电力电子技术 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 O

a)矩形脉冲b)三角形脉冲

c)正弦半波脉冲t O t O

t 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

u

ωt

>

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 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

u

ωt

>

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 U

oωt

2）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

0V

20V

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 r 负半周，请同学们自己分析。

u r

u c

u

O

w t

O w t

u o

u of

u 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

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 c

u

O

w t

O 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 r

u c

u

O

w t

O w t

u o

u of u o U d

-U d

图6-5 单极性PWM 控制方式波形

u r

u c

u O

w t

O w t

u o

u of

u 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 rW

u u UN'

u VN'

u WN'

u UN

u UV U d

-U d O ?t

O

O

O

O O

?t

?t

?t

?t

?t

2U d ?

2U d 2

U d ?

2

U d 2

U d 3

U d 3

2U 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 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。