一種基于模擬電路的倍頻單極性SPWM控制策略

王家豪

（合肥工業大學電氣工程與自動化工程學院，安徽 合肥 230009）

正弦波脈寬調制技術（SPWM)輸出諧波小，精度高，在逆變領域應用廣泛可以采用3種SPWM控制方案，即單極性SPWM控制，雙極性SPWM控制以及倍頻單極性SPWM控制。所謂倍頻單極性SPWM控制是指逆變器輸出脈沖的調制頻率是載波頻率的兩倍，并且輸出脈沖具有單極性特征，對以載波頻率為Wс為基準并采用雙重傅里葉級數進行諧波分析，可以得出：基波幅值與調制度M成正比，故通過調節正弦調制波的幅值就可以調節輸出電壓，其諧波含量大，主要分布在載波角頻率Wс以及2Wс、3Wс附近，并以載波角頻率Wс附近諧波幅值為最大。但根據分析結果，載波采用單極性三角波的單極性SPWM波形的諧波含量比雙極性SPWM諧波含量小得多。因此實現倍頻單極性SPWM能進一步減少諧波，改善輸出波形的品質意義重大。本文從單極性和雙極性SPWM調制技術的原理出發，從圖像入手推導出一種基于模擬元件的倍頻單極性SPWM的控制策略，并給出每一步設計的理由。

1 分析單極性、雙極性SPWM實現方法

圖1

若采用單極性SPWM，通常采用圖1方式控制實現。為實現單極性SPWM控制，根據單相電壓型正弦波逆變器電路橋臂控制功能的不同，可以將其分為周期控制橋臂以及調制橋臂，其中上面比較器用于驅動調制橋臂，下面比較器用于驅動控制橋臂。在正弦調制波正半周，由于三角載波極性為正，則下面比較器輸出極性為正，此時，VT4導通而VT4關斷，即有VT4導通或VD4續流導通，這取決于電流iα的方向。同時。比較器A根據調制波與載波的調制而輸出SPWM信號，當VT1導通有效而VT2關斷有效時，VT1導通或VD1續流導通，當VT2關斷，反之，當VT2導通有效而VT1關斷有效時，VT2導通或VD2續流導通，而VT1關斷。顯然正弦調制波正半周時，逆變器輸出正極性的SPWM電壓脈沖。同理，當正弦調制波負半周時，由于三角載波極性為負，則 比較器B輸出極性為負，逆變器輸出負極性的SPWM電壓脈沖，最終如圖2所示。

圖2

若采用雙極性SPWM,此時逆變器的輸出脈沖具有雙極性特征。即，無論輸出正、負半周，輸出脈沖全為正、負極性跳變的雙極性脈沖。當采用基于三角載波調制的雙極性SPWM控制時，只需采用正、負對稱的雙極性三角載波；當正弦調制波信號的瞬時值大于三角載波信號瞬時值時比較器輸出極性為正。

2 系統總體設計方案

通過前述分析，發現這樣的模擬電路實現控制具有成本低、操作容易、可靠性高，便于維護等特點，因此，試圖將這種思想應用于倍頻單極性SPWM控制。倍頻單極性SPWM控制有調制波反相和載波反相2種控制方式。

2.1 調制波反相的倍頻單極性SPWM控制方式

相關理論波形如圖3所示。

圖3

調制波Ur1與載波Uc進行調制之后產生波形為Uao，Ur2為與調制波Un幅值相等而相位相差180度的調制波，它也與載波Uc進行調制產生波形為Uab。對于上述波形進行分析我們不難發現，Uao、Ubo為雙極性波形，有正值和負值兩種情況。

用甲表示Uao，用乙表示Ubo。則：

①甲乙同正或同負時，Uao為0；

②甲正乙負時，Uao為U；

③甲負乙正時，Uao為-U。

而當Uab為U時，應為VT1和VT4導通；

而當Uab為-U時，應為VT2和VT3導通；

而當Uab為0時，可為VT1、VT3或VT2、VT4導通。

而甲正：說明 Uao＞0，即 Ur1＞Uc；

甲負：說明 Uao＜0，即 Ur1＜Uc；

乙正：說明 Ubo＞0，即 Ur2＞Uc；

乙負：說明 Ubo＜0，即 Ur2＜Uc。

故可設計觸發電路如圖4所示。

當 Ur1＞Uc 且 Ur2＜Uc 時，VT1、VT4導通；

當 Ur1＜Uc且 Ur2＞Uc時，VT2、VT3導通；

其余情況VT2、VT4或VT1、VT3導通，輸出波形即為圖5所示。

2.2 載波反相的倍頻單極性SPWM控制模式

通過波形理論分析設計電路如圖5所示。

令：Ur＞Uc1時VT1導通有效；

圖4

圖5

Ur＜Uc1時VT2導通有效；

Ur＞Uc2時VT4導通有效；

Ur＜Uc2 時 VT2導通。

3 結語

本文圍繞單極性倍頻SPWM調制技術展開研究，論文的主要內容概述如下。

（1）介紹了三種經典的SPWM控制方法，包括雙極型SPWM脈沖寬度調制方法，單極型SPWM脈沖寬度調制方法，以及倍頻單極型SPWM脈沖寬度調制方法。通過比較和實驗發現倍頻極型SPWM脈沖寬度調制方法相對于其他兩種調制方法，其諧波含量更低，只需要更小更簡潔的濾波器件就能達到更好的濾波效果。

（2）給出了模擬電路的硬件實現方式和具體的電路圖以及推導過程，闡述清楚了其內在機理，根據已知的電路結構完成了倍頻單極性SPWM脈寬調制電路的設計。

（3）該系統設計通過焊接、調試、模擬與實際測試，結果表明，基本達到了設計要求和功能體現，

實現了模擬元件控制倍頻單極性SPWM波形的輸出，簡便易行，使輸出電壓頻率為載波頻率2倍。方便可靠，不論在電子設計制作上還是工程應用中都具有很大的應用價值。