CN102315842A - 单极正弦脉冲宽度调制spwm方法和单极spwm电路 - Google Patents

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张先谋
窦伟
穆德实
许洪华
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本发明提供了一种单极正弦脉冲宽度调制方法和单极SPWM电路，通过将两路幅值相同相位相反的正弦波信号分别与三角波比较得到PWM信号，同时将PWM信号比较器和过零比较功能组合，共用一个比较器，因此不再需要精密整流电路，而且在一个桥臂即有高频信号也有低频信号从而取消了多路开关。通过本发明，利用简洁的逻辑实现了单极SPWM调制，消除了常规单极SPWM调制所需的复杂的逻辑判断，增加了可靠性。

Description

单极正弦脉冲宽度调制SPWM方法和单极SPWM电路
技术领域
本发明涉及一种SPWM调制方法，更具体而言涉及一种单极SPWM方法和单极SPWM电路。
背景技术
目前，正弦波逆变电源的控制方式有delta型PWM控制、特定消谐PWM控制、和SPWM调制等几种方式，SPWM调制方式由于具有开关频率恒定、谐波小等优点被广泛应用，SPWM调制方法中又分为双极性SPWM调制和单极性SPWM调制方式。单极性SPWM调制具有开关损耗小、谐波失真低等优点，但是目前的实现方法均过于复杂。
现有技术如图1所示，电路包括：正弦波信号发生器110，精密整流器120，正向三角波信号发生器130，比较器140，多路开关150，过零比较器160，反相器170，放大器180等构成。该电路驱动信号ug1、ug2为低频臂信号，ug3、ug4为高频臂信号，每半个周期高频臂信号就需切换一次，造成结构复杂，稳定性较差，而且存在过零点震荡问题。
现有技术有如下特点：
①均包含精密整流电路，需将正弦波整流成二倍基频的馒头波，由于现有运算放大器频率响应特性、温漂，及正负半周电路相移不一致的原因，该环节存在馒头波的波头不一致，存在直流分量的缺点。
②均采用低频臂和高频臂结构，一个桥臂由和正弦波同频的方波去驱动，该方波一般采用过零比较器形成。
③高频臂上下半桥每半个周期需由多路开关切换一次。
上述三个环节是导致电路结构复杂和电路运行稳定性下降的主要原因。
发明内容
本发明的目的是克服现有单极SPWM调制实现过于复杂、繁琐的缺点，提出一种单极SPWM调制实现方法，本发明更加简洁、可靠。
本发明由正向载波信号发生器221(三角波信号发生器)、弦波发生器222(正弦波信号发生器)、比较器240(两个桥臂的比较器)和脉冲信号调理部分260(两个桥臂的放大器和两个桥臂的反相器)等构成。
两个桥臂的SPWM信号分别由相位相反的正弦波与正向载波比较得到驱动脉冲信号，脉冲信号在经放大器和反相器后作为桥臂驱动信号。
根据本发明，提供一种单极正弦脉冲宽度调制(SPWM)电路，包括：正弦波信号发生器(310)、反相放大器(320，R1，R2，R3)、正向三角波信号发生器(330)、第一比较器(341)和第二比较器(342)、第一放大器(351)和第二放大器(352)，以及第一反相器(361)和第二反相器(362)：将正弦波发生器(310)发出的正弦波信号与经反相放大器(320，R1，R2，R3)反相的正弦波信号分别送入第一和第二比较器(341，342)的输入“+”端；将三角波信号发生器330所发出的正向三角波分别送入第一和第二比较器(341，342)的输入“-”端；所述第一和第二比较器(341，342)输出的电平经第一和第二放大器(351，252)与第一和第二反相器(361，262)之后直接生成所需的SPWM调制脉冲(ug1，ug2，ug3，ug4)。
根据本发明的优选实施例，所述正弦波信号发生器(310)分别与第一比较器(341)的正相输入端，反相放大器(320，R1，R2，R3)的负相输入端相连；反相放大器(320，R1，R2，R3)的输出端与第二比较器(342)的正相输入端相连，其负相输入端与正弦波信号发生器(310)相连，正相输入端接地；正向三角波发生器(330)分别与第一比较器(341)和第二比较器(342)的反相输入端相连；第一比较器(341)的输出端分别与第一放大器(351)和第一反相器(361)的输入端相连；第二比较器(342)的输出端分别与第二放大器(352)和第二反相器(362)的输入端相连。
根据本发明的优选实施例，其中：第一放大器(351)输出第一门极电压(ug4)；第一反相器(361)输出第二门极电压(ug3)；第二放大器(352)输出第三门极电压(ug2)；第二反相器(362)输出第四门极电压(ug1)；所述第一、第二、第三、第四门极电压(ug4，ug3，ug2，ug1)构成所述SPWM电路的SPMW调制波输出。
根据本发明的优选实施例，所述第一比较器(314)和第二比较器(342)分别将来自正向三角波发生器(330)的三角波与来自正弦波信号发生器(310)和反相放大器(320，R1，R2，R3)的两路幅值相同相位相反的正弦波比较，得到两个桥臂的SPWM脉冲信号。
根据本发明的优选实施例，正弦波信号发生器(310)发出正弦波信号与第一比较器(341)的正相输入端相连作为第一桥臂，输出第一桥臂的SPWM脉冲信号的调制波；同时正弦波信号发生器(310)又与反相放大器(320，R1，R2，R3)的输入端相连，反相放大器(320，R1，R2，R3)输出与正弦波信号发生器(310)幅值相同相位相反的正弦波信号与第二比较器(342)正相输入端相连作为第二桥臂，输出第二桥臂的SPWM脉冲信号的调制波；所述第一桥臂和第二桥臂输出的SPWM脉冲信号的调制波相位彼此相反。
根据本发明的优选实施例，所述反相放大器(320，R1，R2，R3)由运算放大器(320)和电阻R1、R2、R3构成，其中：R1＝R3，R2＝R1//R3；电阻R1一端与正弦波信号发生器(310)的输出端相连，另一端与运算放大器(320)的反相输入端和R3相连；电阻R2一端与运算放大器(320)的正相输入端相连，另一端与接地；电阻R3的一端与R1和运算放大器(320)的反相输入端相连，另一端与运算放大器(320)的输出端相连。
根据本发明，还提供一种单极正弦脉冲宽度调制(SPWM)方法，包括：通过将两路幅值相同相位相反的正弦波信号分别与三角波比较得到PWM信号；将第一路比较得到的信号分别经过反相和放大得到相应的SPWM调制脉冲(ug2，ug4)；将第二路比较得到的信号分别经过反相和放大得到相应的SPWM调制脉冲(ug1，ug3)。
根据本发明，也提供另一种单极正弦脉冲宽度调制(SPWM)方法，包括：将正弦波发生器(310)发出的正弦波信号与经反相放大器(320)反相的正弦波信号分别送入第一和第二比较器(341，342)的输入“+”端；将三角波信号发生器330所发出的正向三角波分别送入第一和第二比较器(341，342)的输入“-”端；所述第一和第二比较器(341，342)输出的电平经第一和第二放大器(351，252)与第一和第二反相器(361，262)之后直接生成所需的SPWM调制脉冲(ug1，ug2，ug3，ug4)。
本发明利用简洁的逻辑实现了单极SPWM调制，消除了常规单极SPWM调制所需的复杂的逻辑判断，增加了可靠性。并且，通过将两路幅值相同相位相反的正弦波信号分别与三角波比较得到PWM信号，同时将PWM信号比较器和过零比较功能组合，共用一个比较器，因此不再需要精密整流电路，而且在一个桥臂即有高频信号也有低频信号从而取消了多路开关。
虽然在下文中将结合一些示例性实施及使用方法来描述本发明，但本领域技术人员应当理解，并不旨在将本发明限制于这些实施例。反之，旨在覆盖包含在所附的权利要求书所定义的本发明的精神与范围内的所有替代品、修正及等效物。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1是现有的单极SPWM调制电路原理图；
图2是本发明的基本原理图；
图3是本发明的一个动作时序图；
图4是本发明的单极SPWM电路的结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。需要注意的是，根据本发明的SPWM电路和SPWM方法的实施方式仅仅作为例子，但本发明不限于该具体实施方式。
图2示出了本发明基本原理。本发明的SPWM电路由正向载波信号发生器221(三角波信号发生器)、正弦波发生器222、比较器240(两个桥臂的比较器)和脉冲信号调理部分260(两个桥臂的放大器和两个桥臂的反相器)等构成。
两个桥臂的SPWM信号分别由相位相反的正弦波与正向载波比较得到驱动脉冲信号，脉冲信号在经放大器和反相器后作为桥臂驱动信号。
图3示出了本发明的一个动作时序。如图3所示，一路正弦波信号和三角波比较，在正半周期内，正弦波与三角波的相交点，可得到一组控制变换器开关变换的驱动脉冲，该脉冲分别经放大器和反相器之后分别驱动一组功率桥臂的上管和下管工作。同时，另一组桥臂，由正弦波负半周和三角波比较，比较器输出低电平，该低电平分别经放大器和反相器驱动后将上桥臂关闭，下桥臂导通。两组桥臂共同输出一组正弦波脉冲。
如图4所示，本发明SPWM调制方法由正弦波信号发生器310，反相放大器320，正向载波信号发生器330，比较器341、342，放大器351、352，反相器361、362等构成。
正弦波发生器310发出的正弦波信号与经反相放大器320反相的正弦波信号分别送入两路比较器341、342的输入“+”端，三角波信号发生器330所发出的正向三角波分别送入两路比较器341、342的输入“-”端，比较器输出的电平分别经放大器351、352和反相器361、362之后，直接生成所需的四路SPWM调制脉冲信号。
通过两路相位相反的正弦波信号和三角波比较得到PWM信号，同时将PWM信号比较器和过零比较功能组合，公用一个比较器，因此不再需要精密整流电路，而且在一个桥臂即有高频信号也有低频信号从而取消了多路开关。
根据本发明的一个优选实施例，所述单极正弦脉冲宽度调制(SPWM)电路，包括：正弦波信号发生器(310)、反相放大器(320，R1，R2，R3)、正向三角波信号发生器(330)、第一比较器(341)和第二比较器(342)、第一放大器(351)和第二放大器(352)，以及第一反相器(361)和第二反相器(362)：将正弦波发生器(310)发出的正弦波信号与经反相放大器(320，R1，R2，R3)反相的正弦波信号分别送入第一和第二比较器(341，342)的输入“+”端；将三角波信号发生器330所发出的正向三角波分别送入第一和第二比较器(341，342)的输入“-”端；所述第一和第二比较器(341，342)输出的电平经第一和第二放大器(351，252)与第一和第二反相器(361，262)之后直接生成所需的SPWM调制脉冲(ug1，ug2，ug3，ug4)。
如图4所示，所述正弦波信号发生器(310)分别与第一比较器(341)的正相输入端，反相放大器(320，R1，R2，R3)的负相输入端相连；反相放大器(320，R1，R2，R3)的输出端与第二比较器(342)的正相输入端相连，其负相输入端与正弦波信号发生器(310)相连，正相输入端接地；正向三角波发生器(330)分别与第一比较器(341)和第二比较器(342)的反相输入端相连；第一比较器(341)的输出端分别与第一放大器(351)和第一反相器(361)的输入端相连；第二比较器(342)的输出端分别与第二放大器(352)和第二反相器(362)的输入端相连。
在本发明中，第一放大器(351)输出第一门极电压(ug4)；第一反相器(361)输出第二门极电压(ug3)；第二放大器(352)输出第三门极电压(ug2)；第二反相器(362)输出第四门极电压(ug1)；所述第一、第二、第三、第四门极电压(ug4，ug3，ug2，ug1)构成所述SPWM电路的SPMW调制波输出。
根据本发明的优选实施例，所述第一比较器(314)和第二比较器(342)分别将来自正向三角波发生器(330)的三角波与来自正弦波信号发生器(310)和反相放大器(320，R1，R2，R3)的两路幅值相同相位相反的正弦波比较，得到两个桥臂的SPWM脉冲信号。
如图4所示，正弦波信号发生器(310)发出正弦波信号与第一比较器(341)的正相输入端相连作为第一桥臂，输出第一桥臂的SPWM脉冲信号的调制波；同时正弦波信号发生器(310)又与反相放大器(320，R1，R2，R3)的输入端相连，反相放大器(320，R1，R2，R3)输出与正弦波信号发生器(310)幅值相同相位相反的正弦波信号与第二比较器(342)正相输入端相连作为第二桥臂，输出第二桥臂的SPWM脉冲信号的调制波；所述第一桥臂和第二桥臂输出的SPWM脉冲信号的调制波相位彼此相反。
在图4中可以看出，所述反相放大器(320，R1，R2，R3)由运算放大器(320)和电阻R1、R2、R3构成，其中：R1＝R3，R2＝R1//R3；电阻R1一端与正弦波信号发生器(310)的输出端相连，另一端与运算放大器(320)的反相输入端和R3相连；电阻R2一端与运算放大器(320)的正相输入端相连，另一端与接地；电阻R3的一端与R1和运算放大器(320)的反相输入端相连，另一端与运算放大器(320)的输出端相连。
根据本发明，还提供一种单极正弦脉冲宽度调制(SPWM)方法，包括：通过将两路幅值相同相位相反的正弦波信号分别与三角波比较得到PWM信号；将第一路比较得到的信号分别经过反相和放大得到相应的SPWM调制脉冲(ug2，ug4)；将第二路比较得到的信号分别经过反相和放大得到相应的SPWM调制脉冲(ug1，ug3)。
根据本发明，也提供另一种单极正弦脉冲宽度调制(SPWM)方法，包括：将正弦波发生器(310)发出的正弦波信号与经反相放大器(320)反相的正弦波信号分别送入第一和第二比较器(341，342)的输入“+”端；将三角波信号发生器330所发出的正向三角波分别送入第一和第二比较器(341，342)的输入“-”端；所述第一和第二比较器(341，342)输出的电平经第一和第二放大器(351，252)与第一和第二反相器(361，262)之后直接生成所需的SPWM调制脉冲(ug1，ug2，ug3，ug4)。
与常规单极SPWM调制电路和调制方法相比本发明带来了以下几个优点：
①正弦波发生器所发出的正弦波，仅需要做一次反相就可以与原正弦波一起作为调制波送入后面的比较器，而无需精密整流电路，信号调理少，失真小，电路结构简单；
②利用正弦波与正向三角波比较形成的自然过零点，将常规单极SPWM调制电路所需的过零比较器与脉宽调制比较器相结合，取消了基频过零比较器。这样的好处是，简化了结构，提高了可靠性，避免了双重比较器造成的过零点漂移误差和震荡问题，使过零点脉冲自然过渡。
③将常规单极SPWM调制方式的分高频臂、低频臂的方式改为两个桥臂的下桥臂每半基频周期轮流导通的方式。这样的好处是，第一，各桥臂功率管耗散功率平衡，没有集中热应力，第二，可以采用自举驱动电路驱动功率管，使驱动结构简单、降低成本；同时，取消了常规单极SPWM调制方式的多路开关电路，使信号连接更加简单可靠。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种单极正弦脉冲宽度调制(SPWM)电路，包括：正弦波信号发生器(310)、反相放大器(320，R1，R2，R3)、正向三角波信号发生器(330)、第一比较器(341)和第二比较器(342)、第一放大器(351)和第二放大器(352)，以及第一反相器(361)和第二反相器(362)，其特征在于：
将正弦波发生器(310)发出的正弦波信号与经反相放大器(320，R1，R2，R3)反相的正弦波信号分别送入第一和第二比较器(341，342)的输入“+”端；将三角波信号发生器330所发出的正向三角波分别送入第一和第二比较器(341，342)的输入“-”端；所述第一和第二比较器(341，342)输出的电平经第一和第二放大器(351，252)与第一和第二反相器(361，262)之后直接生成所需的SPWM调制脉冲(ug1，ug2，ug3，ug4)。
2.根据权利要求1的单极SPWM电路，其中：
正弦波信号发生器(310)分别与第一比较器(341)的正相输入端，反相放大器(320，R1，R2，R3)的负相输入端相连；
反相放大器(320，R1，R2，R3)的输出端与第二比较器(342)的正相输入端相连，其负相输入端与正弦波信号发生器(310)相连，正相输入端接地；
正向三角波发生器(330)分别与第一比较器(341)和第二比较器(342)的反相输入端相连；
第一比较器(341)的输出端分别与第一放大器(351)和第一反相器(361)的输入端相连；
第二比较器(342)的输出端分别与第二放大器(352)和第二反相器(362)的输入端相连。
3.根据权利要求2的单极SPWM电路，其中：
第一放大器(351)输出第一门极电压(ug4)；
第一反相器(361)输出第二门极电压(ug3)；
第二放大器(352)输出第三门极电压(ug2)；
第二反相器(362)输出第四门极电压(ug1)；
所述第一、第二、第三、第四门极电压(ug4，ug3，ug2，ug1)构成所述SPWM电路的SPMW调制波输出。
4.根据权利要求1的单极SPWM电路，其特征在于：
所述第一比较器(314)和第二比较器(342)分别将来自正向三角波发生器(330)的三角波与来自正弦波信号发生器(310)和反相放大器(320，R1，R2，R3)的两路幅值相同相位相反的正弦波比较，得到两个桥臂的SPWM脉冲信号。
5.根据权利要求1的单极SPWM电路，其中：
正弦波信号发生器(310)发出正弦波信号与第一比较器(341)的正相输入端相连作为第一桥臂，输出第一桥臂的SPWM脉冲信号的调制波；
同时正弦波信号发生器(310)又与反相放大器(320，R1，R2，R3)的输入端相连，反相放大器(320，R1，R2，R3)输出与正弦波信号发生器(310)幅值相同相位相反的正弦波信号与第二比较器(342)正相输入端相连作为第二桥臂，输出第二桥臂的SPWM脉冲信号的调制波；
所述第一桥臂和第二桥臂输出的SPWM脉冲信号的调制波相位彼此相反。
6.根据权利要求1所述的单极SPWM控制电路，其特征在于所述反相放大器(320，R1，R2，R3)由运算放大器(320)和电阻R1、R2、R3构成，其中：R1＝R3，R2＝R1//R3；
电阻R1一端与正弦波信号发生器(310)的输出端相连，另一端与运算放大器(320)的反相输入端和R3相连；
电阻R2一端与运算放大器(320)的正相输入端相连，另一端与接地；
电阻R3的一端与R1和运算放大器(320)的反相输入端相连，另一端与运算放大器(320)的输出端相连。
7.一种单极正弦脉冲宽度调制(SPWM)方法，包括：
通过将两路幅值相同相位相反的正弦波信号分别与三角波比较得到PWM信号；
将第一路比较得到的信号分别经过反相和放大得到相应的SPWM调制脉冲(ug2，ug4)；
将第二路比较得到的信号分别经过反相和放大得到相应的SPWM调制脉冲(ug1，ug3)。
8.一种单极正弦脉冲宽度调制(SPWM)方法，其特征在于：
将正弦波发生器(310)发出的正弦波信号与经反相放大器(320)反相的正弦波信号分别送入第一和第二比较器(341，342)的输入“+”端；
将三角波信号发生器330所发出的正向三角波分别送入第一和第二比较器(341，342)的输入“-”端；
所述第一和第二比较器(341，342)输出的电平经第一和第二放大器(351，252)与第一和第二反相器(361，262)之后直接生成所需的SPWM调制脉冲(ug1，ug2，ug3，ug4)。
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