正弦脉宽调制（SPWM）是逆变器控制的核心技术，双极性与单极性是其两种基本调制方式。二者在波形特征、开关模式、谐波分布及器件应力上存在本质差异，直接影响系统效率、EMI性能和成本。以下从调制机制、输出特性、器件应力、应用场景四个维度进行系统对比。
一、调制机制与波形特征
1.1 双极性SPWM（Bipolar SPWM）
调制原理：在双极性调制中，载波（三角波）与调制波（正弦波）在每个载波周期内进行比较。当调制波幅值高于载波时，输出正母线电压+Vdc；当调制波低于载波时，输出负母线电压-Vdc。在整个基波周期内，输出电压在+Vdc与-Vdc之间高频切换，呈现出双极性跳变特征。
波形特征：输出线电压波形为对称的三电平（+Vdc, 0, -Vdc），但在每个开关周期内，相电压在正负之间切换，呈现出两电平特性。例如，在单相全桥逆变器中，桥臂中点电压在+Vdc与-Vdc之间跳变，频率等于载波频率。
数学表达：输出电压瞬时值为 Vout = Vdc × sign(Vref - Vcarrier)，其中sign为符号函数。
1.2 单极性SPWM（Unipolar SPWM）
调制原理：单极性调制采用双调制波或倍频载波技术。在单相全桥拓扑中，两桥臂采用相位相反的调制波，或采用180°相位差的载波。结果是在输出电压的正半周，桥臂输出在+Vdc与0之间切换；在负半周，在0与-Vdc之间切换。每个载波周期内，输出电压仅在单一极性内变化，不出现正负跳变。波形特征：输出相电压呈现三电平（+Vdc, 0, -Vdc），且正负半周独立调制。线电压为五电平（+2Vdc, +Vdc, 0, -Vdc, -2Vdc），谐波能量更分散。
二、开关模式与器件应力
2.1 开关频率与损耗
双极性调制：每个开关管在每个载波周期都开关一次，开关频率等于载波频率f_sw。若f_sw=10kHz，则每管每秒开关10,000次。开关损耗P_sw = (E_on + E_off) × f_sw，损耗较高。
单极性调制：采用倍频技术后，等效开关频率为2×f_sw，但每管实际开关频率仍为f_sw。例如，载波频率10kHz时，输出电压谐波频率为20kHz，器件应力不增加。在相同开关损耗下，输出波形质量更高。
2.2 电压应力
双极性：开关管关断时承受全母线电压Vdc。在800V系统中，Vds_max=800V，需选1200V器件。
单极性：桥式拓扑中，开关管承受电压为Vdc/2（带中性点钳位）或Vdc（无钳位）。在NPC三电平拓扑中，器件耐压降低50%，可选用650V器件替代1200V，成本降低30%。
2.3 dv/dt与EMI
双极性：每个开关周期都发生Vdc至-Vdc的跳变，dv/dt可达10kV/μs，产生强烈EMI。在电机驱动中，dv/dt在电机绕组上产生轴电流，损坏轴承。
单极性：电压跳变幅度为Vdc至0或0至-Vdc，dv/dt降低50%。输出电压du/dt仅为5kV/μs，EMI滤波器体积可减小40%。同时，电机端过电压从2倍降至1.5倍，绝缘寿命延长2倍。
三、谐波特性与输出质量
3.1 谐波分布
双极性：输出电压频谱中，载波频率f_c处集中了主要谐波能量，幅值可达基波的80%。边带谐波出现在f_c ± mf_o（m为整数），衰减较慢。总谐波失真THD通常为3-5%。
单极性：由于等效开关频率加倍，谐波能量分布在2f_c处，且幅值降低50%。在相同载波频率下，单极性调制的THD可降低至2-3%，满足并网逆变器THD<2%的严苛要求。边带谐波衰减更快，滤波器截止频率可设计更高，体积缩小50%。
3.2 直流电压利用率
双极性：输出基波电压幅值最大为 Vdc/2（单相）或 Vdc（三相），直流电压利用率 η = V_ac_max / Vdc = 0.5（单相）或 0.866（三相SVPWM）。
单极性：通过三电平调制，单相输出基波电压幅值可达 Vdc，利用率提升至1.0。在相同直流母线下，输出交流电压能力提高15-20%，或在相同输出电压下，母线电压可降低15%，功率器件应力减小。
四、应用场景适配
4.1 双极性SPWM适用场景
成本敏感型应用：拓扑简单，仅需两电平，无需复杂钳位电路
低压小功率：如48V通信电源、LED驱动，dv/dt影响小
电机驱动：传统工业变频器，对THD要求不苛刻（<5%即可）
软开关拓扑：LLC谐振变换器，谐振网络可自然滤除高频谐波
4.2 单极性SPWM适用场景
并网逆变器：光伏、储能系统，THD要求<2%，需满足IEEE 1547标准
高压大功率：NPC三电平拓扑，器件耐压降低，适合690V、1140V系统
电机精密控制：伺服驱动器，dv/dt低，避免轴承电流
音频功放：THD要求<0.1%，单极性调制可消除奇次谐波，音质纯净
EMI敏感环境：医疗、航空设备，需满足CISPR 11 Class B
五、设计权衡与选择
5.1 双极性设计要点
优点：控制算法简单，仅需一路调制波；硬件成本低，无需钳位二极管；开关管数量少，可靠性高。
缺点：EMI大，需庞大滤波器；电机绝缘应力高；直流电压利用率低；在高压系统中，dv/dt问题突出。
设计建议：f_sw选择20-50kHz，平衡开关损耗与THD。在靠近开关管处并联RC吸收电路（R=10Ω, C=1nF），限制dv/dt至5kV/μs以下。
5.2 单极性设计要点
优点：EMI降低50%，滤波器体积小；电机友好，轴承电流小；直流电压利用率高；输出波形质量好。
缺点：拓扑复杂，需额外钳位电路（如NPC需6个管子+12个二极管）；控制算法复杂，需处理中点电位平衡问题；器件数量多，故障率略高。
设计建议：采用DSP或FPGA实现三电平SVPWM，中点电位平衡算法需动态调整零矢量作用时间。开关频率设为10-20kHz，充分利用倍频效应。
六、现代演进与混合调制
6.1 特定谐波消除（SHE）
在单极性调制基础上，通过离线计算开关角度，在特定时刻切换，直接消除5次、7次、11次谐波。开关频率仅为输出频率的数倍，THD<1%，但动态响应慢，适用于并网逆变器。
6.2 载波移相PWM（CPS-SPWM）
多模块并联时，各模块载波相位错开360°/N，等效开关频率提升N倍，THD降低。广泛应用于模块化多电平变换器（MMC），如柔性直流输电换流阀。
七、结论
双极性与单极性SPWM的选择本质是性能与成本的权衡。双极性以简单、低成本取胜，适合传统工业驱动；单极性以优异波形质量、低EMI见长，是并网、精密控制的首选。现代电力电子系统中，随着DSP性能提升，单极性及多电平调制已成为主流，而双极性仍在小功率、简单场景中占有一席之地。理解二者区别，是逆变器设计的关键基础。