第7章 PWM控制技术

1、第七章 PWM控制技术 PWM TechniquesPWM控制的基本原理控制的基本原理PWM逆变电路及其控制方法逆变电路及其控制方法PWM整流电路及其控制方法整流电路及其控制方法本章主要内容 PWM (Pulse Width Modulation)控控制技术就是制技术就是脉宽调制技术脉宽调制技术：即通过对一系：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值需要的波形（含形状和幅值) )PWM 控制技术 PWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实现展使得实现PWM控制变得十分容易控制变得

2、十分容易 PWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的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占有十分重要的地位 PWM控制技术正是有赖于在控制技术正是有赖于在逆变电路逆变电路中的成功应中的成功应用，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在使用的各种逆变电路都采用了PWM技术，因此，技术，因此，本章和第本章和第5 5章（逆变电路）相结合，才能使我们对章（逆变电路）相结合，才能使我们对逆变电路有完整地认识逆变电路有完整地

3、认识PWM 控制技术重要理论基础重要理论基础面积等效原理面积等效原理冲量冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其上时，其效果基本相同效果基本相同。 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲形状不同而冲量相同的各种窄脉冲d)d)单位脉冲函数单位脉冲函数f f ( (t t) )d d ( (t t) )t tO Oa)a)矩形脉冲矩形脉冲b)b)三角形脉冲三角形脉冲c)c)正弦半波脉冲正弦半波脉冲t tO Ot tO Ot tO Of f ( (t t) )f f ( (t t) )f f ( (t t) )PWM基本工作原理b)冲量相等的各种窄脉冲量相

4、等的各种窄脉冲的响应波形冲的响应波形具体的实例说明具体的实例说明“面积等效原理面积等效原理”a）u u (t)(t)电压窄脉冲，电压窄脉冲，是电路的输入是电路的输入 i i (t)(t)输出电流，输出电流，是电路的响应是电路的响应 PWM基本工作原理OutSPWMSPWM波波Out如何用一系列如何用一系列等幅不等宽的脉冲等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波来代替一个正弦半波OutPWM控制技术的基本思想若要改变等效输出正弦若要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。变各脉冲宽度即可。SPWMSPWM波波Out如何用一系列如何用一系列等幅不等宽的脉冲等幅不等宽的脉

5、冲来代替一个正弦半波来代替一个正弦半波OutOutPWM控制技术的基本思想OwtUd-Ud对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWMPWM波形，因此正弦波一个完整周期的等效波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWMPWM波为：波为：OwtUd-Ud根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWMPWM波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。PWM控制技术的基本思想等等幅幅PWMPWM波波 输入电源是恒定直流输入电源是恒定直流 第第5 5章的直流斩波电路章的直流斩波电路 7.2

6、7.2节的节的PWMPWM逆变电路逆变电路 7.47.4节的节的PWMPWM整流电路整流电路不等幅不等幅PWMPWM波波 输入电源是交流或不是恒定输入电源是交流或不是恒定 的直流的直流 6.16.1节的斩控式交流调压电路节的斩控式交流调压电路OwtUd-UdUotPWM控制技术的基本思想直流斩波电路直流斩波电路 直流波形直流波形SPWMSPWM波波 正弦波形正弦波形PWMPWM电流波电流波 电流型逆变电路进行电流型逆变电路进行PWMPWM控制，得到的就是控制，得到的就是PWMPWM电流波电流波PWMPWM波可等效的各种波形波可等效的各种波形l 等效的等效的PWMPWM波波0s5m s10m s

7、15m s20m s25m s30m s-20V0V20VPWM控制技术的基本思想等效成其他所需波形，如等效成其他所需波形，如: :l 所需波形所需波形 目前中小功率的逆变电路几乎都采用目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWMPWM技术技术逆变电路是逆变电路是PWMPWM控制技术最为重要的应用场合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本节内容构成了本章的主体PWMPWM逆变电路也可分为逆变电路也可分为电压型电压型和和电流型电流型两种，目两种，目前实用的前实用的PWMPWM逆变电路几乎都是电压型电路逆变电路几乎都是电压型电路PWM逆变电路及其控制方法7.2.17.2.1 计算法和调制法

8、计算法和调制法7.2.2 7.2.2 异步调制和同步调制异步调制和同步调制 7.2.4 PWM7.2.4 PWM逆变电路的谐波分析逆变电路的谐波分析7.2.5 7.2.5 提高直流电压利用和减少开关次数提高直流电压利用和减少开关次数PWM逆变电路及其控制方法1 1）计算法计算法根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算准确计算PWMPWM波各脉冲宽度和间隔，据此控波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需需PWMPWM波形。波形。本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅

9、值或相位变化时，结果都要变化。或相位变化时，结果都要变化。计算法和调制法工作时工作时V V1 1和和V V2 2通断互补，通断互补，V V3 3和和V V4 4通断也互补通断也互补以以u uo o正半周为例，正半周为例，V V1 1通，通，V V2 2断，断，V V3 3和和V V4 4交替通断交替通断负载电流比电压滞后，负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流在电压正半周，电流有一段区间为正，一有一段区间为正，一段区间为负段区间为负负载电流为正的区间，负载电流为正的区间，V V1 1和和V V4 4导通时，导通时，u uo o等于等于U Ud d 2 2）调制法调制法结合结合IGBTIGBT单

10、单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明计算法和调制法 单相桥式单相桥式PWMPWM逆变电路逆变电路V V4 4关断时，负载电流关断时，负载电流通过通过V V1 1和和VDVD3 3续流，续流，u uo o=0=0负载电流为负的区间，负载电流为负的区间， V V1 1和和V V4 4仍导通，仍导通，i io o为负，为负，实际上实际上i io o从从VDVD1 1和和VDVD4 4流流过，仍有过，仍有u uo o= =U Ud d 。u uo o负半周，让负半周，让V V2 2保持保持通，通，V V1 1保持断，保持断，V V3 3和和V V4 4交替通断，交

11、替通断，u uo o可得可得- -U Ud d和零两种电平。和零两种电平。计算法和调制法u ur r正半周正半周，V V1 1保持保持通通，V V2 2保持保持断断。当当u ur r u uc c时使时使V V4 4通，通，V V3 3断，断，u uo o= =U Ud d 。当当u ur r u uc c时时，给，给V V1 1和和V V4 4导通导通信号，给信号，给V V2 2和和V V3 3关断信号。关断信号。如如i io o00，V V1 1和和V V4 4通，如通，如i io o00，VDVD1 1和和VDVD4 4通，通， u uo o= =U Ud d 。当当u ur r u u

12、c c时时，给，给V V2 2和和V V3 3导通导通信号，给信号，给V V1 1和和V V4 4关断信号。关断信号。如如i io o000，VDVD2 2和和VDVD3 3通，通，u uo o=-=-U Ud d 。在在u ur r和和u uc c的交点时刻控制的交点时刻控制IGBTIGBT的通断。的通断。计算法和调制法 双极性双极性PWMPWM控制方式波形控制方式波形 单极性单极性PWMPWM控制方式波形控制方式波形 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极性调制，也可采用双极性调制，由于对开

13、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。控制的规律不同，它们的输出波形也有较大的差别。计算法和调制法4 4）双极性双极性PWMPWM控制控制方式方式（三相桥逆变）（三相桥逆变）三相桥式三相桥式PWMPWM型逆变电路型逆变电路 三相的三相的PWMPWM控制控制公用三角波载公用三角波载波波u uc c三相的调制信三相的调制信号号u urUrU、u urVrV和和u urWrW依次相差依次相差120120计算法和调制法防直通的死区时间防直通的死区时间同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下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臂直通而造成短路

14、，留一小段上下臂都施加关断信号的死区时间。断信号的死区时间。死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定。定。死区时间会给输出的死区时间会给输出的PWMPWM波带来影响，使其稍波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。稍偏离正弦波。计算法和调制法根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWMPWM调制方式分为调制方式分为异步调制异步调制和和同步调制同步调制。载波比载波比载波频率载波频率f fc c与调制信号频率与调制信号频率f fr r之比，之比，N N= = f fc c / / f fr r1 1） 异步调制异步调

15、制载波信号和调制信号不同步的调制方式载波信号和调制信号不同步的调制方式异步调制和同步调制2 2） 同步调制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，即时使载波与信号波保持同步，即N N等于常数。等于常数。通常保持通常保持f fc c固定不变，当固定不变，当f fr r变化时，载波比变化时，载波比N N是变是变化的化的在信号波的半周期内，在信号波的半周期内，PWMPWM波的脉冲个数不固定，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，半周期相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后内前后1/41/

16、4周期的脉冲也不对称周期的脉冲也不对称当当f fr r较低时，较低时，N N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小不对称产生的不利影响都较小当当f fr r增高时，增高时，N N减小，一周期内的脉冲数减少，减小，一周期内的脉冲数减少，PWMPWM脉冲不对称的影响就变大脉冲不对称的影响就变大1 1） 异步调制异步调制异步调制和同步调制2 2） 同步调制同步调制基本同步调制方式，基本同步调制方式，f fr r变变化时化时N N不变，信号波一周期不变，信号波一周期内输出脉冲数固定。内输出脉冲数固定。三相电路中公用一个三角三相电路中公用一个三角波载波，且

17、取波载波，且取N N为为3 3的整数的整数倍，使三相输出对称。倍，使三相输出对称。为使一相的为使一相的PWMPWM波正负半周波正负半周镜对称，镜对称，N N应取奇数。应取奇数。异步调制和同步调制f fr r很低时，很低时，f fc c也很低，由调制带来的谐波不易滤除。也很低，由调制带来的谐波不易滤除。f fr r很高时，很高时，f fc c会过高，使开关器件难以承受。会过高，使开关器件难以承受。3 3）分段同步调制分段同步调制异步调制和同步调制的异步调制和同步调制的综合应用。综合应用。把整个把整个f fr r范围划分成若范围划分成若干个频段，每个频段内干个频段，每个频段内保持保持N N恒定，不

18、同频段的恒定，不同频段的N N不同。不同。在在f fr r高的频段采用较低高的频段采用较低的的N N，使载波频率不致过，使载波频率不致过高；在高；在f fr r低的频段采用低的频段采用较高的较高的N N，使载波频率不，使载波频率不致过低。致过低。00.40.81.21.62.02.410203040506070802011479969453321图6-11fr /Hzfc /kHz 分段同步调制方式举例分段同步调制方式举例 异步调制和同步调制3 3）分段同步调制分段同步调制异步调制和同步调制的综合应用。异步调制和同步调制的综合应用。为防止为防止f fc c在切换点附近来回跳动，采用滞后切换在切

19、换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法。的方法。同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易实现。实现。可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近。来，和分段同步方式效果接近。异步调制和同步调制 使用载波对正弦信号波调制，会产生和载波有使用载波对正弦信号波调制，会产生和载波有关的谐波分量。关的谐波分量。 谐波频率和幅值是衡量谐波频率和幅值是衡量PWMPWM逆变电路性能的重逆变电路性能的重要指标之一。要指标之

20、一。 分析以双极性分析以双极性SPWMSPWM波形为准。波形为准。 同步调制可看成异步调制的特殊情况，只分析同步调制可看成异步调制的特殊情况，只分析异步调制方式。异步调制方式。 分析方法分析方法以载波周期为基础，再利用贝塞尔函数推导出以载波周期为基础，再利用贝塞尔函数推导出PWMPWM波的傅里叶级数表达式。波的傅里叶级数表达式。尽管分析过程复杂，但结论简单而直观。尽管分析过程复杂，但结论简单而直观。PWM逆变电路的谐波分析三相和单相比较，共同点是都不含低次谐波，一个较显著三相和单相比较，共同点是都不含低次谐波，一个较显著的区别是载波角频率的区别是载波角频率w wc c整数倍的谐波没有了，谐波中

21、幅值整数倍的谐波没有了，谐波中幅值较高的是较高的是w wc c2 2w wr r和和2 2w wc cw wr r。SPWMSPWM波中谐波主要是角频率为波中谐波主要是角频率为w wc c、2 2w wc c及其附近的谐波，很及其附近的谐波，很容易滤除。容易滤除。当调制信号波不是正弦波时，谐波由两部分组成：一部分当调制信号波不是正弦波时，谐波由两部分组成：一部分是对信号波本身进行谐波分析所得的结果，另一部分是由是对信号波本身进行谐波分析所得的结果，另一部分是由于信号波对载波的调制而产生的谐波。后者的谐波分布情于信号波对载波的调制而产生的谐波。后者的谐波分布情况和况和SPWMSPWM波的谐波分析

22、一致。波的谐波分析一致。谐波分析小结谐波分析小结PWM逆变电路的谐波分析 直流电压利用率直流电压利用率逆变电路输出交流电压基波逆变电路输出交流电压基波最大幅值最大幅值U U1m1m和直流电压和直流电压U Ud d之比。之比。 提高直流电压利用率可提高逆变器的输出能力。提高直流电压利用率可提高逆变器的输出能力。 减少器件的开关次数可以降低开关损耗。减少器件的开关次数可以降低开关损耗。 正弦波调制的三相正弦波调制的三相PWMPWM逆变电路，调制度逆变电路，调制度a a为为1 1时，时，输出线电压的基波幅值为输出线电压的基波幅值为 ，直流电压利，直流电压利用率为用率为0.8660.866，实际还更低

23、。，实际还更低。 梯形波调制方法的思路梯形波调制方法的思路采用梯形波作为调制信号，可有效提高直流采用梯形波作为调制信号，可有效提高直流电压利用率。电压利用率。当梯形波幅值和三角波幅值相等时，梯形波当梯形波幅值和三角波幅值相等时，梯形波所含的基波分量幅值更大。所含的基波分量幅值更大。dU) 2/ 3(提高直流电压利用率和减少开关次数PWMPWM波形生成的第三种方法波形生成的第三种方法跟踪控制方法跟踪控制方法。把希望输出的波形作为指令信号，把实际波形把希望输出的波形作为指令信号，把实际波形作为反馈信号，通过两者的瞬时值比较来决定作为反馈信号，通过两者的瞬时值比较来决定逆变电路各开关器件的通断，使实

24、际的输出跟逆变电路各开关器件的通断，使实际的输出跟踪指令信号踪指令信号 变化。变化。常用的有常用的有滞环比较方式滞环比较方式和和三角波比较方式三角波比较方式。PWM跟踪控制技术实用的整流电路几乎都是晶闸管整流或二极管整实用的整流电路几乎都是晶闸管整流或二极管整流。流。晶闸管相控整流电路：输入电流滞后于电压，且晶闸管相控整流电路：输入电流滞后于电压，且其中谐波分量大，因此功率因数很低。其中谐波分量大，因此功率因数很低。二极管整流电路：虽位移因数接近二极管整流电路：虽位移因数接近1，但输入电流，但输入电流中谐波分量很大，所以功率因数也很低。中谐波分量很大，所以功率因数也很低。把逆变电路中的把逆变电

25、路中的SPWM控制技术用于整流电路，控制技术用于整流电路，就形成了就形成了PWM整流电路整流电路。控制控制PWM整流电路，使其输入电流非常接近正弦整流电路，使其输入电流非常接近正弦波，且和输入电压同相位，功率因数近似为波，且和输入电压同相位，功率因数近似为1，也，也称称单位功率因数变流器单位功率因数变流器，或，或高功率因数整流器高功率因数整流器。PWM整流电路及其控制方法33为了使为了使PWM整流电路根据有没有引入电流整流电路根据有没有引入电流反馈在工作时功率因数近似为反馈在工作时功率因数近似为1，要求输入，要求输入电流为正弦波且和电压同相位，可以有多电流为正弦波且和电压同相位，可以有多种控制

26、方法。根据有没有引入电流反馈可种控制方法。根据有没有引入电流反馈可以分为以分为 间接电流控制间接电流控制直接电流控制直接电流控制PWM整流电路及其控制方法PWM控制技术的地位控制技术的地位在电力电子领域有广泛的应用，并对电力电子在电力电子领域有广泛的应用，并对电力电子技术产生了十分深远影响的一项技术技术产生了十分深远影响的一项技术器件与器件与PWM技术的关系技术的关系IGBT、电力、电力MOSFET等为代表的全控型器件等为代表的全控型器件的不断完善给的不断完善给PWM控制技术提供了强大的物质控制技术提供了强大的物质基础基础PWM控制技术用于直流斩波电路控制技术用于直流斩波电路直流斩波电路实际上就是直流直流斩波电路实际上就是直流PWM电路，是电路，是PWM控制技术应用较早也成熟较早的一类电路，控制技术应用较早也成熟较早的一类电路，应用于直流电动机调速系统就构成广泛应用的应用于直流电动机调速系统就构成广泛应用的直直流脉宽调速系统流脉宽调速系统PWM控制技术小结PWM控制技术用于交流控制技术用于交流交流变流电路交流变流电路斩控式交流调压电路和矩阵式变频电路是斩控式交流调压电路和矩阵式变频电路是PWM控制技术在这类电路中应用的代表控制技术在这类电路中应用的代表目前应