4-1脉宽调制变换器
PWM 调光知识介绍
PWM 调光知识介绍在手机及其他消费类电子产品中，白光 LED 越来越多地被使用作为显示屏的背光源。
近来，许多产品设计者希望白光 LED 的光亮度在不同的应用场合能够作相应的变化。
这就意味着，白光 LED 的驱动器应能够支持 LED 光亮度的调节功能。
目前调光技术主要有三种：PWM 调光、模拟调光、以及数字调光。
市场上很多驱动器都能够支持其中的一种或多种调光技术。
本文将介绍这三种调光技术的各自特点，产品设计者可以根据具体的要求选择相应的技术。
PWM Dimming (脉宽调制) 调光方式——这是一种利用简单的数字脉冲，反复开关白光LED驱动器的调光技术。
应用者的系统只需要提供宽、窄不同的数字式脉冲，即可简单地实现改变输出电流，从而调节白光 LED 的亮度。
PWM 调光的优点在于能够提供高质量的白光，以及应用简单，效率高！例如在手机的系统中，利用一个专用 PWM 接口可以简单的产生任意占空比的脉冲信号，该信号通过一个电阻，连接到驱动器的 EN 接口。
多数厂商的驱动器都支持PWM 调光。
但是，PWM 调光有其劣势。
主要反映在：PWM 调光很容易使得白光 LED 的驱动电路产生人耳听得见的噪声（audible noise，或者 microphonic noise）。
这个噪声是如何产生？通常白光 LED 驱动器都属于开关电源器件（buck、boost 、charge pump 等），其开关频率都在1MHz左右，因此在驱动器的典型应用中是不会产生人耳听得见的噪声。
但是当驱动器进行PWM调光的时候，如果 PWM 信号的频率正好落在 200Hz 到 20kHz 之间，白光 LED 驱动器周围的电感和输出电容就会产生人耳听得见的噪声。
所以设计时要避免使用 20kHz 以下低频段。
我们都知道，一个低频的开关信号作用于普通的绕线电感（wire winding coil），会使得电感中的线圈之间互相产生机械振动，该机械振动的频率正好落在上述频率，电感发出的噪音就能够被人耳听见。
脉宽调制(PWM)技术
现代电力电子及变流技术第四章脉宽调制(PWM)技术脉宽调制技术：按同一比例改变在ur 和uc交点时刻控制IGBT 的通断u r 和uc的点时刻制IGBT 的通断控制公用三角波载波uc 三相的调制信号依次u c u rW单相逆变器结构特点电路结构特征：2个桥臂输出电压：ab ag bg V V V =−结构分析：�每个桥臂存在2个开关状态—桥臂上开关通(用S a =1描述)；—桥臂下开关通(用S a =0描述)。
�逆变器共有4种开关状态—S a S b ：00，01，10，11。
开关状态与电压的关系4.5 4.5 SVPWMSVPWM 的原理及实现结构特点�两个桥臂电压V ag 和V bg 分别独立可控——控制存在两个自由度；�由于连接了负载，输出电压V ab 具有唯一性——只有一个自由度。
如何分析两维的桥臂电压和一维的输出电压之间的联系？几何分析方法矢量空间�桥臂电压构成两维空间，两个自由度分别代表两个垂直方向——桥臂电压空间；�输出电压只有一个自由度，构成一维空间 ——输出电压空间。
4.5 4.5 SVPWMSVPWM 的原理及实现桥臂电压和输出电压的联系�采用投影方式建立联系；�开关状态(00)，(11)形成的两个桥臂电压——对应一个输出电压(0V)。
这一投影具有唯一性投影关系ag ab bg 01111V V V V −⎡⎤⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦V 0是零序电压*11ag 22ab 11bg 220*V V V V ⎡⎤⎡⎤⎡⎤=⎢⎥⎢⎥⎢⎥−⎣⎦⎣⎦⎣⎦逆变器控制方法V 0*为一定范围的任意数注：V 0*取常数（如V i ）时，Vag 和Vbg 的驱动波形可以设计。
例：V ab *取0.5V i ， V 0*取V iV ag 取0.75V i ， V bg 取0.25V ia 桥臂上管b 桥臂下管b 桥臂上管a 桥臂下管4.5 4.5 SVPWMSVPWM 的原理及实现V 0*取其他值会怎样？ V 0*有没有一个取值原则？4.5 4.5 SVPWMSVPWM 的原理及实现三相逆变器结构特点结构特征：3个桥臂电路特征：()ng ag bg cg 3V V V V =++结构分析：�每个桥臂存在2个开关状态—桥臂上开关通(用S a =1描述)；—桥臂下开关通(用S a =0描述)。
脉宽调制（PWM）和1位数模转换
脉宽调制(PWM)和1位数模转换在FPGA的一个引脚连接一个扬声器，然后用来听MP3？当然可以。
这里我们采用的方法是：使用PC来解码MP3，然后将解码后的数据送到配置为1位DAC的FPGA。
音频输出我们需要一个部件来连接FPGA的输出引脚（数字）和扬声器（模拟），以完成数模转换。
最简单的办法是用一个电阻网络或者数模转换器件实现。
由于相当于声音信号的频域来说，FPGA是在是太快了，所以采用1位DAC是更好的选择。
最简单的实验1位DAC的办法是：使用脉宽调制（PWM）脉宽调制脉宽调制在输出引脚上产生一系列脉冲输出。
输出有这样的特性：输出信号幅度的平均值正比于输入调制器的数值的大小。
想办法对输出进行滤波，就可以在输出端得到与数字输入对应的模拟信号。
脉宽调制器的输入可以是任意宽度，通常是8位或16位其输出则是1位的（一个输出）脉宽调制也广泛的应用于微控制器，详见应用笔记AN665.累加器生成脉宽调制信号的最简单的办法就是使用硬件累加器。
一旦累加结果溢出，就输出1（高电平），否则输出0（低电平）。
这在FPGA中很容易实现。
V erilog 代码:module PWM(clk, PWM_in, PWM_out);input clk;input [7:0] PWM_in;output PWM_out;reg [8:0] PWM_accumulator;always @(posedge clk) PWM_accumulator <= PWM_accumulator[7:0] PWM_in;assign PWM_out = PWM_accumulator[8];endmoduleVHDL 代码:library IEEE;use _LOGIC_;use _LOGIC_;entity PWM isport (clk : in std_logic;PWM_in : in std_logic_vector (7 downto 0) := “00000000”;PWM_out : out std_logic);end PWM;architecture PWM_arch of PWM issignal PWM_Accumulator : std_logic_vector(8 downto 0);beginprocess(clk, PWM_in)beginif rising_edge(clk) thenPWM_Accumulator <= (“0” & PWM_Accumulator(7 downto 0)) (“0” & PWM_in);end if;end process;PWM_out <= PWM_Accumulator(8);end PWM_arch;输入数据越大，累加器越快溢出，从而使得输出1的频率越高，这正是我们希望的。
脉宽调制控制电路
脉宽调制控制电路学生姓名：胡真 学号：20085042054工业现场控制当中，经常要用到一些可变的直流电压，而一般的直流电源其值是固定不变的，为了得到可变的直流电压，我们一般采用脉宽调制控制电路，也就是我们通常所说的PWM 控制电路。
该电路是利用半导体功率晶体管或晶闸管等开关器件的导通和关断，把直流电压变成电压脉冲列，控制电压脉冲的宽度或周期达到变压目的，或者控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期以达到变压变频的目的的一种变换电路，多用在开关稳压电源、不间断电源(UPS)以及交直流电机调速等控制电路中。
1. 脉宽调制控制电路的工作原理图1 PWM 控制电路原理基本的脉宽调制控制电路包括电压-脉宽变换器和开关式功率放大器两部分，如图1所示。
运算放大器N 工作在开环状态，实现把连续电压信号变成脉冲电压信号。
二极管VD 在V1关断时为感性负载RL 提供释放电感储能形成续流回路。
N 的反相端输入三个信号：一个是锯齿波或三角波调制信号up ，其频率是主电路所需的开关调制频率，一般为1~4kHz ；另一个是控制电压uk ，其极性与大U u 0 u cD小随时可变； 再一个是负偏置电压u0，其作用是在Uc ＝0时通过Rp 的调节使比较器的输出电压Ub 为宽度相等的正负方波。
当Uc>0时，锯齿波过零的时间提前，结果在输出端得到正半波比负半波窄的调制方波。
当Uc<0时，锯齿波过零的时间后移，结果在输出端得到正半波比负半波宽的调制方波。
图2 PWM 控制负载的波形图PWM 信号加到主控电路的开关管V 的基极时，负载RL 两端电压uL 的波形如图2所示。
显然，通过PWM 控制改变开关管在一个开关周期T 内的导通时间τ的长短，就可实现对RL 两端平均电压UL 大小的控制。
2. 典型脉宽调制电路2.1. 对脉宽调制器的基本要求（1）死区要小，调宽脉冲的前后沿的斜率要大，也就是比较器的灵敏度要足够高。
（2）在设计实际电路时，应使其简单、可靠，且不受外界干扰。
PWM脉宽调制变频电路
PWM脉宽调制变频电路
在图4-2b、c两种电路结构中，因采用不可控整流 器，功率因数高。而在图4-2a电路中，由于采用可控 整流，输出电压有换相电压降产生，谐波的无功功率 使得输入端功率因数降低。在图4-2a、b两种电路结构 中，独立的调压调频环节使之容易分开调试，但系统 的动态反应慢。图4-2c所示的电路结构则具有动态响 应快，功率因数高的特点。
PWM脉宽调制变频电路
变频器的分类与交—直—交变频器 的结构框图。图4-1a所示的交—交变频器在结构上没有 明显的中间滤波环节，来自电网的交流电被直接变换为 电压、频率均可调的交流电，所以称为直接变频器。而 图4-1b所示的交—直—交变频器有明显的中间滤波环节， 其工作时首先把来自电网的交流电变换为直流电，经过 中间滤波环节之后，再通过逆变器变换为电压、频率均 可调的交流电，故又称为间接变频器。
图4-10 分段同步调制
PWM脉宽调制变频电路
4.1.2 SPWM波形的开关点算法
在SPWM系统中，通常是利用三角载波与正弦参 考波进行比较以确定逆变器功率器件的开关时刻， 从而控制逆变器输出可调正弦波形。这一功能可由 模拟电子电路、数字电子电路、专用的大规模集成 电路等装置来实现，也可由计算机编程实现。SPWM 系统开关点的算法，主要分为两类：一是采样法， 二是最佳法。
形成不可调的直流电压Ud。而逆变环节则以六只功率开关
器件和辅助元件构成，这些开关器件可以选用功率晶体管 GTR，功率场效应晶体管MOSFET，绝缘门极晶体管IGBT等。 控制逆变器中的功率开关器件按一定规律导通或断开，逆 变器的输出侧即可获得一系列恒幅调宽的输出交流电压， 该电压为可调频、可调压的交流电——VVVF。
PWM脉宽调制变频电路
4.1.1 PWM脉宽调制原理
mps脉宽调整电源方案
mps脉宽调整电源方案
调整脉冲宽度调制（PWM）电源方案是一种常见的方法，用于控制电源输出的电压和电流。
这种方法通过调整开关器件（例如MOSFET）的导通时间来实现对电源输出的精确控制。
以下是一些常见的脉宽调制电源方案：
1. 单极性PWM调整，单极性PWM调整是一种基本的脉宽调制方案，通过控制开关器件的导通时间来调整输出电压。
这种方案适用于许多低成本和低功率应用。
2. 双极性PWM调整，双极性PWM调整是一种更高级的方案，它可以实现正负输出电压。
这种方案通常用于需要正负电压输出的应用，如音频放大器和直流-交流变换器。
3. 多级PWM调整，多级PWM调整方案使用多个级联的PWM调制器件，以实现更高的电源输出精度和稳定性。
这种方案通常用于需要非常精确电压和电流控制的应用，如工业电源和精密仪器。
4. 数字PWM调整，数字PWM调整方案使用数字控制器或微处理器来实现对PWM信号的精确数字调整。
这种方案通常提供更高的灵
活性和精度，适用于需要复杂控制算法的应用，如电动汽车和太阳能逆变器。
在选择脉宽调制电源方案时，需要考虑诸如成本、功率效率、控制精度、EMI（电磁干扰）和应用特定要求等因素。
同时，还需要确保所选方案符合相关的安全标准和法规要求，以确保电源系统的可靠性和安全性。
电力电子技术学习重点提示(第四章)
一、DC-DC 变换的控制方式
1.时间比控制 DC-DC 变换中采用最多的控制方式，它是通过改变斩波器的通、断时间而连续控制输 出电压的大小。即
（4-1）
式中
为斩波周期 ；
为斩波频率；
为导通比。可以看出，改
变导通比 即可改变输出电压平均值 U0，而 比控制又有以下几种实现方式：
的变化又是通过对 T、ton 控制实现的。时间
图 4-8 Boost 变换器
电流连续时，Boost 变换器的输入、输出电压关系为
（4-17）
因为
，故为升压变换关系。
若忽略电路变换损耗，输入、输出功率相等
式中 I 为输入电流 平均值，I0 为输出电流 平均值，则可求得变换器的输入、输出电流关 系为
（4-18） 因此电流连续时 Boost 变换器相当一个升压的“直流”变压器。
电流断续时，设电流在 δ1T 时刻断续，则输入输出可表示为：
（4-25）
（4-26）
3.Boost-Buck（升降压型）变换器
Boost -Buck 变换电路如图 4-11 所示，其特点是： （1）输出电压 U0 可以小于（降压） 、 也可以大于（升压）输入电压 E； （2）输出电压与输入电压反极性。
图 4-4 Buck 变换器
电流连续时，Buck 变换器的输入、输出电压关系为：
（4-2）
因
，
故为降压变换关系。
若忽略电路变换损耗，输入、输出功率相等，有
式中 I 为输入电流 i 系为
（4-3） 因此电流连续时 Buck 变换器完全相当于一个“直流”变压器。
输入输出电压与占空比公式：
单极性调制与双极性调制方式的比较： 1）双极性调制控制简单，只要改变 位置就能将输出电压从+E 变到-E；而在单极性调制方 式中需要改变晶体管触发信号的安排。 2）当 H 桥输出电压很小时，双极性调制每个晶体管驱动信号脉宽都比较宽，能保证晶体管 可靠触发导通。 单极性调制时则要求晶体管驱动信号脉宽十分狭窄， 但过窄脉冲不能保证晶 体管可靠导通。 3）双极性调制时四个晶体管均处于开关状态，开关损耗大；而单极性调制时只有两个晶体 管工作，开关损耗相应小
直流脉宽调制(PWM)变换器-改演示幻灯片
C
_ Us +
实际上是由VT1和 VD2交替导通， 虽然电路中多了 一个功率开关器 件，但并没有被 用上。
6-32
输出波形：
一般电动状态的电 压、电流波形与简 单的不可逆电路波 形（图1-11b）完 全一样。
U, i
Us Ud E id
0 ton T
t
图1-10b 电压和电流波形 b）一般电动状态的电压、电流波形
6-1
第一节 直流斩波器的工作原理
一、理想斩波器（降压斩波电路）
电路结构 +
US
全控型器件 若为晶闸管，须 有辅助关断电路。
S VD
L +
ud
续流二极管
id
负载
R
–
–
6-2
一、理想斩波器（降压斩波电路）
工作原理
+
S + L id
US
VD ud
R
t=0时刻开关S闭合，电源US向 –
–
负 载 供 电 ， 负 载 电 压 uo=US ，
+
IRR
US VT1
–+ C
R1 VT2
+
R
US VT1
+– C
–
b）换流时
–
c）VT2导通时
使VT1承受反向电压而关断
R1 VT2
6-14
第三节 不可逆输出PWM变换器 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)。 直流斩波电路采用的就PWM技术
图6-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
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本章提要
□ 脉宽调制变换器
□ 直流脉宽调速系统的机械特性
V-M直流调速系统通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压U d，从而实现平滑调速。
与G-M系统相比V-M系统有很多优越性，但它也有缺点：
① 电流是脉动的，产生谐波分量，尤其在低速时，因此需要加平波电抗器。
设备投入大，体积增加，同时电感大又限制了系统的快速性。
② 当系统在较低速运行时，晶闸管的导通角很小，使系统的功率因素很低，并产生较大的谐波电流，引起电网电压波形畸变殃及附近的用电设备，也限制了调速范围。
③ 对过电压、过电流敏感，要注意保护。
◎直流PWM调速系统优点：
① 主电路简单，不用电抗器，用电机本身的电感，从而获得脉动很小的直流电流；
② 开关频率高，电枢电流容易连续，无电流断续问题；
③ 系统的低速运行平稳，调速范围较宽；
④ 频带宽，响应快；
⑤ 功率因数高。
电流和电压永远相同，无无功功率问题。
PWM 调速系统和V-M 调速系统主要区别在主电路和PWM控制电路。
闭环控制系统以及静、动态分析和设计基本一样。
PWM 脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制变换器。
4-1 脉宽调制变换器
一、不可逆PWM变换器
电机两端得到的平均电压为
式中ρ= ton / T 为PWM 波形的占空比，改变ρ（0 ≤ ρ < 1 ）即可调节电机的转速。
PWM 脉宽调速系统如上述介绍有许多优点，但也存在缺点：
① 过压能力低，需保护；
② VT单向导电性，不可逆，无制动。
需要制动时，必须具有反向电流-id的通路，因此应再设置一个电力晶体管。
二、可逆PWM变换器
可逆PWM变换器主电路有H型、T型多种形式，最常用的是桥式（亦称H型）电路，如下图所示。
这时，电动机M 两端电压的极性随开关器件基极驱动电压极性的变化而改变，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，这里只着重分析最常用的双极式控制的可逆PWM变换器。
2. 工作状态与波形
① 正向运行：
·在0 ≤ t ≤ ton 期间，Ug1 =Ug4为正，VT1 、VT4导通，Ug2 =Ug3为负，VT2 、VT3截止，电流id 沿回路1流通，电动机M两端电压UAB = +Us ；
·在ton ≤ t ≤ T期间，Ug1 =Ug4为负，VT1 、VT4截止；由于电感储存很大能量，放电，维持电流方向不变，这时通过VD2 、VD3续流，并钳位使VT2 、VT3保持截止，电流id 沿回路2流通，电动机M两端电压UAB = –Us 。
② 反向运行：先分析ton→T 阶段
·在ton ≤ t ≤ T 期间，Ug2 = Ug3 为正，VT2 、VT3导通，Ug1 =Ug4为负，使VT1 、VT4截止，电流– id 沿回路3流通，电动机M两端电压UAB = – Us ；
·在T≤ t ≤ T+ton ( 下一周期的0 ≤ t ≤ ton ) 期间，Ug2 = Ug3为负，VT2 、VT3截止，VD1 、VD4 续流，并钳位使VT1 、VT4截止，电流–id 沿回路4流通，电动机M两端电压UAB = +Us 。
④ 输出平均电压
双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为
为占空比
·当> 0时，t on > T/2 ，Ud = +，电机正转；
·当< 0时，t on < T/2 ，Ud = -，电机反转；
·当= 0时，ton = T/2，电机停止。
◎注意：
当电机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。
这个交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，徒然增大电机的损耗，这是双极式控制的缺点。
但它也有好处，在电机停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、反向时的静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用。
双极式可逆PWM制动时情况比较复杂，根据VT3、VT2的通断情况，电机可能处在能耗制动、再生发电或反接制动，产生制动时一定具备上述其中一个制动过程。
⑤ 性能评价
·双极式可逆PWM变换器的优点：
a）电流一定连续；
b）可使电机在四象限运行；
c）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；
d）低速平稳性好，系统的调速范围可达1:20000左右；
e）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。
·双极式可逆PWM变换器的缺点：
a）在工作过程中，4个大功率晶体管可能都处于开关状态，开关损耗大；
b）在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止上述情况，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。