PWM控制技術《電力電子技術》第7章PWM控制技術引言PWM（PulseWidthModulation）PWM控制——脈沖寬度調(diào)制技術，通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）本章內(nèi)容PWM控制技術在逆變電路中應用最廣，應用的逆變電路絕大部分是PWM型，PWM控制技術正是有賴于在逆變電路中的應用，才確定了它在電力電子技術中的重要地位本章主要以逆變電路為控制對象來介紹PWM控制技術也介紹PWM整流電路■7.1PWM控制的基本原理

理論基礎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，其效果基本相同沖量指窄脈沖的面積效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異圖7-1形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖■7.1PWM控制的基本原理一個實例圖7-2a的電路電路輸入：u(t)，窄脈沖，如圖7-1a、b、c、d所示電路輸出：i(t)，圖7-2b面積等效原理圖7-2沖量相同的各種窄脈沖的響應波形■7.1PWM控制的基本原理用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波正弦半波N等分，可看成N個彼此相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點重合，面積（沖量）相等寬度按正弦規(guī)律變化圖7-3用PWM波代替正弦半波SPWM波形——脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可■7.1PWM控制的基本原理等幅PWM波和不等幅PWM波由直流電源產(chǎn)生的PWM波通常是等幅PWM波輸入電源是交流，得到不等幅PWM波基于面積等效原理進行控制，本質是相同的■7.1PWM控制的基本原理PWM電流波電流型逆變電路進行PWM控制，得到的就是PWM電流波PWM波形可等效的各種波形直流斬波電路：等效直流波形SPWM波：等效正弦波形還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，也基于等效面積原理■7.2PWM逆變電路及其控制方法

目前中小功率的逆變電路幾乎都采用PWM技術逆變電路是PWM控制技術最為重要的應用場合本節(jié)內(nèi)容構成了本章的主體PWM逆變電路也可分為電壓型和電流型兩種，目前實用的PWM逆變電路幾乎都是電壓型電路■7.2.1計算法和調(diào)制法

計算法根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準確計算PWM波各脈沖寬度和間隔，據(jù)此控制逆變電路開關器件的通斷，就可得到所需PWM波形繁瑣，當輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時，結果都要變化調(diào)制法輸出波形作調(diào)制信號，進行調(diào)制得到期望的PWM波通常采用等腰三角波或鋸齒波作為載波等腰三角波應用最多，其任一點水平寬度和高度成線性關系且左右對稱■7.2.1計算法和調(diào)制法

與任一平緩變化的調(diào)制信號波相交，在交點控制器件通斷，就得寬度正比于信號波幅值的脈沖，符合PWM的要求調(diào)制信號波為正弦波時，得到的就是SPWM波調(diào)制信號不是正弦波，而是其他所需波形時，也能得到等效的PWM波■7.2.1計算法和調(diào)制法

單極性PWM控制方式（單相橋逆變）在ur和uc的交點時刻控制IGBT的通斷ur正半周，V1保持通，V2保持斷當ur>uc時使V4通，V3斷，uo=Ud當ur<uc時使V4斷，V3通，uo=0ur負半周，V1保持斷，V2保持通當ur<uc時使V3通，V4斷，uo=-Ud當ur>uc時使V3斷，V4通，uo=0虛線uof表示uo的基波分量圖7-5單極性PWM控制方式波形■7.2.1計算法和調(diào)制法

雙極性PWM控制方式（單相橋逆變）在ur的半個周期內(nèi)，三角波載波有正有負，所得PWM波也有正有負在ur一周期內(nèi)，輸出PWM波只有±Ud兩種電平仍在調(diào)制信號ur和載波信號uc的交點控制器件的通斷ur正負半周，對各開關器件的控制規(guī)律相同當ur>uc時，給V1和V4導通信號，給V2和V3關斷信號如io>0，V1和V4通，如io<0，VD1和VD4通，

uo=Ud■圖7-6雙極性PWM控制方式波形7.2.1計算法和調(diào)制法

當ur<uc時，給V2和V3導通信號，給V1和V4關斷信號如io<0，V2和V3通，如io>0，VD2和VD3通，uo=-Ud單相橋式電路既可采取單極性調(diào)制，也可采用雙極性調(diào)制圖7-6雙極性PWM控制方式波形■7.2.1計算法和調(diào)制法

雙極性PWM控制方式（單相橋逆變）三相的PWM控制公用三角波載波uc三相的調(diào)制信號urU、urV和urW依次相差120°圖7-7三相橋式PWM型逆變電路■7.2.1計算法和調(diào)制法

防直通死區(qū)時間同一相上下兩臂的驅動信號互補，為防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加關斷信號的死區(qū)時間死區(qū)時間的長短主要由開關器件的關斷時間決定死區(qū)時間會給輸出的PWM波帶來影響，使其稍稍偏離正弦波圖7-8三相橋式PWM逆變電路波形■7.2.2異步調(diào)制和同步調(diào)制

載波比——載波頻率fc與調(diào)制信號頻率fr之比，N=fc

/fr根據(jù)載波和信號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1.異步調(diào)制異步調(diào)制——載波信號和調(diào)制信號不同步的調(diào)制方式通常保持fc固定不變，當fr變化時，載波比N是變化的在信號波的半周期內(nèi)，PWM波的脈沖個數(shù)不固定，相位也不固定，正負半周期的脈沖不對稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對稱當fr較低時，N較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對稱產(chǎn)生的不利影響都較小當fr增高時，N減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM脈沖不對稱的影響就變大■7.2.2異步調(diào)制和同步調(diào)制

2.同步調(diào)制同步調(diào)制——N等于常數(shù)，并在變頻時使載波和信號波保持同步基本同步調(diào)制方式，fr變化時N不變，信號波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定三相電路中公用一個三角波載波，且取N為3的整數(shù)倍，使三相輸出對稱為使一相的PWM波正負半周鏡對稱，N應取奇數(shù)fr很低時，fc也很低，由調(diào)制帶來的諧波不易濾除fr很高時，fc會過高，使開關器件難以承受圖7-10同步調(diào)制三相PWM波形■7.2.3規(guī)則采樣法

按SPWM基本原理，自然采樣法要求解復雜的超越方程，難以在實時控制中在線計算，工程應用不多規(guī)則采樣法特點工程實用方法，效果接近自然采樣法，計算量小得多圖7-12規(guī)則采樣法■7.2.3規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法原理圖7-12，三角波兩個正峰值之間為一個采樣周期Tc自然采樣法中，脈沖中點不和三角波一周期的中點（即負峰點）重合規(guī)則采樣法使兩者重合，每個脈沖的中點都以相應的三角波中點為對稱，使計算大為簡化在三角波的負峰時刻tD對正弦信號波采樣得D點，過D作水平直線和三角波分別交于A、B點，在A點時刻tA和B點時刻tB控制開關器件的通斷脈沖寬度d

和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近

■7.2.3規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法計算公式推導正弦調(diào)制信號波

式中，a稱為調(diào)制度，0≤a<1；wr為信號波角頻率。從圖6-12得因此可得三角波一周期內(nèi)，脈沖寬度(7-6)■7.2.3規(guī)則采樣法三相橋逆變電路的情況三角波載波公用，三相正弦調(diào)制波相位依次差120°同一三角波周期內(nèi)三相的脈寬分別為dU、dV和dW?！?.2.4PWM逆變電路的諧波分析

使用載波對正弦信號波調(diào)制，產(chǎn)生了和載波有關的諧波分量諧波頻率和幅值是衡量PWM逆變電路性能的重要指標之一分析雙極性SPWM波形同步調(diào)制可看成異步調(diào)制的特殊情況，只分析異步調(diào)制方式分析方法不同信號波周期的PWM波不同，無法直接以信號波周期為基準分析以載波周期為基礎，再利用貝塞爾函數(shù)推導出PWM波的傅里葉級數(shù)表達式分析過程相當復雜，結論卻簡單而直觀■7.2.4PWM逆變電路的諧波分析單相的分析結果圖7-13，不同a時單相橋式PWM逆變電路輸出電壓頻譜圖諧波角頻率為

(6-10)

式中，n=1,3,5,…時，k=0,2,4,…；n=2,4,6,…時，k=1,3,5,…PWM波中不含低次諧波，只含wc及其附近的諧波以及

2wc、3wc等及其附近的諧波圖7-13單相PWM橋式逆變電路輸出電壓頻譜圖■7.2.4PWM逆變電路的諧波分析三相的分析結果公用載波信號時的情況輸出線電壓中的諧波角頻率為

式中，n=1,3,5,…時，

k=3(2m－1)±1，m=1,2,…；

n=2,4,6,…時，圖6-14，輸出線電壓頻譜圖圖7-14三相橋式PWM逆變電路輸出線電壓頻譜圖(6-11)■7.2.6PWM逆變電路的多重化

PWM多重化逆變電路，一般目的：提高等效開關頻率、減少開關損耗、減少和載波有關的諧波分量PWM逆變電路多重化聯(lián)結方式有變壓器方式和電抗器方式利用電抗器聯(lián)接的二重PWM逆變電路（圖7-20，圖7-21)）兩個單元的載波信號錯開180°輸出端相對于直流電源中點N’的電壓uUN’=(uU1N’+uU2N’)/2，已變?yōu)閱螛O性PWM波圖7-20二重PWM型逆變電路■7.4PWM整流電路及其控制方法

實用的整流電路幾乎都是晶閘管整流或二極管整流晶閘管相控整流電路：輸入電流滯后于電壓，且其中諧波分量大，因此功率因數(shù)很低二極管整流電路：雖位移因數(shù)接近1，但輸入電流中諧波分量很大，所以功率因數(shù)也很低把逆變電路中的SPWM控制技術用于整流電路，就形成了PWM整流電路控制PWM整流電路，使其輸入電流非常接近正弦波，且和輸入電壓同相位，功率因數(shù)近似為1，也稱單位功率因數(shù)變流器，或高功率因數(shù)整流器?！?.4.1PWM整流電路的工作原理

PWM整流電路也可分為電壓型和電流型兩大類，目前電壓型的較多1．單相PWM整流電路圖7-28a和b分別為單相半橋和全橋PWM整流電路半橋電路直流側電容必須由兩個電容串聯(lián)，其中點和交流電源連接全橋電路直流側電容只要一個就可以交流側電感Ls包括外接電抗器的電感和交流電源內(nèi)部電感，是電路正常工作所必須的圖7-28單相PWM整流電路a)單相半橋電路b)單相全橋電路■7.4.1PWM整流電路的工作原理單相全橋PWM整流電路的工作原理正弦信號波和三角波相比較的方法對圖7-28b中的V1~V4進行SPWM控制，就可以在橋的交流輸入端AB產(chǎn)生一個SPWM波uAB

。uAB中含有和正弦信號波同頻率且幅值成比例的基波分量，以及和三角波載波有關的頻率很高的諧波，不含有低次諧波。由于Ls的濾波作用，諧波電壓只使is產(chǎn)生很小的脈動當正弦信號波頻率和電源頻率相同時，is也為與電源頻率相同的正弦波。us一定時，is幅值和相位僅由uAB中基波uABf的幅值及其與us的相位差決定。改變uABf的幅值和相位，可使is和us同相或反相，is比us超前90°，或使is與us相位差為所需角度。■7.4.1PWM整流電路的工作原理相量圖（圖7-29）a：滯后相角d

，和同相，整流狀態(tài)，功率因數(shù)為1。PWM整流電路最基本的工作狀態(tài)b：超前相角d

，和反相，逆變狀態(tài)，說明PWM整流電路可實現(xiàn)能量正反兩個方向的流動，這一特點對于需再生制動的交流電動機調(diào)速系統(tǒng)很重要c：滯后相角d，超前90°，電路向交流電源送出無功功率，這時稱為靜止無功功率發(fā)生器（StaticVarGenerator—SVG）d：通過對幅值和相位的控制，可以使比超前或滯后任一角度j

■7.4.1PWM整流電路的工作原理對單相全橋PWM整流電路工作原理的進一步說明

整流狀態(tài)下us>0時，（V2、VD4、VD1、Ls）和（V3、VD1、VD4、Ls）分別組成兩個升壓斬波電路，以（V2、VD4、VD1、Ls）為例V2通時，us通過V2、VD4向Ls儲能V2關斷時，Ls中的儲能通過VD1、VD4向C充電■7.4.1PWM整流電路的工作原理us<0時，（V1、VD3、VD2、Ls）和（V4、VD2、VD3、Ls）分別組成兩個升壓斬波電路由于是按升壓斬波電路工作，如控制不當，直流側電容電壓可能比交流電壓峰值高出許多倍，對器件形成威脅另一方面，如直流側電壓過低，例如低于us的峰值，則uAB中就得不到圖7-29a中所需的足夠高的基波電壓幅值，或uAB中含有較大的低次諧波，這樣就不能按需要控制is，is波形會畸變可見，電壓型PWM整流電路是升壓型整流電路，其輸出直流電壓可從交流電源電壓峰值附近向高調(diào)節(jié)，如要向低調(diào)節(jié)就會使性能惡化，以至不能工作■7.4.1PWM整流電路的工作原理2．三相PWM整流電路圖7-30，三相橋式PWM整流電路，最基本的PWM整流電路之一，應用最廣。工作原理和前述的單相全橋電路相似，只是從單相擴展到三相。進行SPWM控制，在交流輸入端A、B和C可得SPWM電壓，按圖7-29a的相量圖控制，可使ia、ib、ic為正弦波且和電壓同相且功率因數(shù)近似為1。和單相相同，該電路也可工作在逆變運行狀態(tài)及圖c或d的狀態(tài)。圖7-30三相橋式PWM整流電路■本章小結

PWM控制技術的地位PWM控制技術是在電力電子領域有著廣泛的應用，并對電力電子技術產(chǎn)生了十分深遠影響的一項技術器件與PWM技術的關系IGBT、電力MOSFET等為代表的全控型器件的不斷完善給PWM控制技術提供了強大的物質基礎PWM控制技術用于直流斬波電路直流斬波電路實際上就是直流PWM電路，是PWM控制技術應用較早也成熟較早的一類電路，應用于直流電動機調(diào)速系統(tǒng)就構成廣泛應用的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)■本章小結PWM控制技術用于逆變電路PWM控制技術在逆變電路中的應用最具代表性正是由于在逆變電路中廣泛而成功的應用，才奠定了PWM控制技術在電力電子技術中的突出地位除功率很大的逆變裝置外，不用PWM控制的逆變電路已十分少見第4章因尚未涉及到PWM控制技術，因此對逆變電路的介紹是不完整的。學完本章才能對逆變電路有較完整的認識■本章小結PWM控制技術用于整流電路PWM控制技術用于整流電路即構成PWM整流電路可看成逆變電路中的PWM技術向整流電路的延伸PWM整流電路已獲得了一些應用，并有良好的應用前景PWM整流電路作為對第3章的補充，可使我們對整流電路有更全面的認識本章小結PWM控制技術與相位控制技術以第3章相控整流電路和第6章交流調(diào)壓電路為代表的相位控制技術至今在電力電子電路中仍占據(jù)著重要地位以PWM控制技術為代表的斬波控制技術正在越來越占據(jù)著主導地位相位控制和斬波控制分別簡稱相控和斬控把兩種技術對照學習，對電力電子電路的控制技術會有更明晰的認識■

本章內(nèi)容結束！??！圖7-1形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖

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圖7-2沖量相同的各種窄脈沖的響應波形

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圖7-3用PWM波代替正弦半波

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圖7-4單相橋式PWM逆變電路

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圖7-5單極性PWM控制方式波形

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