SPWM技术分析

摘要：本文主要是从脉宽调制（即PWM）技术入手，从而进一步分析正弦脉宽（SPWM）技术。

关键词:PWMSPWM波SPWM波的产生方法单极性SPWM波双极性SPWM波

1 概述

脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）就是利用控制半导体开关元件（例如二极管、三极管和场效应管等）的通断时间比，即通过调节脉冲宽度或周期来实现控制输出电压的一种技术。本文将重点介绍PWM的原理，并着重介绍正弦脉宽调制（Sinusoidal- PWM)的原理以及SPWM波形的实现方法。日常生活中PWM技术常用于电压型逆变器，因为它可消除或减小低次谐波，减小滤波器体积，有利于产品的小型化和低成本，所以被广泛使用。而SPWM方式的逆变器因谐波分量更小，应用则更加广泛。

2 SPWM的原理

2.1 PWM的原理

脉宽调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。脉冲宽度调制波通常由一列占空比不同的矩形脉冲构成，其占空比与信号的瞬时采样值成比例。图2所示为脉冲宽度调制系统的原理框图和波形图。该系统有一个比较器和一个周期为Ts的锯齿波发生器组成。语音信号如果大于锯齿波信号，比较器输出正常数A，否则输出0。因此，从图1中可以看出，比较器输出一列下降沿调制的脉冲宽度调制波。

2.2 SPWM的原理

所谓SPWM，就是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规律排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。SPWM（Sinusoidal PWM）法是一种比较成熟的，目前使用较广泛的PWM法。如图2所示：我们把一个正弦半波分成N（N=6）等份，然后把正弦半波看成是由N（N=6）个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果我们把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，矩形脉冲和相应正弦部分面积（冲量）相等，就得到如图（b）所示的脉冲序列，这就是SPWM波形。

3 SPWM波形实现方法

3.1 SPWM波形实现方法

3.1.1 等面积法

等面积法方案直接阐述解释了SPWM法的原理，先将正弦波用数量相等的同幅度不同宽度的矩形脉冲序列代替，再将脉冲之间的间隔与宽度计算出来，将结果储存在计算机，根据这些数据生成PWM信号，以此来控制开关的开合，实现最终目的。这种方法的优点是对于各开关开合的时刻计算的非常准确，因为它的出发点是基于SPWM的基本原理，最终得到的波形与正弦波也比较接近。缺点是由于大量的数据信息所产生的繁琐的计算过程，在实时控制问题上存在弊端。

3.1.2 硬件调制法

此方法的提出是由于等面积法的缺点计算过程繁琐，通过硬件调制法来解决这个问题。它的原理是：首先以预想的波形当做调制信号，其次它的载波就是接受调制的信号，最后使调制载波产生预期的PWM波形。一般载波是采用等腰三角形的，最后需要的SPWM波形就是当调制信号波为正弦波的时候。它实现起来比较容易，将三角形载波以及正弦调制波产生电路来构成模拟电路，它们的交点可以用比较器来确定，对开关器件的通断控制就是在其交点时刻，这样就会形成SPWM波。但对其不容易实现精确控制，主要是由于此种模拟电路结构很复杂。

3.1.3 软件生成法

因微机技术发展比较快，因此很容易用软件生成SPWM波，从而这种软件生成法就随之诞生了。其实软件生成法就是利用软件来实现调制的方法，它有两种基本算法，也就是自然采样法以及规则采样法。

①自然采样法

自然采样法其实就是在两个波形的自然交点时刻，来对控制开关器件的通断进行控制，这种方法的优点很明显，就是所得到的SPWM波是最接近正弦波的。它主要是把等腰三角形作为载波，然后进行比较。但事实上这种控制是很难实现的，主要是由于三角形与正弦波的交点不是固定的，它有一定的任意性，脉冲中心在一个周期内是不等距的，造成脉宽表达式是一个超越方程，不容易计算，很繁琐。

②规则采样法

规则采样法实现对阶梯波和正弦波的交点时刻的开关控制器的控制，它的原理是用三角波对正弦波进行采样，先得到阶梯波，然后再对阶梯波和正弦波的交点时刻的开关控制器的控制，其载波是三角波，这个方法在实际工程中比较实用，应用比较广泛。

3.1.4 低次谐波消去法

低次谐波消去法是以消去PWM波形中某些主要的低次谐波为目的的方法。其原理是对输出电压波形按傅氏级数展开，表示为uωt=ansinnωt，首先确定基波分量a1的值，再令两个不同的an=0，就可以建立三个方程，联立求解得a1，a2及a3，这样就可以消去两个频率的谐波。

此种方法仅管能够很好地消除所指定的低次谐波，但是余下的不能消去的较低次谐波的幅值可能会有很大一部分，更重要的是同样存在着计算复杂这一不足。

3.1.5 梯形波与三角波比较法

这种方法是对梯形波和三角波的交点时刻来对开关器件的通断进行控制，来实现PWM控制，在这种方法里，三角波是作为载波的，调制信号是梯形波。

由于当梯形波幅值和三角波幅值相等时，其所含的基波分量幅值已超过了三角波幅值，从而可以有效地提高直流电压利用率。但由于梯形波本身含有低次谐波，所以输出波形中含有5次，7次等低次谐波。

3.2 SPWM波形实现方法举例

我们在用模拟电路产生等幅不等宽脉冲的方法中，通常采用所需的正弦波（称为调制波）与三角波（称为载波）相交的办法来确定各分段矩形脉冲的宽度。之所以我们要采用等腰三角波，是因为等腰三角波的上下宽度与高度成线性关系，并且左右对称，当它与一个光滑的曲线相交时，即可得到一组脉冲宽度正比于该曲线函数值的矩形脉冲。SPWM波形如图3所示：用正弦波和等腰三角波相交点得到一组等幅矩形脉冲，其宽度按正弦规律变化。

其中当正弦值最大时，脉冲的宽度也是最大值，但是脉冲间的间隔却是最小的，相反，当正弦值相对较小时，脉冲的宽度也就变小，脉冲间的间隔便会增大。

参考文献：

[1]杨素行.模拟电子技术基础简明教程（第二版）.北京：高等教育出版社，1997.

[2]王维平.现代电力电子技术及应用.福建：东南大学出版社，2001.

[3]任国海.电力电子技术.杭州：浙江大学出版社，2009.

[4]刘志刚.电力电子学.北京：清华大学出版社，2004.

[5]徐立娟.电力电子技术.北京：高等教育出版社，2006.