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摘要：这篇文章主要是从脉宽调制（即PWM）技术入手，从而进一步引出正弦脉宽（SPWM）技术。文章分别介绍了PWM的原理、SPWM的原理、SPWM波形的实现方法、SPWM波在用模拟电路中的产生方法、SPWM波的分类以及简单的波形分析。
关键词:PWM；SPWM波；SPWM波的产生方法；单极性SPWM波；双极性SPWM波。
1 引言
电力电子技术是应用于电力领域的电子技术，它是利用电力电子器件对电能进行变换和控制的新兴学科。目前所用的电力电子器件采用半导体制成，故称电力半导体器件。信息电子技术主要用于信息处理，而电力电子技术则主要用于电力变换。电力电子技术包括电力电子器件、变流电路和控制技术三个部分。电力电子器件的制造和应用技术为核心。
2 SPWM的原理
2.1 SPWM的原理
所谓SPWM，就是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规律排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。SPWM（Sinusoidal PWM）法是一种比较成熟的，目前使用较广泛的PWM法。如图1所示：我们把一个正弦半波分成N（N=6）等份，然后把正弦半波看成是由N（N=6）个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果我们把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，矩形脉冲和相应正弦部分面积（冲量）相等，就得到如图（b）所示的脉冲序列，这就是SPWM波形。
从图中可以看出，各脉冲的宽度是按正弦规律变化的，根据冲量相等效果相同的原理，SPWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的副半周，也可以用同样的方法得到SPWM波形。
3 SPWM波形实现方法
3.1 SPWM波形实现方法
⑴ 等面积法
该方案实际上就是SPWM法原理的直接阐释，用同样数量的等幅不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波，然后计算各脉冲的宽度和间隔，并把这些数据存于微机中，通过查表的方式生成PWM信号控制开关器件的通断，以达到预期的目的。由于此方法是以SPWM控制的基本原理为出发点,可以准确地计算出各开关器件的通断时刻,其所得的的波形很接近正弦波,但其存在计算繁琐,数据占用内存大,不能实时控制的缺点.
⑵ 硬件调制法
硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的，其原理就是把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作为载波，当调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。其实现方法比较简单，可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对开关器件的通断控制，就可以生成SPWM波。但是，这种模拟电路结构复杂，难以实现精确地控制。
⑶ 软件生成法
由于微机技术的发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易，因此，软件生成法也就应运而生。软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法，其实有两种基本算法，即自然采样法和规则采样法。
⑷ 低次谐波消去法
低次谐波消去法是以消去PWM波形中某些主要的低次谐波为目的的方法.其原理是对输出电压波形按傅氏级数展开,表示为,首先确定基波分量的值,再令两个不同的a=0,就可以建立三个方程,联立求解得,及,这样就可以消去两个频率的谐波.
该方法虽然可以很好地消除所指定的低次谐波,但是,剩余未消去的较低次谐波的幅值可能会相当大,而且同样存在计算复杂的缺点.该方法同样只适用于同步调制方式中.
⑸ 梯形波与三角波比较法
前面所介绍的各种方法主要是以输出波形尽量接近正弦波为目的,从而忽视了直流电压的利用率,如SPWM法,其直流电压利用率仅为86.6%.因此,为了提高直流电压利用率,提出了一种新的方法--梯形波与三角波比较法.该方法是采用梯形波作为调制信号,三角波为载波,且使两波幅值相等,以两波的交点时刻控制开关器件的通断实现PWM控制.
由于当梯形波幅值和三角波幅值相等时,其所含的基波分量幅值已超过了三角波幅值,从而可以有效地提高直流电压利用率.但由于梯形波本身含有低次谐波,所以输出波形中含有5次,7次等低次谐波.
虽然SPWM波形产生的方法有很多种，但较典型的主要有:对称规则采样法、不对称规则采样法和平均对称规则采样法三种。
3.2 SPWM波形实现方法举例
我们在用模拟电路产生等幅不等宽脉冲的方法中，通常采用所需的正弦波（称为调制波）与三角波（称为载波）相交的办法来确定各分段矩形脉冲的宽度。为什
么采用等腰三角波呢？是因为等腰三角波上下宽度与高度成线性关系且左右对称，当它与一个光滑的曲线相交时，即可得到一组脉冲宽度正比于该曲线函数值的矩形脉冲。SPWM波形为正弦波和等腰三角波相交点得到一组等幅矩形脉冲，其宽度按正弦规律变化。
4 SPWM波主电路中的调制电路分析
不管是单极性SPWM波还是双极性SPWM波，其中调制波正弦波在模拟电路中通常是由RC串并联电路得到，并且为了得到稳定的震荡波形，需满足以下条件:①电路的振荡频率；②起振条件>3；③。
由SPWM波产生电路可知，调制波正弦波和载波等腰三角波需要通过一个比较电路，才能得到等高而不等宽的脉冲序列。
5结束语
电力电子技术发展到今天，经历了从无到有的过程。如今电力电子技术应用非常广泛，军事国防、工业交通、农业、商业和文体、医药等，以致家用电器无不渗透着电力电子技术的新成就。为了赶上科技发展的速度，我们应该好好学习电力电子技术。而SPWM技术作为电力电子技术重要的组成部分，在电力电子变换器和逆变器等领域发挥重要的作用，我们应该重点掌握以及学习。
参考文献：
[1]杨素行.模拟电子技术基础简明教程（第二版）.北京：高等教育出版社，1997.
[2]王维平.现代电力电子技术及应用.福建：东南大学出版社，2001.
[3]任国海.电力电子技术.杭州：浙江大学出版社，2009.
关键词:PWM；SPWM波；SPWM波的产生方法；单极性SPWM波；双极性SPWM波。
1 引言
电力电子技术是应用于电力领域的电子技术，它是利用电力电子器件对电能进行变换和控制的新兴学科。目前所用的电力电子器件采用半导体制成，故称电力半导体器件。信息电子技术主要用于信息处理，而电力电子技术则主要用于电力变换。电力电子技术包括电力电子器件、变流电路和控制技术三个部分。电力电子器件的制造和应用技术为核心。
2 SPWM的原理
2.1 SPWM的原理
所谓SPWM，就是在PWM的基础上改变了调制脉冲方式，脉冲宽度时间占空比按正弦规律排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。SPWM（Sinusoidal PWM）法是一种比较成熟的，目前使用较广泛的PWM法。如图1所示：我们把一个正弦半波分成N（N=6）等份，然后把正弦半波看成是由N（N=6）个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果我们把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，矩形脉冲和相应正弦部分面积（冲量）相等，就得到如图（b）所示的脉冲序列，这就是SPWM波形。
从图中可以看出，各脉冲的宽度是按正弦规律变化的，根据冲量相等效果相同的原理，SPWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的副半周，也可以用同样的方法得到SPWM波形。
3 SPWM波形实现方法
3.1 SPWM波形实现方法
⑴ 等面积法
该方案实际上就是SPWM法原理的直接阐释，用同样数量的等幅不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波，然后计算各脉冲的宽度和间隔，并把这些数据存于微机中，通过查表的方式生成PWM信号控制开关器件的通断，以达到预期的目的。由于此方法是以SPWM控制的基本原理为出发点,可以准确地计算出各开关器件的通断时刻,其所得的的波形很接近正弦波,但其存在计算繁琐,数据占用内存大,不能实时控制的缺点.
⑵ 硬件调制法
硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的，其原理就是把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作为载波，当调制信号波为正弦波时，所得到的就是SPWM波形。其实现方法比较简单，可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对开关器件的通断控制，就可以生成SPWM波。但是，这种模拟电路结构复杂，难以实现精确地控制。
⑶ 软件生成法
由于微机技术的发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易，因此，软件生成法也就应运而生。软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法，其实有两种基本算法，即自然采样法和规则采样法。
⑷ 低次谐波消去法
低次谐波消去法是以消去PWM波形中某些主要的低次谐波为目的的方法.其原理是对输出电压波形按傅氏级数展开,表示为,首先确定基波分量的值,再令两个不同的a=0,就可以建立三个方程,联立求解得,及,这样就可以消去两个频率的谐波.
该方法虽然可以很好地消除所指定的低次谐波,但是,剩余未消去的较低次谐波的幅值可能会相当大,而且同样存在计算复杂的缺点.该方法同样只适用于同步调制方式中.
⑸ 梯形波与三角波比较法
前面所介绍的各种方法主要是以输出波形尽量接近正弦波为目的,从而忽视了直流电压的利用率,如SPWM法,其直流电压利用率仅为86.6%.因此,为了提高直流电压利用率,提出了一种新的方法--梯形波与三角波比较法.该方法是采用梯形波作为调制信号,三角波为载波,且使两波幅值相等,以两波的交点时刻控制开关器件的通断实现PWM控制.
由于当梯形波幅值和三角波幅值相等时,其所含的基波分量幅值已超过了三角波幅值,从而可以有效地提高直流电压利用率.但由于梯形波本身含有低次谐波,所以输出波形中含有5次,7次等低次谐波.
虽然SPWM波形产生的方法有很多种，但较典型的主要有:对称规则采样法、不对称规则采样法和平均对称规则采样法三种。
3.2 SPWM波形实现方法举例
我们在用模拟电路产生等幅不等宽脉冲的方法中，通常采用所需的正弦波（称为调制波）与三角波（称为载波）相交的办法来确定各分段矩形脉冲的宽度。为什
么采用等腰三角波呢？是因为等腰三角波上下宽度与高度成线性关系且左右对称，当它与一个光滑的曲线相交时，即可得到一组脉冲宽度正比于该曲线函数值的矩形脉冲。SPWM波形为正弦波和等腰三角波相交点得到一组等幅矩形脉冲，其宽度按正弦规律变化。
4 SPWM波主电路中的调制电路分析
不管是单极性SPWM波还是双极性SPWM波，其中调制波正弦波在模拟电路中通常是由RC串并联电路得到，并且为了得到稳定的震荡波形，需满足以下条件:①电路的振荡频率；②起振条件>3；③。
由SPWM波产生电路可知，调制波正弦波和载波等腰三角波需要通过一个比较电路，才能得到等高而不等宽的脉冲序列。
5结束语
电力电子技术发展到今天，经历了从无到有的过程。如今电力电子技术应用非常广泛，军事国防、工业交通、农业、商业和文体、医药等，以致家用电器无不渗透着电力电子技术的新成就。为了赶上科技发展的速度，我们应该好好学习电力电子技术。而SPWM技术作为电力电子技术重要的组成部分，在电力电子变换器和逆变器等领域发挥重要的作用，我们应该重点掌握以及学习。
参考文献：
[1]杨素行.模拟电子技术基础简明教程（第二版）.北京：高等教育出版社，1997.
[2]王维平.现代电力电子技术及应用.福建：东南大学出版社，2001.
[3]任国海.电力电子技术.杭州：浙江大学出版社，2009.