1、第第6 6章章 PWM控制技术控制技术 PWM(Pulse Width Modulation)控制就是 脉宽调制技术脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值)。第3、4章已涉及到PWM控制，第3章直流斩波电路直流斩波电路采用的就PWM技术；第4章的4.1斩控式调压电路斩控式调压电路和4.4矩阵式变矩阵式变频电路频电路都涉及到了。PWM控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是PWM型，PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。返回返回6.1 6.1 PWMPWM控制的基本原理控制的基本原理 1）重
2、要理论基础面积等效原理面积等效原理冲量冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同效果基本相同。冲量冲量窄脉冲的面积效果基本相同效果基本相同环节的输出响应波形基本相同形状不同而冲量相同的各种窄脉冲d)单位脉冲函数f(t)d(t)tOa)矩形脉冲b)三角形脉冲c)正弦半波脉冲tOtOtOf(t)f(t)f(t)b)具体的实例说明“面积等效原理面积等效原理”a）e(t)电压窄脉冲，是电路的输入 。i(t)输出电流，是电路的响应。OutSPWM波OutOut2 2）SPWMSPWM波波用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波？若要改变等
3、效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。OutSPWM波Out如何用一系列等幅不等宽的脉冲等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波OuttaursinrOtUd-Ud 对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：OtUd-Ud 根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。等等幅幅PWM波波 输入电源是恒定直流 第3章的直流斩波电路 6.2节的PWM逆变电路 6.4节的PWM整流电路 不等幅不等幅PWM波波 输入电源是交流或不是恒定的直流 4.1节的斩控式交流调压电路 4.4节的矩阵式变频电路OtUd-U
4、dUot3 3）PWMPWM波波PWM电流波 电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波。PWM波可等效的各种波形直流斩波电路 直流波形SPWM波 正弦波形等效成其他所需波形，如:l 所需波形 l 等效的PWM波taursinr 目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术。逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合。本节内容构成了本章的主体。PWM逆变电路也可分为电压型电压型和电流型电流型两种，目前实用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路。6.2 6.2 PWMPWM逆变电路及其控制方法逆变电路及其控制方法 计算法的概念计算法的概念：根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算根据正弦
5、波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWMPWM波各脉冲宽度和间隔波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWMPWM波形。波形。当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。调制法调制法：通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波；通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波；与任一平缓变化的与任一平缓变化的调制信号波调制信号波相交，在相交，在交点控制器件通断，就得宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合交点控制器件通断，就得宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合PWM的要求。的要求。调制信号波为
6、正调制信号波为正弦波时，得到的弦波时，得到的就是就是SPWM波波6.2.1 6.2.1 计算法和调制法计算法和调制法等腰三角波或锯齿波等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性关系，且左右对称，当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如在交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制，就可得到宽度正比于信号波幅值的脉冲调制法把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波得调制得到所期望的PWM波形V V1 1和和V V2 2的通断状态是互补的；的通断状态是互补的；V V3 3和和V V4 4的通断状态也是互补的。的通断状态也是互补的。u uo o正半周：正半周：V V1 1保持通保
7、持通态，态，V V2 2保持断态。保持断态。i io o为正的区间为正的区间：V V1 1和和V V4 4通态时，通态时，u uo o为为U Ud d。V V1 1和和VDVD3 3通态时，通态时，u uo o为为0 0。i io o为负的区间为负的区间：VD VD1 1和和VDVD4 4通态时，通态时，u uo o为为U Ud d。V V3 3 和和VDVD1 1通态时，通态时，u uo o为为0 0。图6-5urucuOtOtuouofuoUd-Udt 调制信号ur为正弦波，载波uc在ur的正半周为正极性的三角波，在负半周为负极性的三角波t 在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断t ur
8、正半周，V1保持通，V2保持断 当uruc时使V4通，V3断，uo=Ud当uruc时使V4断，V3通，uo=0 单极性单极性PWM控制方式控制方式（单相桥逆变）（单相桥逆变）t Ur负半周，V1保持断，V2保持通 当uruc时使V3断，V4通，uo=0单极性单极性PWM控制方式控制方式Ur半个周期内三角波载波只在正极性或负极性一种极性范围内变化，所得PWM波形的控制方法表示uo的基波分量图6-6urucuOtOtuouofuoUd-Ud双极性双极性PWM控制方式控制方式（单相桥逆变）（单相桥逆变）双极性双极性PWM控制方式控制方式在ur的的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负
9、l 在在ur一个周期内一个周期内,输出输出PWM波只有波只有Ud两种电平两种电平l 同样在调制信号同样在调制信号ur和载波信号和载波信号uc的交点时刻控制的交点时刻控制哥开关器件的通断哥开关器件的通断l ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同正负半周，对各开关器件的控制规律相同l 当当ur uc时，给时，给V V1 1和和V V4 4导通信号，导通信号，给给V V2 2和和V V3 3关断信号关断信号 如如io o0，则则V V1 1和和V V4 4通，通，如如io0，VDVD1 1和和VDVD4 4通，通，不管哪种情况不管哪种情况uo=Udl当当uruc时，给时，给V2和和V3导通信号，给
10、导通信号，给V1和和V4关断信号关断信号 如如io0，VD2和和VD3通，通，不管哪种情况不管哪种情况uo=-Ud图6-5 双极性PWM控制方式波形urucuOtOtuouofuoUd-Ud图6-5 单极性PWM控制方式波形urucuOtOtuouofuoUd-Ud 对照上述两图可以看出，单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制，由于对开关器件通断控制的规律不同，它们的输出波形也有较大的差别。双极性双极性PWMPWM控制方式控制方式（三相桥逆变）（三相桥逆变）lU、V和W三相的PWM控制通常公用三角波载波uc，三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120lU、V和W各相功率开关
11、器件的控制规律相同l 当urUuc时，给V1导通信号，给V4关断信号，则uUN=Ud/2l 当urUuc时，给V4导通信号，给V1关断信号，则uUN=-Ud/2l 当给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是二极管VD1(VD4)续流导通l uUN、uVN和uWN的PWM波形只有Ud/2两种电平l 线电压波形uUV的波形可由uUN-uVN得出当1和6通时，uUV=Ud 当3和4通时，uUV=Ud当1和3或4和6通时，uUV=0l 逆变器输出线电压PWM波由Ud和0三种电平构成l 负载向电压uUN可由下式求得l 负载相电压PWM波由(2/3)Ud、(1/3)Ud和0共5种电平组
12、成3WNVNUNUNUNuuuuu同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而造成短路，在上下两臂切换时留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间死区时间的长短主要由功率开关器件的关断时间决定死区时间会给输出的PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波6.2.2 6.2.2 异步调制和同步调制异步调制和同步调制v根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制异步调制和同步调制同步调制。通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的 在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称 当fr较低时，N较
13、大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小 当fr增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大载波比载波比载波频率fc与调制信号频率fr之比，N=fc/fr1）异步调制异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式2）同步调制同步调制载波信号和调制信号保持同步的调制方式，当变频时使载波与信号波保持同步，即N等于常数。ucurUurVurWuuUNuVNOttttOOOuWN2Ud2Ud同步调制三相PWM波形 基本同步调制方式，fr变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定。三相电路中公用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使三相输出对称。为使一相的PWM波正负半周
14、镜对称，N应取奇数。fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除。fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受。自然采样法按照SPWM控制的基本原理，在正弦波和三角波的自然交点时刻控制功率开关的通断，这种生成SPWM波形的方法规则采样法工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量比自然采样法小得多6.2.3 6.2.3 规则采样法规则采样法 三角波两个正峰值之间为一个采样周期T Tc c。自然采样法中，脉冲中点不和三角波(负峰点)重合。规则采样法使两者重合，使计算大为减化。如图所示确定A、B点，在t tA A和t tB B时刻控制开关器件的通断。脉冲宽度 和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。l
15、 规则采样法原理原理ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd d 2d2d图6-12 规则采样法 l规则采样法计算公式推导正弦调制信号波taursinr三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度2/22/sin1cDrTtada称为调制度调制度，0a1；r为信号波角频率从图得,)sin1(2DrctaTdNoImage ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd d 2d2d 规则采样法 第六章第六章 PWMPWM控制技术控制技术 小结小结v PWM控制技术的地位PWM控制技术是在电力电子领域有着广泛的应用，并对电力电子技术产生了十分深远影响的一项技术。v 器件与PWM技术的关系IGBT、
16、电力MOSFET等为代表的全控型器件的不断完善给PWM控制技术提供了强大的物质基础。v PWM控制技术用于直流斩波电路直流斩波电路实际上就是直流PWM电路，是PWM控制技术应用较早也成熟较早的一类电路，应用于直流电动机调速系统就构成广泛应用的直流脉宽调速系统直流脉宽调速系统。vPWM控制技术用于交流交流变流电路斩控式交流调压电路和矩阵式变频电路是PWM控制技术在这类电路中应用的代表。目前其应用都还不多。但矩阵式变频电路因其容易实现集成化，可望有良好的发展前景。vPWM控制技术用于逆变电路逆变电路PWM控制技术在逆变电路中的应用最具代表性。正是由于在逆变电路中广泛而成功的应用，才奠定了PWM控制
17、技术在电力电子技术中的突出地位。除功率很大的逆变装置外，不用PWM控制的逆变电路已十分少见。第5章因尚未涉及到PWM控制技术，因此对逆变电路的介绍是不完整的。学完本章才能对逆变电路有较完整的认识。vPWM控制技术用于整流电路整流电路PWM控制技术用于整流电路即构成PWM整流电路。可看成逆变电路中的PWM技术向整流电路的延伸。PWM整流电路已获得了一些应用，并有良好的应用前景。PWM整流电路作为对第2章的补充，可使我们对整流电路有更全面的认识。vPWM控制技术与相位控制技术相位控制技术 以第2章相控整流电路和第4章交流调压电路为代表的相位控制技术相位控制技术至今在电力电子电路中仍占据着重要重要地位。以PWM控制技术为代表的斩波控制技术斩波控制技术正在越来越占据着主导主导地位。相位控制和斩波控制分别简称相控相控和斩控斩控。把两种技术对照学习，对电力电子电路的控制技术会有更明晰的认识。返回返回
