性能更为优越。