SPWM应用实例和原理解析

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SPWM应用实例和原理解析

应用实例：三相两电平桥逆变器

下图是两电平桥SPWM电路的结构图。该电路采用两电平、三桥臂的主电路模式，采用IGBT作为开断元件，采用二极管构建旁通回路，通过调制SPWM的脉冲控制信号，分别来控制桥式电路中IGBT的通与断，改变电路的拓扑和更新电路状态。

两电平桥SPWM结构

SPWM调制的基本原理：

SPWM调制的基本原理是把正弦调制波与三角形载波进行比较：

当正弦波大于三角波时，给上桥臂导通信号，给下桥臂关断信号；

当正弦波小于三角波时，给上桥臂关断信号，给下桥臂导通信号；

这样就可以得到脉冲宽度按正弦规律变化的和正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM(Sinusoidal PWM)，下图具体展示如何通过参考波与三角载波比较来生成上桥臂的PWM脉冲。

SPWM相关概念

调制比 （m）：指的是参考正弦波的幅度与三角载波幅度的比值，对于SPWM调制来说，逆变生成的基频电压波形的幅度与调制比m和直流电压Vdc有如下的关系：

死区 ：对于电压源型的逆变电路，上下桥臂的开关命令是互补的。由于实际的开关器件不是理想的，不能瞬时关断，为了避免上下桥臂的开关器件同时导通，烧坏器件。需要把每个管子的开通命令稍微延迟一段时间再发出，这个时间也常常被称为死区时间。

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SVPWM 原理解析

空间矢量调制方式，简称SVPWM，是一种非常常见的三相电压源变流器PWM控制方式。和SPWM相比，SVPWM可以有效提高DC母线电压利用率，降低交流侧电压的谐波率等。然而，SVPWM需要更多的计算。

SVPWM基本原理：

• 将参考正弦电压信号看作一个旋转矢量。
• 当上桥臂导通下桥臂关断的时候，将状态标记为1。
  对于三相电压源变流器来说，有8个开关矢量，即（000），（100），（110），(010)，(011)，(001)，(101)，(111)。
• 六个矢量 (100)，(110)，(010)，(011)，(001)，(101)将空间平面分割成6个扇区。
  一个参考电压向量可以看成两个相邻的开关矢量的线性叠加。

当参考向量落在扇区1时：

V1代表矢量（100）；V2代表矢量（110）；

上桥臂开关状态描述如下：

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NPC 三电平桥PWM 脉冲发生

应用实例：NPC型三电平桥变流器

经典NPC型三电平桥变流器，其电路组成同样为IGBT模块，同时加入了钳位二极管，具体电路模型如上图。工作过程中，根据电压的极性和电流的极性，结合控制策略，控制IGBT开关的动作，以达到变流器的工作要求。

PWM调制的基本原理：

NPC型三电平桥常用PWM的脉冲发生方法为 Phase-Disposition SPWM。

对于NPC型变流器，以A相为例，S1和S3两个IGBT开关方式互补，S2和S4两个IGBT开关方式互补。为达到控制要求，需要将两组switch对应的三角波进行上下平移，和同一个参考波进行比较，生成控制IGBT动作的开关信号。具体工作方式如下：

这样就可以得到脉冲宽度按正弦规律变化的和正弦波等效的PWM波形，如下图所示：

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H桥单极性脉冲发生

应用实例：H桥变流器单极性脉冲发生

下图为一H桥变流器结构，可以将H桥理解为两个半桥的叠加，S1和S2为一组，S3和S4为1组。

当S1和S4导通，S2和S3阻断时，VPN=+Vc；

当S2和S3导通，S1和S4阻断时，VPN=-Vc；

当S1和S3导通，S4和S2阻断（S4和S2导通，S1和S3阻断）时，VPN=0。

为达到以上三种工作状态，对于H桥各IGBT的控制策略按照如下图右的方式。即：对参考波进行求反，和相同的三角波进行比较，将通断信号分别输送给S1、S2、S3、S4，即可达到控制要求。

相比于半桥型变流器，H桥型变流器对DC母线电压的利用率更高，可以输出的交流波形峰值Vpeak=Vc，但与此同时，需要的IGBT开关个数相较于半桥型变流器增多了1倍。

工作原理如下图所示：

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Phase Shift PWM

应用实例：单相MMC背靠背拓扑

近年来，随着MMC结构的问世和普遍应用，Phase Shifted PWM（PS-PWM）开始成为必须的PWM调制方式。由于MMC结构开关器件多，控制逻辑复杂，SVPWM在MMC结构中的应用相较于PSPWM已显现出明显的不足。例如，逻辑复杂，计算量大，对控制器要求高等。

下图为一单相MMC背靠背结构，由图可知，每个MMC的上下桥臂上各有相同的多个子模块，通过级联方式连接在一起。从子模块的结构可知，每一个子模块可以输出的电压V=Vc 或 0。

PS-PWM调制的基本原理：

由以上介绍的SPWM可知，对于单独一个子模块的调制，可以得到Vc和0两个电平。为使整体MMC结构正常工作，得到需要的正弦电压波形，需要对MMC同一桥臂的各子模块按移相PWM进行控制。

5-level的MMC 一个桥壁有4个子模块；PSPWM调制方式所示，一共有4个三角波，每个三角波相位相差90度；每个子模块对应一个三角波；这四个子模块对应同一个参考波，参考波和对应三角波比较去控制子模块的IGBT的开通和关断，最终产生了阶梯状的类正弦电压波形。