SPWM应用实例和原理解析

  下图是两电平桥SPWM电路的结构图。该电路采取两电平、三桥臂的主电路模式，采用，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。

  这样就能够获得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。

  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，为了尽最大可能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，这一段时间也常常被称为死区时间。

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

  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。

  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，和同一个参考波作比较，生成控制IGBT动作的开关信号。具体工作方式如下：

  这样就能够获得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：

  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。

  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，和相同的三角波作比较，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。

  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。

  由以上介绍的SPWM可知，对于单独一个子模块的调制，能够获得Vc和0两个电平。为使整体MMC结构正常工作，得到要的正弦电压波形，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。