第6章 脉宽调(PWM)技术

第六章PWM控制技术引言6.1 PWM控制的基本原理6.2 PWM逆变电路及其控制方法6.3 PWM跟踪控制技术6.4 PWM整流电路及其控制方法本章小结PWM (Pulse Width Modulation)控制就是脉宽调制技术：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章直流斩波电路采用的就PWM技术；第4章的4.1斩控式调压电路和4.4矩阵式变频电路都涉及到了。

PWM控制的思想源于通信技术，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，它使电力电子装臵的性能大大提高，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5章（逆变电路）相结合，才能使我们对逆变电路有完整地认识。

1）重要理论基础——面积等效原理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。

冲量窄脉冲的面积效果基本相同环节的输出响应波形基本相同图6-1 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 )t Oa)矩形脉冲b)三角形脉冲c)正弦半波脉冲t O t Ot O f (t )f t )f t )b)图6-2 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”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。

O u ωt >SPWM 波O uωt>如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波O uωt >O u ωt >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。

O u ωt >SPWM 波O uωt >如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波O u ωt>O w t U d-U d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：O w t U d-U d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。

等幅PWM 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PWM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O w t U d-U d Uoωt2）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:●所需波形●等效的PWM 波0s 5ms 10ms 15ms 20ms 25ms 30ms-20V 0V20V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和电流型两种，目前实用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路。

6.2.1计算法和调制法6.2.2异步调制和同步调制6.2.3规则采样法6.2.4PWM逆变电路得谐波分析6.2.5提高直流电压利用和减少开关次数6.2.6PWM逆变电路的多重化1）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。

工作时V 1和V 2通断互补，V 3和V 4通断也互补。

以u o 正半周为例，V 1通，V 2断，V 3和V 4交替通断。

负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负。

负载电流为正的区间，V 1和V 4导通时，u o 等于U d 。

2）调制法图6－4 单相桥式PWM 逆变电路结合IGBT 单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明2）调制法图6－4 单相桥式PWM 逆变电路V 4关断时，负载电流通过V 1和VD 3续流，u o =0负载电流为负的区间，V 1和V 4仍导通，i o 为负，实际上i o 从VD 1和VD 4流过，仍有u o =U d 。

V 4关断V 3开通后，i o 从V 3和VD 1续流，u o =0。

u o 总可得到U d 和零两种电平。

u o 负半周，让V 2保持通，V 1保持断，V 3和V 4交替通断，u o 可得-U d 和零两种电平。

3）单极性PWM 控制方式（单相桥逆变）u r 正半周，V 保持通，V 2保持断。

当u r >u c 时使V 4通，V 3断，u o =U d 。

当u r <u c 时使V 4断，V 3通，u o =0。

u r 负半周，请同学们自己分析。

u ru cuOw tO w tu ou ofu o U d-U d表示u o 的基波分量在u r 和u c 的交点时刻控制IGBT 的通断。

3）双极性PWM 控制方式（单相桥逆变）在u r 的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM 波也有正有负，其幅值只有±U d 两种电平。

同样在调制信号u r 和载波信号u c 的交点时刻控制器件的通断。

u r 正负半周，对各开关器件的控制规律相同。

当u r >u c 时，给V 1和V 4导通信号，给V 2和V 3关断信号。

如i o >0，V 1和V 4通，如i o <0，VD 1和VD 4通，u o =U d 。

当u r <u c 时，给V 2和V 3导通信号，给V 1和V 4关断信号。

如i o <0，V 2和V 3通，如i o >0，VD 2和VD 通，u =-U 。

图6-6 双极性PWM 控制方式波形u r u cuOw tO w t u o u of u o U d-U d 在u r 和u c 的交点时刻控制IGBT 的通断。

图6-5 双极性PWM 控制方式波形u ru cuOw tO w tu ou of u o U d-U d图6-5 单极性PWM 控制方式波形u ru cu Ow tO w tu ou ofu o U d -U d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。

4）双极性PWM 控制方式（三相桥逆变）图6-7 三相桥式PWM 型逆变电路三相的PWM 控制公用三角波载波u c三相的调制信号u rU 、u rV 和u rW 依次相差120°u c u rU u rV u rWu u UN'u VN'u WN'u UNu UV U d-U d O ?tOOOO O?t?t?t?t?t2U d ?2U d 2U d ?2U d 2U d 3U d 32U d 图6-8 三相桥式PWM 逆变电路波形下面以U 相为例分析控制规律：当u rU >u c 时，给V 1导通信号，给V 4关断信号，u UN’=U d /2。

当u rU <u c 时，给V 4导通信号，给V 1关断信号，u UN’=-U d /2。

当给V 1(V 4)加导通信号时，可能是V 1(V 4)导通，也可能是VD 1(VD 4)导通。

u UN’、u VN ’和u WN’的PWM 波形只有±U d /2两种电平。

u UV 波形可由u UN’-u VN ’得出，当1和6通时，u UV =U d ，当3和4通时，u UV =－U d ，当1和3或4和6通时，u UV =0。

输出线电压PWM 波由±U d 和0三种电平构成负载相电压PWM 波由(±2/3)U d 、(±1/3)U d 和0共5种电平组成。

防直通的死区时间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，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。

u cu rUu rVu rWuu UN'u VN'u WN'u UNu UV U d-U d O ?tOOOO O?t?t?t?t?t2U d ?2U d 2U d ?2U d 2U d 3U d 32U d 图6-8 三相桥式PWM 逆变电路波形5）特定谐波消去法(Selected Harmonic Elimination PWM —SHEPWM)这是计算法中一种较有代表性的方法。

输出电压半周期内，器件通、断各3次（不包括0和π），共6个开关时刻可控。

为减少谐波并简化控制，要尽量使波形对称。

图6-9 特定谐波消去法的输出PWM 波形O w tu o U d -U d2ppa1a 2a 3首先，为消除偶次谐波，使波形正负两半周期镜对称，即(6-1))()(p w w +-=t u t u 其次，为消除谐波中余弦项，应使波形在正半周期内前后1/4周期以π/2为轴线对称(6-2))()(t u t u w p w -=同时满足式（6-1）、（6-2）的波形称为四分之一周期对称波形，用傅里叶级数表示为(6-3)式中，a n 为∑∞==,5,3,1sin )(n n tn a t u w w ⎰=20d sin )(4p w w w ptt n t u a n图6-9，能独立控制a 1、a 2和a 3共3个时刻。

该波形的a n 为式中n =1,3,5,…)cos 2cos 2cos 21(2d )sin 2(d sin 2d )sin 2(d sin 2432120332211a a a p w w w w w w w w p pa a a a a a n n n n U t t n U t t n Ut t n U t t n U a dddd dn -+-=⎥⎦⎤-++⎢⎣⎡-+=⎰⎰⎰⎰O w tu oU d-U d2ppa1a 2a 3确定a 1的值，再令两个不同的a n =0(n =1,3,5…)，就可建三个方程，求得a 1、a 2和a 3 。

图6-9 特定谐波消去法的输出PWM 波形消去两种特定频率的谐波在三相对称电路的线电压中，相电压所含的3次谐波相互抵消。

可考虑消去5次和7次谐波，得如下联立方程：给定a 1，解方程可得a 1、a 2和a 3。

a 1变，a 1、a 2和a 3也相应改变。

⎪⎪⎪⎭⎪⎪⎪⎬⎫=-+-==-+-=-+-=0)7cos 27cos 27cos 21(720)5cos 25cos 25cos 21(52)cos 2cos 2cos 21(2321d 7321d 5321d1a a a p a a a p a a a pU a U a U a （6－5）一般在输出电压半周期内，器件通、断各k次，考虑到PWM波四分之一周期对称，k个开关时刻可控，除用一个自由度控制基波幅值外，可消去k－1个频率的特定谐波。