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，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(yōu)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(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，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(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
1）t₀～t₁時刻    由圖4可以看到，在t₀～t₁時刻，由于給定的低頻臂信號是1，對應圖3可以知道主電路低頻臂下管導通，圖4中SPWM對應的是高頻臂上管的驅動信號，上管的SPWM驅動信號逐漸變小。由圖1可以知道在t₀～t₁時刻，輸出正弦波信號由正逐漸變?yōu)?。

    2）t₁時刻    在t₁時刻，低頻臂信號由1變?yōu)?，所以，低頻臂由下管導通變?yōu)樯瞎軐?，由圖3可以分析出，在低頻臂切換的同時，產生SPWM的比較器也進行了切換，所以，由E₁誤差信號產生的SPWM（高頻臂上管）在t₁時刻馬上變?yōu)榻咏?00％的SPWM,然后逐漸變小。高頻臂下管的驅動互補于高頻臂上管的驅動，所以高頻臂下管的驅動由0逐漸變大。由圖1可以得知，輸出正弦波信號由0逐漸變負。

    3）t₁～t₂時刻    實際的輸出誤差信號E₂會與E₁相差一個相位，所以，產生的SPWM₂與SPWM₁是不同的。由圖4可以看出：t₁時刻以后，SPWM₂馬上就為0，由于高頻臂下管信號互補于SPWM₂，對應于主電路，在t₁時刻高頻臂下管馬上以一個比較大的占空比導通，然后占空比慢慢變?。▓D中SPWM₂逐漸變大），高頻臂下管信號并不是由0逐漸變大，SPWM的突變必然會引起輸出正弦波信號在過零點的振蕩?？晒┻x擇的解決方案如下：

    （1）在低頻臂切換的同時，把輸出誤差信號人為地放電，使其為0，這樣就可以減弱在過零點時刻所引起的振蕩；

    （2）人為地把低頻臂信號超前或滯后一定相位，但是，這一方案由于低頻臂信號的相位受負載輕重的影響，實際上難以做到準確。

1.2.2    雙邊SPWM控制

    雙邊SPWM的控制電路如圖5所示。由于低頻臂的切換作用，高頻臂PWM輸出性質隨之改變。例如，過零前S_g1的窄脈沖對應為輸出低電壓，低頻臂切換后突然成為高電壓。然而與單邊SPWM控制所不同的是，雙邊SPWM中的反相動作是與低頻臂同時進行的。由于控制器中的輸出沒有突變，低頻臂的切換也不會造成輸出的突變。

圖 5    雙 邊 SPWM控 制 電 路

    圖6所示的是雙邊SPWM控制方法在過零點附近的SPWM示意圖。圖6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)，實際的誤差信號E₂會與基準信號相差一個相位。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6    雙邊SPWM控制在過零點附近的SPWM示意圖

    1）t₀～t₁時刻    由圖6可以看到，在t₀～t₁時刻，由于給定的低頻臂信號是1，對應圖5可以知道主電路低頻臂下管導通，圖6中SPWM對應的高頻臂上管的驅動信號，由圖1可以知道在t₀～t₁時刻，輸出正弦波信號由正逐漸變?yōu)?。

    2）t₁時刻    在t₁時刻，低頻臂信號由1變?yōu)?，所以低頻臂由下管導通變?yōu)樯瞎軐?，由圖5可以分析出，在低頻臂切換的同時，產生SPWM的比較器也進行了切換，所以，由E₁誤差信號產生的SPWM（高頻臂上管）在t₁時刻馬上變?yōu)?00％的SPWM,然后逐漸變小。高頻臂下管的驅動互補于高頻臂上管的驅動，所以，高頻臂下管的驅動由0逐漸變大。由圖1可以得知，輸出正弦波信號由0逐漸變負。

    3）t₁～t₂時刻    實際的輸出誤差信號E₂會與E₁相差一個相位，所以，產生的SPWM₂與SPWM₁是不同的，由圖6可以看出，在t₁到t₂時刻，高頻臂上管驅動一直都是高電平，由于高頻臂下管互補于上管驅動，所以，在t₁到t₂時刻，高頻臂下管是不導通的，此后有一軟開通過程。由圖6中SPWM₁與SPWM₂的比較可以看出，誤差信號滯后于基準信號有利于抑制正弦波輸出信號在過零點的振蕩。

2    計算機仿真與實驗結果

    應用電子電路計算機輔助分析于設計軟件Matlab，分別對上述兩種控制方法進行了仿真。

    仿真條件:輸出220V，f=25Hz

2.1    單邊SPWM控制的仿真波形

    單邊SPWM控制的仿真波形如圖7所示。從圖7可以明顯地看到，正弦波在過零點的時候有明顯的振蕩，跟理論分析完全吻合。

圖7    單邊SPWM控制方法仿真波形 
 

2.2    雙邊控制方法之仿真波形

    雙邊SPWM控制的仿真波形如圖8所示。從圖8可以明顯地看到，正弦波在過零點的時候沒有振蕩，跟理論分析完全吻合。

圖8    雙邊SPWM控制方法仿真波形

3    實驗結果與討論

3.1    單邊SPWM控制方法之實驗波形

    實驗波形如圖9，圖10所示。

圖9    單邊SPWM控制方法之實驗波形(閉環(huán)前)

圖10    單邊SPWM控制方法之實驗波形(閉環(huán)后)

3.2    雙邊SPWM控制方法之實驗波形

    實驗波形如圖11所示。

圖11    雙邊SPWM控制方法之實驗波形

3.3    討論

    由仿真波形和實驗波形可以看到，單邊SPWM控制方法在過零點有很大的振蕩，并且由實驗可以得知，單邊SPWM控制方法在沒有閉環(huán)前振蕩得十分厲害，而且電感有很大的噪音，單邊SPWM控制方法在閉環(huán)以后也有振蕩，電感依然有噪音。

    雙邊SPWM控制方法有很好的抑制過零點振蕩的作用，實驗時，雙邊SPMW控制方法在閉環(huán)前和閉環(huán)后過零點都沒有振蕩，電感的噪音也很小。

4    結語

    就單極性逆變，本文分別對其中的單邊與雙邊SPWM的產生方法及控制方法以及其在正弦波電壓過零點附近的振蕩情況進行了分析。理論分析表明，并通過仿真與電路試驗證明，雙邊SPWM中的控制器輸出，因沒有在過零點附近發(fā)生大的突變，其性能更為優(yōu)越。