SPWM全桥逆变开源分享

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在电力电子技术领域，逆变技术是实现电能形式转换的核心手段，广泛应用于新能源发电、电机驱动、不间断电源（UPS）等诸多场景。其中，正弦脉冲宽度调制（SPWM）逆变因能输出接近正弦波的交流电、谐波含量低、控制精度高，成为目前应用最广泛的逆变方式之一。单极性 SPWM 逆变作为 SPWM 技术的重要分支，凭借其独特的工作特性，在中低压、中小功率领域占据着重要地位。本文将从基本概念、工作原理、调制方式、核心优势及应用场景等方面，对单极性 SPWM 逆变技术进行全面解析。

一、拓扑结构

全桥逆变拓扑结构与全桥驱动拓结构一样，由两个半桥和滤波器构成，使用 PWM 调制或者 SPWM 调制实现从直流电逆变到交流正弦。

二、SPWM

SPWM 即正弦脉冲宽度调制，其核心思想是：以频率固定、幅值可变的正弦波作为“调制波”，以频率远高于调制波的等腰三角波作为“载波”，通过将两者进行比较，由比较结果控制功率开关器件的通断，从而生成一系列脉冲宽度按正弦规律变化的方波。这些脉冲波的平均值等效于调制波的正弦波形，最终通过滤波环节即可得到平滑的正弦交流电。

SPWM 的核心量化关系可通过调制比 M 描述，调制比定义为调制波幅值与载波幅值的比值，公式为：

（其中 U _cm为载波幅值）。调制比是决定 SPWM 输出电压有效值的关键参数，当 0≤M≤1 时，输出 SPWM 脉冲波的基波幅值 U _1m与调制比成正比，即

（U_d为直流侧输入电压），此时输出波形为线性调制；当 M >1 时，会进入过调制区域，输出基波幅值增长放缓，谐波含量显著增加，通常实际应用中会控制 M≤1 以保证输出波形质量。

从频谱特性来看，SPWM 脉冲波的谐波主要集中在载波频率 f _c及其附近的边频带（f_c±kf_r，k = 1,2,3…），且低次谐波（如 3 次、5 次、7 次谐波）含量极低。这一特性使得后续滤波环节只需设计针对高频载波谐波的 LC 滤波电路即可，大幅简化了滤波设计难度，滤波后可得到与调制波频率、相位一致的平滑正弦交流电，其有效值

而“单极性”则是针对 SPWM 输出脉冲的极性而言。在单极性 SPWM 逆变中，输出脉冲的极性在半个调制波周期内保持不变，仅在另半个周期内翻转极性。具体来说，在调制波的正半周，输出脉冲始终为正极性，仅脉冲宽度随正弦规律变化；在调制波的负半周，输出脉冲始终为负极性，脉冲宽度同样随正弦规律变化。这一特性与双极性 SPWM 形成鲜明对比——双极性 SPWM 在整个调制波周期内，输出脉冲的极性会随载波的变化不断翻转。

三、单极性 SPWM

SPWM 调制基本原理就是面积等效原理，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。换句话说就是通过一系列形状不同的窄脉冲信号，相对应时间的积分相等(面积相等)，其最终效果相同。所以 SPWM 就是输入一段幅值相等的脉冲序列去等效正弦波，因此输出为高的脉冲时间宽度基本上呈正弦规律变化。

正弦波的正半周期整体如下所示，由图中我们可以知道以下几点：

• 载波 PWM 的周期为T；
• 线段 BO 为当前这个等腰三角形的垂线；
• 线段 BO 与正弦曲线 sin(wt) 相交于点A；
• 所以在该周期内 T₁​=T₂​，PWM 所需要的脉冲时间宽度 T_on 满足：T_on​=T₁​+T₂​

由于三角波为等腰对称结构，垂线 BO 将三角波分为两个全等直角三角形，因此脉冲宽度的两部分满足T_1​=T₂​，最终脉冲有效宽度T_on​=T₁​+T_2​。

根据几何相似性，三角波的幅值比例与时间比例一致，即BO/AO​=T/Ton​​。代入已知条件AO=sin(ωt₀​)、BO=1，可得基础公式：Ton​=T⋅sin(ωt₀​)。

若三角波载波最大幅值不为 1（设为U），则需考虑正弦波与载波的幅值比例，公式修正为：

四、双极性 SPWM

只要符合面积等效原理，PWM 还可以是双极性的，具体如下图所示，这种调制方式叫双极性 SPWM，在实际应用中更为广泛。

五、硬件设计

系统拓扑：

PCB 设计：

六、开源地址：