1、7-1PWM控制的思想源于通信技术1964.A.Schonung等提出，1975.S.R.Bowes等正式应用,全控型器件的发展使得实现PWM控制变得十分容易。PWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。PWM控制技术正是有赖于在逆变电路逆变电路中的成功应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。现在使用的各种逆变电路都采用了PWM技术，因此，本章和第4章（逆变电路）相结合，才能对逆变电路有完整地认识。7-21）重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
2、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图7-1 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)7-3b)冲量相等的各种窄脉冲的响应波形具体的实例说明“面积等效原理面积等效原理”a）u(t)电压窄脉冲，是电路的输入 。i(t)输出电流，是电路的响应。7-4OutSPWM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Out7-5Ou t若要改变等效输出正弦波幅值，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
3、等宽的脉冲来代替一个正弦半波Out7-6OwtUd-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：OwtUd-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。电压为1种极性：单极式电压为两种极性：双极式7-7等等幅幅PWM波波输入电源是恒定直流 直流斩波电路 7.2节的PWM逆变电路 7.4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 斩控式交流调压电路 矩阵式变频电路OwtUd-UdUot7-80 0wtu=u=wt0 0U Umsinsinwt1 1 2 3 4 5 67
4、8 9 101112 T UD DT1 1T4T2T3T5T6正弦电压SPWM等效电压理想输出：理想输出：正弦波正弦波k1 t kT-2kTww用充分多的等高（U)不等宽(Tk，k)的脉冲电压逼近正弦：正弦：被功率开关接通的电源保持常被功率开关接通的电源保持常数值数值【直流直流】。等效方法：两者电压对时间的积分等效方法：两者电压对时间的积分即即UT乘积面积相等乘积面积相等kT(k-1)T(1)tsin td tcos1cos112sinsin22112sinsin211sin,sin22kTkmkTmmmkmkUTudUUkTkTUTkTTT UTUpTTTwwwwwwwwwwwwwsin ,
5、kkmkkTTUUkTT即为第 个脉冲的占空比7-90 0wtu=u=wt0 0U Umsinsinwt1 1 2 3 4 5 67 8 9 101112 T UD DT1 1T4T2T3T5T6正弦电压SPWM等效电压理想输出：理想输出：正弦波正弦波k1 t kT-2kTww用充分多的等高（U)不等宽(Tk，k)的脉冲电压逼近正弦：被功正弦：被功率开关接通的电源保率开关接通的电源保持常数值持常数值【直流直流】。等效方法：两者电压对时间的积分等效方法：两者电压对时间的积分即即UT乘积面积相等乘积面积相等kT(k-1)T(1)tsin td tcos1cos112sinsin22112sinsi
6、n211sin,sin22kTkmkTmmmkmkUTudUUkTkTUTkTTT UTUpTTTwwwwwwwwwwwwwsin ,kkmkkTTUUkTT即为第 个脉冲的占空比任一脉冲周期中只要等幅不等宽的脉冲电压平均值等于该脉波中心点处正弦电压瞬时值，则该脉冲电压就与该脉冲周期中的正弦电压等效。按比例改变Um，就可以成比例地调控输出电压中的基波电压。这种控制输出电压波形和大小的方法称为SPWM均分p个相等时区，起点(k-1)T,终点kT，每时区中心点相角为k，用充分多的等宽不等高的脉冲电压逼近正弦：被功率正弦：被功率开关接通的电源必须按开关接通的电源必须按正弦规律变化。正弦规律变化。7-
7、10图中基波频率为50Hz，半周期的脉冲数为6，脉冲幅值为相应正弦波幅值的1.5倍，试按面积等效原理计算各脉冲的宽度。0 0wtu=u=wt0 0U Umsinsinwt1 1 2 3 4 5 67 8 9 101112 T UT1 1T4T2T3T5T6正弦电压SPWM等效电压解1：1112612,2,3,4,5,66kkk162534sin,mkkdUTTTT TT TTU1620250,123sin()0.092512mdmUfHz TmsdUUTTmsTU253sin()0.785712mdUTTmsTU345sin()1.07312mdUTTmsTU7-110 0wtu=u=wt0
8、0U Umsinsinwt1 1 2 3 4 5 67 8 9 1011 T UD DT1 1T4T2T3T5T6正弦电压SPWM等效电压66100sincos0.134mmmSUtd tUtUwww 面积等效1111162,0.1340.089,30.2832dUSradTmsTf2626sin0.366mmSUtd tUww22520.3660.244,0.7773rad TmsT36236sin0.5mmSUtd tUww33420.50.333,1.0613rad TmsT解1结果：160.0925TmsT250.7857TmsT341.073TmsT如果半周期的脉冲增加到60个，则
9、160sin()0.0029120mdUTTmsTU6010sin0.00137mmSUtd tUww11600.00091,0.0029rad TmsT近似精度显著提高。7-12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。7-131）计算法根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM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PWM波形。本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化，
10、工程实践中通常采用数字查表计算的方法实现。7-14 工作时上下管通断互补。单相桥式PWM逆变电路调制控制信号的产生一般常采用指令电压与三角波比较获得。根据对IGBT在一个开关周期调制控制的方法不同，输出电压具有不同的电平形式。urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud指令信号电压ur称为调制信号调制信号电压电压（波），它的频率决定了输出电压、电流的基波频率。三角波信号电压uc称为载波载波电压电压，它的频率决定了功率管的调制开关频率。7-15负载电流为负的区间，V1、V4门极正，但io为负，io从VD1和VD4流过，V1V4承受反压，无电流；uo=Ud。V4关断V3开通后，io从V3和VD1
11、续流，uo=0。uo总可得到Ud和零两种电平。uo负半周，让V2保持通，V1保持断，V3和V4交替通断，uo可得-Ud和零两种电平。urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud在ur和uc的交点时刻控制V3/V4的通断。ur正半周正半周，V1保持通通，V2保持断断。表示uo的基波分量7-16双极性PWM控制方式（单相桥逆变）（单相桥逆变）ur半周期内，三角波正负对称，输出PWM波有正有负，其幅值有U Ud d两种极性的电平。ur正负半周，各器件的控制规律相同。ur uc时时，V1和V4正驱动，V2和V3关断。如如io0，V1和V4通，如io0，VD1和VD4通，uo=Ud。uruc时时，V2
12、和V3正驱动，V1和V4关断。如如io0，VD2和VD3通，uo=-Ud。一周期内输出平均电压为一周期内输出平均电压为(2-1)Ud。=0.5时输出电压平均值为时输出电压平均值为0。图7-6 双极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud7-17图7-5 双极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud图7-5 单极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-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。7-18载波载波双极性对称三角
13、波三角波 uc，频率fc调制波调制波 正弦波正弦波ur,频率f调制比频率比 脉宽随时间按正弦规律变化 0wtucuru00 wtu01Ud1i0CCiwt0ABCDT13D24T24D13Idi irmCmUmUcfNfffc7-19载波载波双极性对称三角波三角波 uc，频率fc调制波调制波 正弦波正弦波ur,频率f调制比频率比 脉宽随时间按正弦规律变化 0wtucuru00 wtu01Ud1i0CCiwt0ABCDT13D24T24D13Idi irmCmUmUcfNfffc输出电压基波阻感性负载电流基波滞后1，4驱动，2，3关断，U00电流负，二极管续流，1，4管虽有驱动但被反压嵌位不导通
14、电感释放能量，电流幅值下降2，3驱动，1，4关断，U00二极管1，4续流直到负电流降为0。V1，4负嵌位解除，转入导通，电流变正上升。电源端输出电流为负，吸收回馈能量电源输出正电流，向逆变器输送能量7-20u0奇对称、半波对称:nnnBu1,3,5,n t sin0w tsin101wBu1230124234d4(sin td t-sin td tsin td t sin td tsin td t)4U 1 2cos12cos22cos32cos4)dnUBnnnnnnnnnwwwwwwwwww开关角由ur,uc的交点决定。改变ur幅值即可改变各次谐波电压。对基波，利用上式通过不同的值可计算对
15、应的B1，但过繁杂。0w tucugu00wtu01Ud1i0CC7-21fcfr时，u0在Tc中的平均值可近似看作u0基波分量的瞬时值。_000c1(t)2()1 ,(t)TcTdcuu dttUT0urTcUCmtur+UCmu0tUdTc()()()1()122rCmrcCmCmu tUu tttTUU_0d()sin tmU sin trmcmUmUrmrddCmCmUu tuUUUUww定义_001d01m01m1,1umU sin tUsin t,UdmNumUww在一个载波周期中一个载波周期中，ur可近似为恒值,由图相似三角形可得：SPWM逆变输出电压的基波幅值逆变输出电压的基波
16、幅值随调制比随调制比m(Urm/Ucm)线性变化。线性变化。7-22 m较小时CN增大原因：交点贴近横轴，输出脉宽近似相等，输出方波。CN成为该方波基波分量。rmCmUU00.20.40.60.81.01.21.4mCn/0.7854KC3C5C700.20.40.60.81.01.2单相双极性SPWM的输出谐波分布N基波2N,b最低次谐波易滤波011,1mvmNdUAmU直流电压利用率0111,10.78544/4mmNdUCmmU基波 按方波逆变输出归一化cfNf开关次中心频率谐波（n=N次谐波）较大。,k1,2,3,kbkbnC nkNb为奇数则 为偶数；为偶数则 为奇数边频谐波7-23
17、双极性SPWM的逆变输出电压频谱双极性SPWM的逆变输出电压频谱Cnnm0.20.40.60.81.01NNN2N2N2N3N3N3N0.15700.31410.47100.62830.78540.97500.90320.79010.64250.47200.01260.04790.10290.17280.24980.01410.14920.25600.29060.24660.14220.01880.05580.10910.16650.01020.02590.03460.10020.15940.13820.04860.00940.03690.08170.12330.01260.035624135
18、246双极性SPWM的逆变输出电压(m=0.8,N=15)频谱双极性SPWM的逆变输出电压(m=0.8,N=15)频谱C7-24假定N值足够大在感性负载下 tsinUuum0010w001-0010tg )-tsin(RLIiimww0wtucugu00 wtu01Ud1i0CCiwt0ABCDIdi i7-25假定输入电流中只含低次谐波和直流分量，逆变电路、滤波器无能耗。d0 000sint sin(t-)mmU iu iUIww 0dmiIcos)-t2cos(1 cosIiwdmmmmdUIUIII2,cos00)-t2cos(Iim0w0wtucugu00 wtu01Ud1i0CCiw
19、t0ABCDIdi i直流分量交流分量结论结论：入端电流除含直流分量外，还含两倍基频两倍基频的交流分量。7-26选择为单相桥Continuouspowerguiv+-Voltage MeasurementgAB+-Universal BridgeUdScope1ScopeRLOut1PWMi+-Iin1i+-IinioUoid1Out1sinsin1mScopeRepeatingSequence=RelationalOperatorProductNOTLogicalOperatorConvertData Type Conversion1ConvertData Type Conversion.C
20、lock-K-2*pi*f双极PWM调制指令信号调制度三角波载波IGBT驱动7-27输出电压输出电流直流侧电流7-28载波频率20KHz、双极式DC300V，负载电阻1W,电感2mH,M=1时的输出电流波形直流侧电流波形双极单相桥PWM的Matlab仿真结果7-290.0050.010.0150.020.0250.030.0350.04-400-2000200400Time(s)FFT window:2 of 4 cycles of selected signal00.511.522.533.54x 1040102030405060Frequency(Hz)Fundamental(50Hz)=
21、300.2,THD=84.89%Mag(%of Fundamental)最低N2（20000/50-2)*50=19900Hz7-30输出电压调节方便；输出谐波性能较好，最低N-2次，易滤除。直流电压利用率低【方波1.27,SPWM=m=1】解决方案：1、附加输出工频变压器 2、注入三次谐波 3、附加高频输出变压器开关损耗高。N高可抑制谐波，但开关损耗相应增大，效率下降。1、优化PWM 2、软PWM桥臂互补电路工作可靠性不高。1、插入死区 2、根据输出电流符号采用非互补控制7-31T3，T4调制互补，T1，T2通断互补 A 区：电 流 负，Ug3=0时 2D0T模式：T2,3关，D1，D4续流
22、。Ug3=+时 1D1T模式：D1，T3续流，0wtucuguug3C00wtUdi01iwt0Idi iug4ug1ug2u01i1单极性SPWM逆变ABCDPNTTDDRLTTDDAB1423142300d1dd200Cuiiiiiu,全桥式电路结构 tsinwgmgUu0,1T22T1T2T通允许，断；，断，通允许dUu 000u7-32B区：电流正，Ug4正时：0D2T模式：T1，T4通u0=Ud Ug4零时：1D1T模式：T4关掉，D3，T1续流,u0=0。C 区：电 流 ，Ug4=0时 2D0T模式：T4关，D2，D3续流,u0=-Ud。Ug4=+时 1D1T模式：D2，T4续流，
23、u0=0 D区：电流，Ug3正时：0D2T模式：T3，T2通，u0=-Ud Ug3零时：1D1T模式：T3关掉，D4，T2续流,u0=0。PNTTDDRLTTDDAB1423142300d1dd200Cuiiiiiu,全桥式电路结构0wtucuguug3C00wtUdi01iwt0Idi iug4ug1ug2u01i1单极性SPWM逆变ABCD输出0电压时，输入电流也为0仅在电压电流异号区间有能量回馈7-33Continuouspowerguiv+-Voltage MeasurementgAB+-Universal BridgeUdOut1SubsystemScope1ScopeRLi+-Iin1i+-IinUoioid7-341Out1sinsin0.8mRepeatingSequence17-37M=0.5,20KHz,DC=300V,单相单单相单极极SPWM输出频输出频谱仿真谱仿真结果结果7-38M=1,20KHz,DC=300V,单相单极单相单极SPWM输出频谱仿真结果输出频谱仿真结果M增加时，输出谐波含量与基波相对值减小
