PWM控制技术(深度剖析).docx

第6章PWM控制技术主要内容：PWM控制的基本原理、控制方式与PWM波形的生成方法，PWM逆变电 路的谐波分析，PWM整流电路重点：PWM控制的基本原理、控制方式与PWM波形的生成方法难点：PWM波形的生成方法，PWM逆变电路的谐波分析基本要求：掌握PWM控制的基本原理、控制方式与PWM波形的生成方法，了解PWM 逆变电路的谐波分析，了解跟踪型PWM逆变电路，了解PWM整流电路PWM(Pulse Width Modulation)控制——脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽 度进行调制，来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)第 3、 4 章已涉及这方面内容: 第 3 章：直流斩波电路采用，第4 章有两处： 4.1 节斩控式交流调压电路， 4.4 节矩阵式变 频电路本章内容PWM控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是PWM型，PWM 控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位本章主要以逆变电路为控制对象来介绍PWM控制技术，也介绍PWM整流电路1 PWM控制的基本原理理论基础： 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。

冲量指窄 脉冲的面积效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同低频段非常接近，仅在 高频段略有差异图 6-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲面积等效原理：分别将如图6-1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节(R-L电路)上，如图6-2a所示 其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图6-2b所示从波形可以看出，在i(t)的上升 段, i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的用傅里叶级数分解后将可 看出，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同图 6-2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的 脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积(冲 量)相等，宽度按正弦规律变化SPWM波形一一脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形— '—In——龙乡乡乡勿 图 6-3 用 PWM 波代替正弦半波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 等幅 PWM 波和不等幅 PWM 波：由直流电源产生的 PWM 波通常是等幅 PWM 波，如直流斩波电路及本章主要介绍的 PWM逆变电路，6.4节的PWM整流电路。

输入电源是交流，得到不等幅PWM波，如4.1 节讲述的斩控式交流调压电路， 4.4节的矩阵式变频电路基于面积等效原理，本质是相同 的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 波形可等效的各种波形： 直流斩波电路：等效直流波形SPWM 波：等效正弦波形，还可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形 等，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面积原理2 PWM逆变电路及其控制方法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，目前实用的几乎都是电压型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波形缺点：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2、 调制法输出波形作调制信号，进行调制得到期望的PWM波；通常采用等腰三角波或锯齿波作 为载波；等腰三角波应用最多，其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称；与任一 平缓变化的调制信号波相交，在交点控制器件通断，就得宽度正比于信号波幅值的脉冲， 符合 PWM 的要求。

调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波；调制信号不是正弦波，而是其他所需 波形时，也能得到等效的PWM波结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明：设负载为阻感负载，工作时 V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补控制规律：uo正半周，V］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， 电流有一段为正，一段为负，负载电流为正区间，V］和V4导通时，uo等于Ud，V4关断时， 负载电流通过V］和VD3续流，uo=0，负载电流为负区间，i为负，实际上从VD1和VD4流 过，仍有u°=Ud，V4断，V3通后，i从V3和VD］续流，u°=0, uo总可得到Ud和零两种电 平uo负半周，让v2保持通,V］保持断，v和 V交替通断，uo可得-ud和零两种电平vd3vd4信号波上 载波上图 6-4 单相桥式 PWM 逆变电路单极性 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，当 ur>uc 时使V 通, V断，uo=Ud，当uruc时使V断，V 通, uo=0，虚线uof 表示 uo 的基波分量。

波形见图 6-5图 6-5 单极性 PWM 控制方式波形双极性 PWM 控制方式（单相桥逆变）：在 ur 半个周期内，三角波载波有正有负，所得 PWM 波也有正有负在 ur 一周期内输出PWM波只有土Ud两种电平，仍在调制信号ur和载波信号uc的交点控制器件通断ur 正负半周，对各开关器件的控制规律相同，当Ur >uc时，给V］和V4导通信号，给V2和 V3关断信号，如i°>0, V］和V4通，如i°vO, VD］和VD4通，u°=Ud，当ur0, VD2和VD3通， uo=-Ud波形见图6-6图 6-6 双极性 PWM 控制方式波形 双极性 PWM 控制方式(三相桥逆变)：见图 6-7 三相 PWM 控制公用 U相的控制规律： 当urU>uc时，给 V］导通信号，给V4 关断信号， UUN尸Ud/2 '当 UrU

} I |U :VV4Hvn2调制电路图 6-7 三相桥式 PWM 型逆变电路uVN和uWN的PWM波形只有土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波形见图6-8输出线电压PWM波由土Ud和0三种电平构成，负载相电压PWM波由(±2⑶Ud、(±1/3)Ud 和 0 共 5 种电平组成图 6-8 三相桥式 PWM 逆变电路波形 防直通死区时间： 同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通造成短路，留一小段上下臂都施 加关断信号的死区时间死区时间的长短主要由器件关断时间决定死区时间会给输出 PWM 波带来影响，使其稍稍偏离正弦波特定谐波消去法(Selected Harmonic Elimination PWM—SHEPWM)：计算法中一种较有代表性的方法，图 6-9输出电压半周期内，器件通、断各3 次（不包括0和n）,共6个开关时刻可控为减少谐波并简化控制，要尽量使波形对称首先，为消除偶次谐波，使波形正负两半周期镜对称，即：u （o t） = - u （o t + 兀） （6_1）图 6-9 特定谐波消去法的输出 PWM 波形其次，为消除谐波中余弦项，使波形在半周期内前后1/4周期以n/2为轴线对称。

u (o t) = u (兀一 o t)(6-2)四分之一周期对称波形，用傅里叶级数表示为：u (ot )兰 a sin n o t nn = 1,3,5，…(6-3)式中，a 二-2 u(ot) sin notdotn 兀0图 6-9，ann3a能独立控制a1> a2和a3共3个时刻该波形的an为=—[Jai 4sin notdot + fa2 (一 ^sin not)dot +兀o 2 幻 2U 匹 U4 sin n o td o t + J 2 (一 吐 sin n o t) do t ]=2 2 a3 2232Ud(1 — 2 cos n a + 2 cos n a 一 2 cos n a )n 兀 12 3(6-4)式中 n=1,3,5,...确定a］的值，再令两个不同的an=0，就可建三个方程，求得a1> a2和a3 消去两种特定频率的谐波：在三相对称电路的线电压中，相电压所含的3次谐波相互抵消，可考虑消去5次和7 次谐波，得如下联立方程：2Ua = 4（1 一 2 cos a + 2 cos a - 2 cos a ）1 兀 12 32U(1 一 2 cos 5a + 2 cos 5a — 2 cos 5a ) = 01232U(6-5)(1 一 2 cos 7a + 2 cos 7a 一 2 cos 7a ) = 03给定a”解方程可得a「a2和a3。

ax变，a「a2和a3也相应改变一般，在输出电压半周期内器件通、断各 k 次，考虑 PWM 波四分之一周期对称， k 个 开关时刻可控，除用一个控制基波幅值，可消去 k－1 个频率的特定谐波， k 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 （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 异步调制——载波信号和调制信号不同步的调制方式通常保持 fc 固定不变，当 fr 变化时，载波比 N 是变化的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 的脉冲也不对称当 fr 较低时， N 较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称的不利影响都 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因 此，在采用异步调制方式时，希望采用较高的载波频率，以使在信号波频率较高时仍能保 持较大的载波比2、 同步调制同步调制——N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步。

基本同步调制方式， fr 变化时 N 不变，信号波一周期内输出脉冲数固定三相，公用一 个三角波载波，且取 N 为 3 的整数倍，使三相输出对称为使一相的 PWM 波正负半周镜 对称， N 应取奇数当 N=9 时的同步调制三相 PWM 波形如图 6-10 所示fr 很低时， fc 也很低，由调制带来的谐波不易滤除， 。