前面我們聊了PWM(脈沖寬度調制)的基本概念和原理，今天我們來聊一聊PWM逆變電路的諧波，及PWM逆變電路中如何提高直流電壓利用率以及減少開關次數。

1PWM逆變電路諧波分析

載波對正弦信號波調制，會產生和載波有關的諧波分量，這些諧波分量的頻率和幅值是衡量PWM逆變電路性能的重要指標之一。

同步調制我們可以看成異步調制的特殊情況，所以我們只分析異步調制方式的諧波。 以載波周期為基礎，再利用貝塞爾函數可以推導出PWM波的傅里葉級數表達式。 這種分析方法的過程相當復雜，但是結論卻是簡單而又直觀的。

單相橋式PWM逆變電路

輸出電壓頻譜圖如下：

所包含的諧波角頻率為

nωc±kωr

式中，n=1,3,5,... 時，k=0,2,4,...; n=2,4,6,... 時，k=1,3,5,...

其PWM波中不含有低次諧波，只含有角頻率為ωc及其附近的諧波，以及2ωc、3ωc等及其附近的諧波。 幅值最高影響最大的是角頻率為ωc的諧波分量。

三相橋式PWM逆變電路

輸出電壓頻譜圖如下：

分析應用較多的公用載波信號時的情況，在其輸出線電壓 中，所包含的諧波角頻率為

nωc±kωr

式中，n=1，3，5,...時，k=3（2m-1）±1，m=1，2,...;n=2，4，6,...時，k=6m+1，m=0，1,.../k=6m-1，m=1，2,...

不含有低次諧波，載波角頻率ωc整數倍的角頻率沒有了，諧波中幅值較高的是ωc±2ωr和2ωc±ωr。

關于PWM逆變中諧波的幾點小結：

①在實際電路中，由于采樣時刻的誤差以及為避免同一相上下橋臂直通而設置的死區的影響，諧波的分布情況 將更為復雜，諧波含量比理想條件下要多一些，甚至還
會出現少量的低次諧波。

②SPWM波形中所含的諧波主要是角頻率為ωc、2ωc及其附近的諧波，一般情況下ωc>>ωr，是很容易濾除的。

③當調制信號波不是正弦波，而是其它波形時，其諧波由兩部分組成，一部分是對信號波本身進行諧波分析所 得的結果，另一部分是由于信號波對載波的調制而產生
的諧波。

2提高直流電壓利用率和減少開關次數

提高直流電壓利用率、減少開關次數在PWM型逆變電路中是很重要的。

①直流電壓利用率是指逆變電路所能輸出的交流電壓基波最大幅值U1m和直流電壓Ud之比。

②提高直流電壓利用率可以提高逆變器的輸出能力。

③減少功率器件的開關次數可以降低開關損耗。

正弦波調制的三相PWM逆變電路的直流電壓利用率很低。 在調制度a為最大值1時，輸出相電壓的基波幅值為Ud/2，輸出線電壓的基波幅值為(√3/2)Ud，即直流電壓利用率僅為0.866。 實際電路工作時，考慮到功率器件的開通和關斷都需要時間，如不采取其他措施，調制度不可能達到1，實際能得到的直流電壓利用率比0.866還要低。

采用梯形波作為調制信號

當梯形波幅值和三角波幅值相等時，梯形波所含的基波分量幅值已超過了三角波幅值，可以有效地提高直流電壓利用率。 決定功率開關器件通斷的方法和用正弦波作為調制信號波時完全相同; 對梯形波的形狀用三角化率σ=Ut/Uto來描述，其中Ut為以橫軸為底時梯形波的高，Uto為以橫軸為底邊把梯形兩腰延長后相交所形成的三角形的高。

σ=0時梯形波變為矩形波，σ=1時梯形波變為三角波。

σ變化時的δ和直流電壓利用率

σ變化時的各次諧波含量

由于梯形波中含有低次諧波，調制后的PWM波仍含有同樣的低次諧波，設由這些低次諧波(不包括由載波引起的諧波)產生的波形畸變率為б，則三角化率σ不同時，б和直流電壓利用率U1m/Ud也不同。 σ=0.4時，諧波含量也較少，約為3.6%，直流電壓利用率為1.03，綜合效果較好。

用梯形波調制時，輸出波形中含有5次、7次等低次諧波，這是梯形波調制的缺點，實際應用時，可以考慮將正弦波和梯形波結合使用。

線電壓控制方式

目標是使輸出的線電壓波形中不含低次諧波，同時盡可能提高直流電壓利用率，也應盡量減少功率器件的開關次數。

在相電壓正弦波調制信號中疊加適當大小的3次諧波，使之成為鞍形波，
則經過PWM調制后逆變電路輸出的相電壓中也必然包含3次諧波，且三相的三次諧波相位相同，在合成線電壓時，各相電壓的3次諧波相互抵消，線電壓為正弦波。

疊加3次諧波的調制信號

調制信號ur成為鞍形波，基波分量ur1的幅值更大，但ur的最大值不超過三角波載波最大值。 基波ur1正峰值附近恰為3次諧波ur3的負半波，兩者相互抵消。

可以在正弦調制信號中疊加3次諧波外，還可以疊加其他3倍頻于正弦波的信號，也可以再疊加直流分量，這些都不會影響線電壓。