SPWM逆变原理入门通俗解释与基础概念全面指南

一、单相半桥SPWM逆变器电路

(1)拓扑

来看下面这张图，这是一套典型的单相半桥SPWM逆变器电路。它由两个开关管构成，负载并非直接接在两端，而是连接在桥臂中点和直流侧电容器的中点之间。输出端口的电压，也就是我们说的连接电压，整体上是一个脉冲波形，其幅值等于0.5倍的直流母线电压VDC。

(2)输出电压分析

对于单相半桥电路，其输出电压的主要频率成分包含三个部分：基频、开关频率以及两倍的开关频率。通常情况下，开关频率远高于滤波器的截止频率，所以开关频率及其二次谐波都能被比较轻松地过滤掉。因此，在实际分析中，核心的关注点往往落在输出电压的基波分量上。

通过对输出电压进行傅立叶分解，可以推导出输出电压基波的表达式：

二、单相全桥SPWM逆变器电路

(1)拓扑

接下去是单相全桥结构。如下图所示，它由四个开关管构成，负载直接连接在两个桥臂的中点之间。这里的关键区别在于，输出电压（即端口电压）的幅值直接等于VDC，而不是直流母线电压的一半。

(2)输出电压分析

比较一下就能发现，单相全桥和单相半桥电路，在端口电压波形上除了幅值不同之外，本质上没有区别。一个的输出是VDC，另一个是0.5倍的VDC。所以，通过对全桥输出电压进行傅立叶分解，可以得出其基波表达式：

三、三相桥式SPWM逆变电路

(1)拓扑

接下来看一个更常见的三相结构。下图是一个三相桥式SPWM逆变电路，由六个开关管组成。负载连接在各桥臂的中点之间。如果以直流侧电容器的中点为参考电位点，那么输出的相电压是一个幅值为0.5倍VDC的脉冲波形。

(2)输出电压分析

我们需要关注一个细节。直流侧电容器由两个电容串联构成，并且其中点作为电势参考基准。从电路结构上看，三相桥电路可以视为三个单相半桥电路的叠加。唯一的区别在于，三相桥电路的负载与直流电容器的中点n和o之间存在电位差，但最终的表达式的本质是一样的。通过对三相桥输出相电压进行傅立叶分解，可以得到输出相电压的基波表达式：

注意：这里提到的相电压指的是相电压的幅值。

相对应的，输出线电压的表达式为：

四、仿真分析

(1)拓扑

最后用仿真来验证一下。下图展示的是三相桥式SPWM逆变器电路，输出端接上了LC滤波器。当带负载时，负载可以并联在滤波电容两端。设定直流母线电压为700V，输出相电压（即滤波电容两端的电压）幅值目标为210V。

通常我们在计算调制深度时，一个常见的做法是忽略滤波器电感上的分压。但这里需要指出的是，这种做法其实并不准确，尤其在电感电流较大的情况下，误差会非常明显。举个例子，在这个仿真中，电容器电压波形（频率为50Hz，幅值为210V）如下图所示。如果按常规方法，用电容电压幅值除以直流电压的一半，计算结果会是210除以350，等于0.6。

而当电感电压有效值 = 61.23 V时，其频谱分析如下图所示。结果基本与我们的计算方法吻合。可以看出，电感上的电压会随着电感电流的增大而显著增加。这种情况可能导致调制深度必须大于1才能满足输出要求，甚至造成控制器饱和。

再从端口电压的角度做一次频谱分析。如下图所示，端口电压的基波幅值为241V，对应的调制深度为0.68。与仅用电容电压计算出的0.6相比，这种方法显然更精确。因此，在计算调制深度时，必须将电感分压考虑在内。当电感电流较大时，这种影响甚至可能成为决定性的因素。

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