第7章PWM控制技术

第7章PWM控制技术引言

7.1 PWM控制的基本原理

7.2PWM逆变电路及其控制方法本章小结

引言

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)。

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。

7.1PWM 控制的基本原理

1）重要理论基础——面积等效原理（冲量等效原理）冲量相等而形状不同的窄脉冲，加在具有惯性环节上时，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7-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲

d)单位脉冲函数

f (t )δ (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 ()

f t )

f t )

RL 电路

2) SPWM 控制：

对逆变电路开关器件进行通断控制，使输出端得到幅值相等而宽度不等的脉冲来代替正弦波，从而既可以改变输出电压的大小又可以改变输出频率。

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

>

SPWM 波

O

u

ωt

>

O

u

ωt

>矩形脉冲的中点和相应正

弦波部分的中点重合，且矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等。

O ωt

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

ωt

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5章的直流斩波电路

7.2节的PWM逆变电路 不等幅PWM波

输入电源是交流或不是恒定的直流

ωt U

d

?U

d

U

d

oωt

7.2 PWM逆变电路及其控制方法引言

7.2.1单相桥式PWM逆变电路

7.2.2 三相桥式PWM逆变电路

7.2.3 载波比和电压调制系数

引言

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。

1) 单极型PWM控制方式

工作原理：把希望输出的正弦波（频率、幅值）作为调制信号波u

r

，把接受调制的

等腰三角波作为载波u

c

，在

u r 与u

c

的交点控制器件的通

断。

u

r

u

c

u

0ωt

0ωt

u

o

u

of

u

o

U

d

-U

d

图7-5 单极性PWM控制方式波形表示u

的基波分量

在u

r

和u

c

的交点

时刻控制IGBT

的通断。

工作原理：

u r 正半周：V 1保持通，V 2保持断，让V 3V 4交替导通。 当u r >u c 时，使V 4通V 3断，负载电压u 0=U d 。

当u r

。u

u o U d

-U u r 负半周：V 2保持通，V 1保持断，让V 3 V 4交替导通。

当u r

当u r >u c 时，使V 3断V 4通，负载通过V

2、VD 4续流u 0=0 。

图7-5 单极性PWM控制方式波形逆变电路输出的PWM 波形由+U d 、?U d 和0组成。

2）双极性PWM控制方式

在正、负半周中，当u

r

>u

c

，

给V

1

和V

4

导通信号，给V

2

和

V

3

关断信号，则u

=U

d

。

当u

r

c

时，给V

2

和V

3

导通信

号，给V

1

和V

4

关断信号，由

于电感性负载电流不能突

变，i

先由VD

2

、VD

3

续流，

直到i

=0V

2

、V

3

才导通。无

论VD

2

、VD

3

续流期间，还是

V

2

、V

3

导通时，u

= ?U

d

。

图7-6 双极性PWM控制方式波形

u r u c

u

ωt

ωt

u o

u of

u o

U

-U

负载得到的PWM波形由+U

d

、?U

d

组成，无零电平。

图7-6 双极性PWM 控制方式波形

u r u c

u

O

ωt

O ωt

u o

u of u o U U 图7-5 单极性PWM 控制方式波形

u r

u c u ωt

ωt

u o

u of

u 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。

7.2.2三相桥式逆变电路

采用一个双极性三角波作为载波u c ，三相调制信号u rU 、u rV 、u rW 。图7-7 三相桥式PWM 型逆变电路

三相的PWM 控制共用三角波载波u c

三相的调制信号u rU 、u rV 和u rW 依次相差120°

载波波形为：

u

UN’波形，滞后120°得u

VN’

，再滞后120°得u

WN’

。

U

d

/2

U

d

/2

U

d

/2

rU

u

ω

rV rW

c

O

O

O

u UN’

u VN’

u WN’ωt ωt ωt

相电压

u UN =u UN’–u NN’=u UN’–(u UN’+u VN’+u WN’)/3

d U 3

2+O

ωt

3

d U u UN

波形：

相电压PWM 波形由±2U d /3，±U d /3，0共五种电平组成。

线电压的PWM 波形u UV =u UN’–u VN’

当V 1V 6导通（+U ，-V ），u UV =U d /2-（-U d /2）=U d 当V 3V 4导通（+V ，-U ），u UV =-U d /2-U d /2=-U d

当V 1V 3或V 4V 6导通（+U ，-V ）或（+V ，-U ），u UV =0。

线电压由±U d ，0三种电平组成。

-U 0ωt

U U UV

7.2.3载波比和电压调制系数

三角波载波u c ：频率f c ，幅值为U cm 正弦调制信号波u r ：频率f r ，幅值为U rm

载波比N ：

载波频率f c 与调制信号频率f r 之比，N =f c / f r 。

N 越大则输出电压越接近正弦波，改变f r ，可改变输出电压的基波频率。

电压调制系数m ：

m =U rm /U cm ，固定U cm ，增加或减少U rm 可调节输出的基波幅值。

异步调制

——载波信号和调制信号不同步的调制方式

9通常保持载波频率f

c 固定不变，当调制信号f

r

变化

时，载波比N变化；

9在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称；

9当f

r

较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小；

9当f

r

增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大。

同步调制

9基本同步调制方式，f r 变化时N 不变，信号波一周期

内输出脉冲数固定。

9三相电路中公用一个三角波载波，且取N 为3的整数倍，使三相输出对称。

9为使一相的PWM 波正负半周镜对称，N 应取奇数。

9f r 很低时，f c 也很低，由调制带来的谐波不易滤除。9f r 很高时，f c 会过高，使开关器件难以承受。——载波信号和调制信号保持同步的调制方式，当变频时使载波与信号波保持同步，即N 等于常数。

u c u rU

u rV

u rW

u

u UN'

u

VN'

O

t

t

t

t

O

O

O u

WN'

2

U d ?

2

U d 图7-8 同步调制三相PWM波形

分段同步调制

?把整个f

r

范围划分成若干个频段，每个频段内

保持N恒定，不同频段

的N不同。

?在f

r

高的频段采用较低的N，使载波频率不致

过高；在f

r

低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低。

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

2.4

1020304050607080 2

1

1

4

7

9

9

6

9

4

5

3

3

21

f

r

/H z

f

c

/

k

H

z

图7-11 分段同步调制方式举例

——异步调制和同步调制的综合应用

?各频段的载波比取3的整数倍且为奇数为宜。