Power

ElectronicsChapter6

PWMTechniquesThemostwidelyusedcontroltechniqueinpowerelectronicsPulseWidthModulation(PWM)(Choppingcontrol)DC/DCAC/ACDC/ACAC/DCOutline6.1Basicprinciples6.2SomemajorPWMtechniquesinDC/ACinverters

6.3PWMtechniqueswithfeedbackcontrol6.4PWMrectifiers6.1BasicprinciplesofPWMSimilarresponsetodifferentshapeofimpulseinputTheequal-areatheorem:

Responsestendtobeidenticalwheninputsignalshavesameareaandtimedurationsofinputimpulsesbecomeverysmall.6.1PWM控制的基本思想1）重要理論基礎(chǔ)——面積等效原理沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。沖量窄脈沖的面積效果基本相同環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同圖6-1形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖d)單位脈沖函數(shù)f(t)d(t)tOa)矩形脈沖b)三角形脈沖c)正弦半波脈沖tOtOtOf(t)f(t)f(t)BasicprinciplesofPWMApplicationoftheequal-areatheoremThisissinusoidalPWM(SPWM)Theequal-area

theoremcanbeappliedtorealizeanyshapeofwaveformsAlistofPWMtechniquesTriangular-wavesamplingNaturalsamplingUniformsamplingCalculationCalculationbasedonequal-areacriterionSelectiveharmonicseliminationSpaceVectorModulation(SVM,orSVPWM)6.2SomemajorPWMtechniquesNaturalsamplingUniformsamplingSelectiveharmonicseliminationSomepracticalissuesSynchronousmodulationandasynchronousmodulationHarmonicsinthePWMinverteroutputvoltagesWaystoimproveDCinputvoltageutilizationandreduceswitchingfrequencyConnectionofmultiplePWMinverters6.2PWM逆變電路及其控制方法

6.2.1計(jì)算法和調(diào)制法6.2.2異步調(diào)制和同步調(diào)制6.2.3規(guī)則采樣法6.2.4PWM逆變電路的諧波分析6.2.5提高直流電壓利用和減少開關(guān)次數(shù)6.2.6PWM逆變電路的多重化6.2.1計(jì)算法和調(diào)制法(2）調(diào)制原理ur正半周，V1保持通，V2保持?jǐn)?。?dāng)ur>uc時(shí)使V4通，V3斷，uo=Ud

。當(dāng)ur<uc時(shí)使V4斷，V3通，uo=0。這樣就在負(fù)載端得到了SPWM波形u0。ur負(fù)半周，請(qǐng)同學(xué)們自己分析。上述PWM波只在單個(gè)極性范圍內(nèi)變化稱單極性PWM控制方式。圖6-5單極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud表示uo的基波分量設(shè)調(diào)制信號(hào)ur為正弦波；載波信號(hào)uc為三角波。利用ur和uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制IGBT的通斷。Triangular-wavenaturalsamplingBi-polarPWMinsingle-phaseVSIBi-polarsamplingisusedto

realizebi-polarPWM.6.2.1計(jì)算法和調(diào)制法3）雙極性PWM控制方式（單相橋逆變）在ur的半個(gè)周期內(nèi)，三角波載波不再是單極性，而是有正有負(fù)，所得PWM波也有正有負(fù)，其幅值只有±Ud兩種電平。ur正負(fù)半周，對(duì)各開關(guān)器件的控制規(guī)律相同。當(dāng)ur

>uc時(shí)，給V1和V4導(dǎo)通信號(hào)，給V2和V3關(guān)斷信號(hào)。如io>0，V1和V4通，如io<0，VD1和VD4通，

uo=Ud

。當(dāng)ur<uc時(shí)，給V2和V3導(dǎo)通信號(hào)，給V1和V4關(guān)斷信號(hào)。如io<0，V2和V3通，如io>0，VD2和VD3通，uo=-Ud

。圖6-6雙極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud和單極性PWM控制方式對(duì)應(yīng)，也是在ur和uc的交點(diǎn)時(shí)刻控制IGBT的通斷。6.2.1計(jì)算法和調(diào)制法4）雙極性PWM控制方式（三相橋逆變）圖6-7三相橋式PWM型逆變電路三相的PWM控制公用三角波載波uc三相的調(diào)制信號(hào)urU、urV和urW依次相差120°6.2.1計(jì)算法和調(diào)制法ucurUurVurWuuUN'uVN'uWN'uUNuUVUd-UdO?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud?2Ud2Ud?2Ud2Ud3Ud32Ud圖6-8三相橋式PWM逆變電路波形

下面以U相為例分析控制規(guī)律：當(dāng)urU>uc時(shí)，給V1導(dǎo)通信號(hào)，給V4關(guān)斷信號(hào)，uUN’=Ud/2。當(dāng)urU<uc時(shí)，給V4導(dǎo)通信號(hào)，給V1關(guān)斷信號(hào)，uUN’=-Ud/2。當(dāng)給V1(V4)加導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，可能是V1(V4)導(dǎo)通，也可能是VD1(VD4)導(dǎo)通。uUN’、uVN’和uWN’的PWM波形只有±Ud/2兩種電平。uUV波形可由uUN’-uVN’得出，當(dāng)1和6通時(shí)，uUV=Ud，當(dāng)3和4通時(shí)，uUV=－Ud，當(dāng)1和3或4和6通時(shí)，uUV=0。圖6-7三相橋式PWM型逆變電路

6.2.1計(jì)算法和調(diào)制法ucurUurVurWuuUN'uVN'uWN'uUNuUVUd-UdO?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud?2Ud2Ud?2Ud2Ud3Ud32Ud圖6-7三相橋式PWM型逆變電路

圖6-8三相橋式PWM逆變電路波形

輸出線電壓PWM波由±Ud和0三種電平構(gòu)成負(fù)載相電壓PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5種電平組成。防直通的死區(qū)時(shí)間同一相上下兩臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)，為防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加關(guān)斷信號(hào)的死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)短主要由開關(guān)器件的關(guān)斷時(shí)間決定。死區(qū)時(shí)間會(huì)給輸出的PWM波帶來影響，使其稍稍偏離正弦波。6.2.3規(guī)則采樣法1）自然采樣法：按照SPWM控制的基本原理，在正弦波和三角波的交點(diǎn)時(shí)刻生成的PWM波的方法，其求解復(fù)雜，工程應(yīng)用不多。ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d圖6-12規(guī)則采樣法2）規(guī)則采樣法工程實(shí)用方法，效果接近自然采樣法，計(jì)算量小得多。6.2.3規(guī)則采樣法三角波兩個(gè)正峰值之間為一個(gè)采樣周期Tc

。自然采樣法中，脈沖中點(diǎn)不和三角波(負(fù)峰點(diǎn))重合。規(guī)則采樣法使兩者重合，使計(jì)算大為簡(jiǎn)化。如圖所示確定A、B點(diǎn)，在tA和tB時(shí)刻控制開關(guān)器件的通斷。脈沖寬度δ

和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近。

規(guī)則采樣法原理ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d圖6-12規(guī)則采樣法6.2.3規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法計(jì)算公式推導(dǎo)正弦調(diào)制信號(hào)波三角波一周期內(nèi)，脈沖兩邊間隙寬度(6-7)a稱為調(diào)制度，0≤a<1；wr為信號(hào)波角頻率從圖6-12得,(6-6)ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d圖6-12規(guī)則采樣法首先，為消除偶次諧波，使波形正負(fù)兩半周期鏡對(duì)稱，即(6-1)其次，為消除諧波中余弦項(xiàng)，應(yīng)使波形在正半周期內(nèi)前后1/4周期以π/2為軸線對(duì)稱

(6-2)同時(shí)滿足式（6-1）、（6-2）的波形稱為四分之一周期對(duì)稱波形，用傅里葉級(jí)數(shù)表示為

(6-3)

式中，an為特定諧波消去法圖6-9特定諧波消去法的輸出PWM波形OwtuoUd-Ud2ppa1a2a3特定諧波消去法圖6-9，能獨(dú)立控制a1、a

2和a

3共3個(gè)時(shí)刻。該波形的an為

式中n=1,3,5,…OwtuoUd-Ud2ppa1a2a3先確定a1的值，再令兩個(gè)不同的an=0(n=3,5,7…)，就可建三個(gè)方程，聯(lián)立求得a1、a2和a3。圖6-9特定諧波消去法的輸出PWM波形Frequencyrelationshipbetweentriangular-wavecarrierandcontrolsignalAsynchronousModulationSynchronousModulation6.2.2異步調(diào)制和同步調(diào)制根據(jù)載波和信號(hào)波是否同步及載波比的變化情況，PWM調(diào)制方式分為異步調(diào)制和同步調(diào)制。通常保持fc固定不變，當(dāng)fr變化時(shí)，載波比N是變化的在信號(hào)波的半周期內(nèi)，PWM波的脈沖個(gè)數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對(duì)稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對(duì)稱。當(dāng)fr較低時(shí)，N較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對(duì)稱產(chǎn)生的不利影響都較小。當(dāng)fr增高時(shí)，N減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM脈沖不對(duì)稱的影響就變大。載波比載波頻率fc與調(diào)制信號(hào)頻率fr之比，N=fc/fr1）異步調(diào)制載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)不同步的調(diào)制方式6.2.2異步調(diào)制和同步調(diào)制2）

同步調(diào)制——載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)保持同步的調(diào)制方式，當(dāng)變頻時(shí)使載波與信號(hào)波保持同步，即N等于常數(shù)。ucurUurVurWuuUN'uVN'OttttOOOuWN'2Ud-2Ud圖6-10同步調(diào)制三相PWM波形基本同步調(diào)制方式，fr變化時(shí)N不變，信號(hào)波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定。三相電路中公用一個(gè)三角波載波，且取N為3的整數(shù)倍，使三相輸出對(duì)稱。為使一相的PWM波正負(fù)半周鏡對(duì)稱，N應(yīng)取奇數(shù)。fr很低時(shí)，fc也很低，由調(diào)制帶來的諧波不易濾除。fr很高時(shí)，fc會(huì)過高，使開關(guān)器件難以承受。6.2.2異步調(diào)制和同步調(diào)制3）分段同步調(diào)制——異步調(diào)制和同步調(diào)制的綜合應(yīng)用。把整個(gè)fr范圍劃分成若干個(gè)頻段，每個(gè)頻段內(nèi)保持N恒定，不同頻段的N不同。在fr高的頻段采用較低的N，使載波頻率不致過高；在fr低的頻段采用較高的N，使載波頻率不致過低。這樣fc大約在1.4～2.0kHz之間。為防止fc在切換點(diǎn)附近來回跳動(dòng)，采用滯后切換的方法。同步調(diào)制比異步調(diào)制復(fù)雜，但用微機(jī)控制時(shí)容易實(shí)現(xiàn)。圖6-11分段同步調(diào)制方式舉例

另外，可在低頻輸出時(shí)采用異步調(diào)制方式，高頻輸出時(shí)切換到同步調(diào)制方式，這樣把兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，和分段同步方式效果接近。WaystoimproveutilizationofDCinputvoltageandreduceswitchingfrequencyUsetrapezoidalwaveformasmodulatingsignalinsteadofsinusoidalucurUurVurWuuUN'OwtOwtOwtOwtuVN'uUV6.2.5提高直流電壓利用率和減少開關(guān)次數(shù)圖6-15梯形波為調(diào)制信號(hào)的PWM控制1）梯形波調(diào)制方法的原理及波形梯形波的形狀用三角化率s=Ut/Uto描述，Ut為以橫軸為底時(shí)梯形波的高，Uto為以橫軸為底邊把梯形兩腰延長(zhǎng)后相交所形成的三角形的高。s=0時(shí)梯形波變?yōu)榫匦尾ǎ瑂=1時(shí)梯形波變?yōu)槿遣?。梯形波含低次諧波，PWM波含同樣的低次諧波。低次諧波（不包括由載波引起的諧波）產(chǎn)生的波形畸變率為d。梯形波調(diào)制的缺點(diǎn)：輸出波形中含5次、7次等低次諧波6.2.5提高直流電壓利用率和減少開關(guān)次數(shù)圖6-16，d和U1m/Ud隨s

變化的情況。圖6-17，s變化時(shí)各次諧波分量幅值Unm和基波幅值U1m之比。U,d00.20.40.60.81.0d0.20.40.60.81.01.21mUdUdU1m圖6-16s

變化時(shí)的d

和直流電壓利用率

ss=0.4時(shí)，諧波含量也較少，約為3.6%，直流電壓利用率為1.03，是正弦波調(diào)制時(shí)的1.19倍，綜合效果較好。U0.20.40.60.81.0s5wr00.10.27wr11wr13wrU1mmn圖6-17s變化時(shí)的各次諧波含量

WaystoimproveutilizationofDCinputvoltageandreduceswitchingfrequencyUse3korderharmonicsbiasinthemodulatingsignal2）線電壓控制方式6.2.5提高直流電壓利用率和減少開關(guān)次數(shù)uucr1uOwturur1uOwtur3圖6-18疊加3次諧波的調(diào)制信號(hào)直接控制手段仍是對(duì)相電壓進(jìn)行控制，但控制目標(biāo)卻是線電壓相對(duì)線電壓控制方式，控制目標(biāo)為相電壓時(shí)稱為相電壓控制方式。鞍形波的基波分量幅值大。除疊加3次諧波外，還可疊加其他3倍頻的信號(hào)，也可疊加直流分量，都不會(huì)影響線電壓。疊加三次諧波在相電壓調(diào)制信號(hào)中疊加3次諧波，使之成為鞍形波，輸出相電壓中也含3次諧波。合成線電壓時(shí)，3次諧波相互抵消，線電壓為正弦波。6.3PWMtechniqueswith

feedbackcontrolCurrenthystericcontrolVoltagehystericcontrolTriangular-wavecomparison(sampling)withfeedbackcontrol6.3PWM跟蹤控制技術(shù)

6.3.1滯環(huán)比較方式6.3.2三角形比較方式

CurrenthystereticcontrolInSingle-phaseVSI6.3.1滯環(huán)比較方式1)采用滯環(huán)比較方式的PWM電路跟蹤控制。tOiii*+DIi*-DIi*圖6-23滯環(huán)比較方式的指令電流和輸出電流圖6-22滯環(huán)比較方式電流跟蹤控制舉例基本原理把指令電流i*和實(shí)際輸出電流i的偏差i*-i作為滯環(huán)比較器的輸入。V1（或VD1）通時(shí)，i增大V2（或VD2）通時(shí)，i減小通過環(huán)寬為2DI的滯環(huán)比較器的控制，i就在i*+DI和i*-DI的范圍內(nèi)，呈鋸齒狀地跟蹤指令電流i*。參數(shù)的影響環(huán)寬過寬時(shí)，開關(guān)頻率低，跟蹤誤差大；環(huán)寬過窄時(shí)，跟蹤誤差小，但開關(guān)頻率過高，開關(guān)損耗增大。L大時(shí)，i的變化率小，跟蹤慢；L小時(shí)，i的變化率大，開關(guān)頻率過高。滯環(huán)環(huán)寬電抗器L的作用6.3.1滯環(huán)比較方式3)采用滯環(huán)比較方式的電流跟蹤型PWM變流電路有如下特點(diǎn)。（1）硬件電路簡(jiǎn)單。（2）實(shí)時(shí)控制，電流響應(yīng)快。（3）不用載波，輸出電壓波形中不含特定頻率的諧波。（4）和計(jì)算法及調(diào)制法相比，相同開關(guān)頻率時(shí)輸出電流中高次諧波含量多。（5）屬于閉環(huán)控制，是各種跟蹤型PWM變流電路的共同特點(diǎn)。Voltagehystereticcontrol6.3.1滯環(huán)比較方式4)采用滯環(huán)比較方式實(shí)現(xiàn)電壓跟蹤控制把指令電壓u*和輸出電壓u進(jìn)行比較，濾除偏差信號(hào)中的諧波，濾波器的輸出送入滯環(huán)比較器，由比較器輸出控制開關(guān)器件的通斷，從而實(shí)現(xiàn)電壓跟蹤控制。圖6-26電壓跟蹤控制電路舉例Triangular-wavecomparison(sampling)withfeedbackcontrol6.3.2三角形比較方式負(fù)載+-iUi*U+-iVi*V+-iWi*WUdC+-C+-C+-三相三角波發(fā)生電路AAA(1)基本原理不是把指令信號(hào)和三角波直接進(jìn)行比較，而是通過閉環(huán)來進(jìn)行控制。把指令電流i*U、i*V和i*W和實(shí)際輸出電流iU、iV、iW進(jìn)行比較，求出偏差，通過放大器A放大后，再去和三角波進(jìn)行比較，產(chǎn)生PWM波形。放大器A通常具有比例積分特性或比例特性，其系數(shù)直接影響電流跟蹤特性。(2)特點(diǎn)開關(guān)頻率固定，等于載波頻率，高頻濾波器設(shè)計(jì)方便。為改善輸出電壓波形，三角波載波常用三相三角波載波。和滯環(huán)比較控制方式相比，這種控制方式輸出電流所含的諧波少。圖6-27三角波比較方式電流跟蹤型逆變電路6.4PWMrectifiersOperationPrinciplesa)Rectificationmodeb)Inversionmodec)Reactivepowercompensationmoded)Currentleadingby6.4.1PWM整流電路的工作原理(1)單相全橋PWM整流電路的工作原理按正弦信號(hào)波和三角波相比較的方法對(duì)圖6-28b中的V1~V4進(jìn)行SPWM控制，就可以在橋的交流輸入端AB產(chǎn)生一個(gè)SPWM波uAB。uAB中含有和正弦信號(hào)波同頻率且幅值成比例的基波分量，以及和三角波