3.3 脉冲宽度调制技术概述
当逆变器采用3.3.1节中讲述的
120型导电控制时，虽然逆变器将直流输入
180型或
电压转换成为了交流输出，但是这种控制方法却存在输出电压调节不方便（需通过调整直流环节电压实现，属于脉冲幅度调制）、输出电压谐波含量大等缺点。除了能通过改变输出电压脉冲的幅值对输出进行调节和控制外，功率半导体开关器件的开关动作还可以有另外两种可能的基本控制模式：脉冲宽度调制和脉冲频率调制。对于脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM），功率半导体开关器件的开关频率相对固定不变、通过控制开通或关断的时间达到控制变换的目的，因此也常被称为“定频调宽”控制；在脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation，PFM）中，功率半导体开关器件的开通或关断的时间保存相对恒定、通过改变开关的频率达到控制变换的目的，所以也常被称为“定宽调频”控制。由于脉冲宽度调制的分析、控制和实现都较脉冲频率调制简单，因此应用更广泛，被绝大多数逆变器所采用。
1964年，德国的A.Schonung等人把通信系统中的调制概念推广应用于变频调速系统，为现代逆变技术的实用化和发展开辟了崭新的道路。经过三十多年的发展，PWM技术日益成熟并被广泛应用于各种逆变装置中。近十几年，随着微处理器技术的飞速发展，数字化PWM 技术又为传统的PWM技术注入了新的内涵，使得PWM方法和实现不断优化和翻新，从早期的追求电压波形正弦，到电流波形正弦，再到控制负载电机的磁通正弦，并进而发展到提高系统效率、降低电机转矩脉动和减小谐波噪声等，PWM技术正处于一个不断创新、不断发展的阶段，目前，国际、国内的学术界和工程界仍在不断地探索和创新中，足见该领域的研究和发展方兴未艾。
大部分逆变器装置的负载都是三相交流电机，因此对于大多数逆变装置而言，其PWM 控制策略的选择、设计和优化不但要关心PWM技术的共性问题，而且更要考虑如何改善逆变装置供电下电机的工作性能，如减小电机的转矩脉动、提高电机的效率、扩大调速范围等。
本节将首先介绍PWM控制技术的基本原理和一些基本概念，而在下一节将对目前工程上常用的正弦脉冲宽度调制、电压空间矢量脉冲宽度调制、特定谐波消除法和电流跟踪型脉冲宽度调制进行分析，在3.5节将介绍逆变装置PWM控制的实现方法。
3.3.1 脉冲宽度调制的基本原理
1．半导体器件的线性工作模式
利用半导体器件将直流输入（以电压为例）变换成交流输出的方法，根据半导体器件的工作模式可以分为两类：线性工作模式和开关工作模式。
线性工作模式的电路和工作原理参见图3-12。三极管T 1和T 2都工作在线性放大区，控
制电路根据给定信号ref u （此处假设为正弦波）和反馈信号0u （即输出电压），调节三极管
T 1和T 2的基极控制信号，就可以在负载上得到所需的交流输出电压。线性工作模式的最大优
点在于其输出信号的失真很小、动态响应速度非常快，因此常在一些对输出波形畸变或动态响应要求较高的场合中使用，比如音响设备中的功放就采用了线性工作模式。但是，如图3-12（b ）所示，工作在线性放大区的半导体器件必须长期同时承担较高的电压和所有的负载电流，从而产生较大的功耗，不但使设备效率低下，而且散热也成为一个十分棘手的问题，因此实际很难应用于各种逆变装置中。
(a) 推挽式放大器(b)功率管电压、电流和损耗示意图
图3-12 功率管的线性工作模式
2．功率半导体器件的开关工作模式和PWM 波形成的基本原理
工作在线性区的半导体器件功耗较大，主要是因为它必须同时承担较大的电压和电流，而开关工作模式则可以避免这个情况。在断态，由于器件中电流为零，损耗也就等于零，而通态损耗的大小则取决于开关器件通态压降和通态电流，由于开关器件的通态压降一般较小，因此即使加上开关过程的开关损耗（参见图3-4），开关模式产生的损耗仍远小于线形模式。所以，包括逆变装置在内的各种电力电子装置都采用开关工作模式。下面就以图3-13所示的单相逆变器为例说明功率半导体器件的开关工作模式和PWM 波形成的基本原理。
为了输出所期望的正弦电压，首先把图3-13（b ）所示的周期1/1f T m =的正弦波分成
2N 等分，然后把每一等分中正弦曲线都用一个面积与该曲线下面积相等的等高矩形脉冲来等效代替。按这个原理生成的矩形电压脉冲串o u 的波形如图3-13（b ）所示。其中每个开关
周期（亦称为一个脉冲周期）为)2/(N T T m s =，而脉冲宽度则按正弦波的规律变化。这种
开关周期相对固定、宽度可变的脉冲就称为脉冲宽度调制脉冲，简称PWM 脉冲。如果用该PWM 脉冲信号来激励图3-13（a ）单相逆变器的功率开关器件T 1和 T 2，并且假设，在正弦波
的正半周内T 2始终截止，当PWM 脉冲为0时，T 1截止，反之则导通；在正弦波的负半周T 1始终截止，当PWM 脉冲为0时，T 2截止，反之则导通。如此一来就可以在负载两端得到与
PWM 脉冲波形一样的输出电压o u 。很明显，o u 中除了包含逆变器所期望的频率为1f 的基波外，还包含大量的谐波。
r
u 图3-13 功率管的开关工作模式和PWM 波的形成(a)单相逆变器(b) 利用面积等效法产生脉冲宽度调制脉冲
d U
由以上的分析可见，半导体器件工作在开关状态，避免了器件同时承受高电压和大电流，因此其损耗要较线性工作模式小很多，设备的效率提高了，但波形失真较线性工作模式大得多；由于PWM 波各脉冲的幅值相等，因此逆变器直流侧可由恒定的直流电源供电。根据直流电源形式的不同，可以分为电压型逆变器和电流型逆变器两种基本类型，但不论是哪种逆变器，PWM 波的产生、控制和分析方法基本相同，因此下面的分析均以电压型逆变器为例。进一步的研究将表明，通过选取不同的参考波形，可以改变输出波形的变化规律；通过按比例改变脉冲宽度的方法则可以改变输出电压的大小。
3.3.2 PWM 控制技术基本概念
PWM 输出脉冲串的宽度，理论上可以根据所需的调制规律准确地用计算方法求得，并以此作为决定逆变器各功率开关器件导通或关断时刻的依据。但是，用这种方法说明PWM 的原理比较困难，也很抽象。为此，在大多数情况下都采用如下更加直观和更易理解的方法来说明PWM 控制的基本原理。
将所希望得到的逆变输出电压波形（常被称为调制波，Modulating Wave ）与载波信号（Carrier Wave ）相比较（实际上就是用调制波对载波进行调制的过程），然后用比较产生
