电力电子第6章 脉宽调(PWM)技术

同一相上下两臂的驱动信号互 补，为防止上下臂直通而造成 短路，留一小段上下臂都施加 关断信号的死区时间。
O
u UN'
Ud
2
O
?
Ud 2
u VN'
Ud
2O
?
Ud 2
u WN'
Ud
2
O
u UV Ud
O -Ud u UN
O
?t ?t ?t ?t
?t
2Ud
Ud
3
3
?t
图6-8 三相桥式PWM逆变电路波形
死区时间的长短主要由开关器 件的关断时间决定。
工作时V1和V2通断互补， V3和V4通断也互补。
以uo正半周为例，V1通， V2断，V3和V4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，V1 和V4导通时，uo等于Ud 。
图6－4 单相桥式PWM逆变电路
6-14
6.2.1 计算法和调制法
图6－4 单相桥式PWM逆变电路
6-15
6.2.1 计算法和调制法
3）单极性PWM控制方式（单相桥逆变）
在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。
ur正半周，V1保持通，
V2保持断。
u
uc ur
当 ur>uc 时 使 V4 通 ，
V3断，uo=Ud 。
O
wt
当 ur<uc 时 使 V4 断 ，
V3通，uo=0 。
uo
uof uo
Ud
O
wt
-Ud
图6-6 双极性PWM控制方式波形
6-17
u
uc
ur6.2.1
计算法和调制法
u
ur uc
O
wt O
wt
uo
uo
Ud
uof
uo
u of
uo
Ud
O
wt O
wt
-Ud
-Ud
图6-5 单极性PWM控制方式波形 图6-5 双极性PWM控制方式波形
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。
两种电平。
同样在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻 u 控制器件的通断。
ur uc
ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同。O
wt
当ur >uc时，给V1和V4导通信号，给 V2和V3关断信号。 如io>0，V1和V4通，如io<0，VD1和 VD4通， uo=Ud 。 当ur<uc时，给V2和V3导通信号，给 V1和V4关断信号。 如io<0，V2和V3通，如io>0，VD2和 VD3通，uo=-Ud 。
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
f (t)
f (t)
f (t)
f (t)
d (t)
O
tO
tO
tO
t
a)矩形脉冲
b)三角形脉冲 c)正弦半波脉冲 d)单位脉冲函数
图6-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
6-4
6.1 PWM控制的基本思想
具体的实例说明 “面积等效原理”
a）
b) 图6-2 冲量相等的各 种窄脉冲的响应波形
为
an
4
p
U a1
d
02
sin
nwtdwt
a2 ( U d sin nwt)dwt
a1
2
U a3 d a2 2
sin nwtdwt
p
2
(
Ud
a3
2
sin nwt)dwt
2U d
np
式中n=1,3,5,…
(1 2 cos na1
uo
2 cos na 2
2 cos na3 )
Ud
6-12
6.2.1 计算法和调制法
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。
6-13
6.2.1 计算法和调制法
2）调制法
结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明
• 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。
6-2
第六章 PWM控制技术• 引言
• 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，它使电力电子装置的性能大大 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。
2）调制法
VV4D关3续断流时，，u负o=载0 电流通过V1和 负V从uo4载V=仍UD电导d1和。流通V为，D负i4o流为的过负区，，间仍实，有际V上1和io VV4D关1续断流V3，开u通o=后0。，io从V3和 uo总可得到Ud和零两种电平。
u持得o断-负U，半d和V周零3，和两让V种4V交电2保替平持通。通断，，Vuo1保可
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:
20V
0V -20V
0s
5ms
10ms
15ms
20ms
25ms
30ms
所需波形 等效的PWM波
6-10
6.2 PWM逆变电路及其控制方法
Ud
O -Ud
wt
6-8
6.1 PWM控制的基本思想
等幅PWM波
不等幅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
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
Ud
U
O
wt o
ωt
- Ud
6-9
6.1 PWM控制的基本思想
ur负半周，请同学们自
uo
uo
Ud
uof
己分析。Owt源自表示uo的基波分量-Ud
图6-5 单极性PWM控制方式波形
6-16
6.2.1 计算法和调制法
3）双极性PWM控制方式（单相桥逆变）
在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。
在ur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±Ud
u(wt) u(p wt)
(6-2)
同时满足式（6-1）、（6-2）的波形称为四分之一周
期对称波形，用傅里叶级数表示为
u(wt) an sin nwt
式中，an为
n1,3,5,
an
4
p
p
2 u(wt)sin nwtdwt
0
(6-3)
6-23
6.2.1 计算法和调制法
图6-9，能独立控制a1、a 2和a 3共3个时刻。该波形的an
当fr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
当fr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
6-27
2） 同6步.2调.制2 异步调制和同步调制
——载波信号和调制信号保持同步的调制方式，当变频时
?t
当给uVr4U关>u断c时信，号给，Vu1U导N’=通U信d/2号。， 当给uVr1U关<u断c时信，号给，Vu4U导N’=通-U信d/号2。， 当给V1(V4)加导通信号时，可 能VD是1(VV1D(V4)4导)导通通。，也可能是 uUN’、uVN’和uWN’的PWM波形 只有±Ud/2两种电平。 uUV波形可由uUN’-uVN’得出， 当1和6通时，uUV=Ud，当3和4 通时，uUV=－Ud，当1和3或4 和6通时，uUV=0。
• 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。
6-3
6.1 PWM控制的基本思想
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。
应改变。
6-25
6.2.1 计算法和调制法
一般在输出电压半周期内，器件通、断各k次，考虑到 PWM波四分之一周期对称，k个开关时刻可控，除用一
个自由度控制基波幅值外，可消去k－1个频率的特定谐
波。 k的取值越大，开关时刻的计算越复杂。 除计算法和调制法外，还有跟踪控制方法，在6.3节介绍。
6-26
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。
6-5
6.1 PWM控制的基本思 想
如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波
u
SPWM波 u
O
ω>t
O
ω> t
u
O
ω>t
6-6
6.1 PWM控制的基本思想
如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波
uu
SPWM波 u
6.2.2 异步调制和同步调制
载波比
载波频率fc与调制信号频率fr之比，N= fc / fr
根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，
PWM调制方式分为异步调制和同步调制。
1） 异步调制