01

SPWM應用實例和原理解析

應用實例：三相兩電平橋逆變器

下圖是兩電平橋SPWM電路的結構圖。該電路采用兩電平、三橋臂的主電路模式，采用IGBT作為開斷元件，采用二極管構建旁通回路，通過調制SPWM的脈沖控制信號，分別來控制橋式電路中IGBT的通與斷，改變電路的拓撲和更新電路狀態。

兩電平橋SPWM結構

SPWM調制的基本原理：

SPWM調制的基本原理是把正弦調制波與三角形載波進行比較：

當正弦波大于三角波時，給上橋臂導通信號，給下橋臂關斷信號；

當正弦波小于三角波時，給上橋臂關斷信號，給下橋臂導通信號；

這樣就可以得到脈沖寬度按正弦規律變化的和正弦波等效的PWM波形，也稱為SPWM(Sinusoidal PWM)，下圖具體展示如何通過參考波與三角載波比較來生成上橋臂的PWM脈沖。

SPWM相關概念

調制比 （m）：指的是參考正弦波的幅度與三角載波幅度的比值，對于SPWM調制來說，逆變生成的基頻電壓波形的幅度與調制比m和直流電壓Vdc有如下的關系：

死區 ：對于電壓源型的逆變電路，上下橋臂的開關命令是互補的。由于實際的開關器件不是理想的，不能瞬時關斷，為了避免上下橋臂的開關器件同時導通，燒壞器件。需要把每個管子的開通命令稍微延遲一段時間再發出，這個時間也常常被稱為死區時間。

02

SVPWM 原理解析

空間矢量調制方式，簡稱SVPWM，是一種非常常見的三相電壓源變流器PWM控制方式。和SPWM相比，SVPWM可以有效提高DC母線電壓利用率，降低交流側電壓的諧波率等。然而，SVPWM需要更多的計算。

SVPWM基本原理：

• 將參考正弦電壓信號看作一個旋轉矢量。
• 當上橋臂導通下橋臂關斷的時候，將狀態標記為1。
  對于三相電壓源變流器來說，有8個開關矢量，即（000），（100），（110），(010)，(011)，(001)，(101)，(111)。
• 六個矢量 (100)，(110)，(010)，(011)，(001)，(101)將空間平面分割成6個扇區。
  一個參考電壓向量可以看成兩個相鄰的開關矢量的線性疊加。

當參考向量落在扇區1時：

V1代表矢量（100）；V2代表矢量（110）；

上橋臂開關狀態描述如下：

03

NPC 三電平橋PWM 脈沖發生

應用實例：NPC型三電平橋變流器

經典NPC型三電平橋變流器，其電路組成同樣為IGBT模塊，同時加入了鉗位二極管，具體電路模型如上圖。工作過程中，根據電壓的極性和電流的極性，結合控制策略，控制IGBT開關的動作，以達到變流器的工作要求。

PWM調制的基本原理：

NPC型三電平橋常用PWM的脈沖發生方法為 Phase-Disposition SPWM。

對于NPC型變流器，以A相為例，S1和S3兩個IGBT開關方式互補，S2和S4兩個IGBT開關方式互補。為達到控制要求，需要將兩組switch對應的三角波進行上下平移，和同一個參考波進行比較，生成控制IGBT動作的開關信號。具體工作方式如下：

這樣就可以得到脈沖寬度按正弦規律變化的和正弦波等效的PWM波形，如下圖所示：

04

H橋單極性脈沖發生

應用實例：H橋變流器單極性脈沖發生

下圖為一H橋變流器結構，可以將H橋理解為兩個半橋的疊加，S1和S2為一組，S3和S4為1組。

當S1和S4導通，S2和S3阻斷時，VPN=+Vc；

當S2和S3導通，S1和S4阻斷時，VPN=-Vc；

當S1和S3導通，S4和S2阻斷（S4和S2導通，S1和S3阻斷）時，VPN=0。

為達到以上三種工作狀態，對于H橋各IGBT的控制策略按照如下圖右的方式。即：對參考波進行求反，和相同的三角波進行比較，將通斷信號分別輸送給S1、S2、S3、S4，即可達到控制要求。

相比于半橋型變流器，H橋型變流器對DC母線電壓的利用率更高，可以輸出的交流波形峰值Vpeak=Vc，但與此同時，需要的IGBT開關個數相較于半橋型變流器增多了1倍。

工作原理如下圖所示：

05

Phase Shift PWM

應用實例：單相MMC背靠背拓撲

近年來，隨著MMC結構的問世和普遍應用，Phase Shifted PWM（PS-PWM）開始成為必須的PWM調制方式。由于MMC結構開關器件多，控制邏輯復雜，SVPWM在MMC結構中的應用相較于PSPWM已顯現出明顯的不足。例如，邏輯復雜，計算量大，對控制器要求高等。

下圖為一單相MMC背靠背結構，由圖可知，每個MMC的上下橋臂上各有相同的多個子模塊，通過級聯方式連接在一起。從子模塊的結構可知，每一個子模塊可以輸出的電壓V=Vc 或 0。

PS-PWM調制的基本原理：

由以上介紹的SPWM可知，對于單獨一個子模塊的調制，可以得到Vc和0兩個電平。為使整體MMC結構正常工作，得到需要的正弦電壓波形，需要對MMC同一橋臂的各子模塊按移相PWM進行控制。

5-level的MMC 一個橋壁有4個子模塊；PSPWM調制方式所示，一共有4個三角波，每個三角波相位相差90度；每個子模塊對應一個三角波；這四個子模塊對應同一個參考波，參考波和對應三角波比較去控制子模塊的IGBT的開通和關斷，最終產生了階梯狀的類正弦電壓波形。