PWM原理详解

引言

　PWM（Pulse Width Modulation）控制——脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，

来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）

　第3章：直流斩波电路采用

　本章主要内容

　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；

　本章主要以逆变电路为控制对象来介绍PWM控制技术。

6.1 PWM控制的基本原理

　采样控制理论基础

　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；

　冲量指窄脉冲的面积；

　效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同；

　将输出波形进行付氏分解，低频段非常接近，仅在高频段略有差异。

　典型惯性环节就是电感负载。

图6-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲

　一个实例 图6-2a的电路

　电路输入：u(t)，窄脉冲，如图6-1a、b、c、d所示

　电路输出：i(t)，图6-2b

　面积等效原理

图6-2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形

f (t)

δ (t)

tO

图61a)b)c)d)tO

tOtOf (t)f (t)f (t)

a)O

b)

图t

bd

cai(t)

i(t)

e(t)　用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波

　正弦半波N等分，可看成N个彼此相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；

　用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等；

　宽度按正弦规律变化。

　SPWM波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形

　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

图6-3 用PWM波代替正弦半波

　PWM电流波：

　电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波形。

　PWM波形可等效成各种波形：　直流斩波电路：等效直流波形；

　SPWM波：等效正弦波形；

　还可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面

积原理。

　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

　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 计算法和调制法得到PWM波

　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；

　缺点是计算繁琐，工作量大，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　输出波形作调制信号，进行调制得到期望的PWM波；

　通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波；

　等腰三角波应用最多，其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称。

　与任一平缓变化的调制信号波相交，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PWM

的要求；

　调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波；

　调制信号不是正弦波，而是其他所需波形时，也能得到等效的PWM波。

　结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明

工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补。

　控制规律　uo正半周，V1通，V2断，V3和V4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，V1和V4导通时，uo等于Ud

；

ωtOu

a)

b)

Ou

ωt　V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=0；

　负载电流为负的区间， V1和V4仍导通，io为负，实际上io从VD1和VD4流过，仍有uo=Ud；

　V4关断V3开通后，io从V3和VD1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。

　V1和V2通断互补，V3和V4通断互补。

　uo正半周，对应于V1一直通，V2一直断，V3和V4交替通断；

　当V4导通时，R,L两端电压为Ud，即uo等于Ud。当V3导通时，实际上此时电流从VD3进行续流，注意

V3中并没有流过电流，R,L两端电压uo=0；　uo负半周，让V2一直通，V1一直断，V3和V4交替通断。导通

规律和上面类似，注意续流的通道是V2和VD4。

　同学们还需要注意一点，就是当uo刚刚由正半周进入负半周时，电流方向和电压方向相反，此时有一段向

电源反向充电的续流过程。通过VD2和VD3进行续流。

图6-4 单相桥式PWM逆变电路

调制法得到PWM波有两种方法：单极性和双极性。两者区别在于三角载波的不同。

　单极性PWM控制方式：

　在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断

　ur正半周，V1保持通，V2保持断

　当ur>uc时使V4通，V3断，uo=Ud 当ur

　ur负半周，V1保持断，V2保持通

　当uruc时使V3断，V4通，uo=0

　虚线uof表示uo的基波分量

信号波

载波调制电路Ud+V1

V2V3

V4VD1

VD2VD3

VD4uoRL

uruc

urucu

Oωt

OωtuouofuoUd

-Ud图6-5 单极性PWM控制方式波形

　双极性PWM控制方式（单相桥逆变）

　在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负

　在ur一周期内，输出PWM波只有±Ud两种电平

　仍在调制信号ur和载波信号uc的交点控制器件的通断

　ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同

　当ur >uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号

　如io>0，V1和V4通，如io<0，VD1和VD4通， uo=Ud

6.2.1 计算法和调制法得到PWM波

　当ur

　如io<0，V2和V3通，如io>0，VD2和VD3通，uo=-Ud 单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制

图6-6 双极性PWM控制方式波形

　双极性PWM控制方式（单相桥逆变） 三相的PWM控制公用三角波载波uc 三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120°

urucu

Oωt

OωtuouofuoUd

-Ud

urucu

Oωt

OωtuouofuoUd

-Ud

图6-7 三相桥式PWM型逆变电路

　U相的控制规律　当urU>uc时，给V1导通信号，给V4关断信号，uUN’=Ud/2

　当urU

　当给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是VD1(VD4)导通

　uUN’、uVN’和uWN’的PWM波形只有±Ud/2两种电平

　uUV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=0

　输出线电压PWM波由±Ud和0三种电平构成

　负载相电压PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5种电平组成

　防直通死区时间

　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区时间会给输出的PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦

波

图6-8 三相桥式PWM逆变电路波形

调制电路V1

V2V3

V4VD1

VD2VD3

VD4

ucV6VD6V5VD5

VU

WNN'C+

C+

urUurVurW2Ud

2Ud

ucurUurVurWu

uUN'

uVN'

uWN'

uUNuUVUd

-UdOωt

O

O

O

O

Oωt

ωt

ωt

ωt

ωt2Ud

−2Ud

2Ud

−2Ud

2Ud

3Ud22Ud

　特定谐波消去法(Selected Harmo-nic Elimination PWM—SHEPWM)

　这是计算法中一种较有代表性的方法，如图6-9

　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

图6-9 特定谐波消去法的输出PWM波形

　为减少谐波并简化控制，要尽量使波形对称

　首先，为消除偶次谐波，使波形正负两半周期镜对称，即

(6-1)

　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)

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

式中，an为

　图6-9，能独立控制　1、 2和 3共3个时刻。该波形的an为

式中n=1,3,5,… 确定a1的值，再令两个不同的an=0，就可建三个方程，求得　1、　2和　3

　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： OωtuoUd

-Ud2ππ

a1a2a3

)()(πωω+−=tutu

)()(tutuωπω−=

∑∞

==

Λ,5,3,1sin)(

nntnatuωω

∫=20dsin)(4πωωωπttntuan

)cos2cos2cos21(2d)sin2(dsin2d)sin2(dsin24

32120

332211

αααπωωωωωωωωπ

π

αααααα

nnnnUttnUttnUttnUttnUa

dddddn

−+−=−++−+=

∫∫∫∫