PWM的概念和基本原理

前面我們聊過了交流和直流之間的變換，涉及的最多的應該就是開關器件的開通和關斷。 那么問題來了，怎么樣開關才能達到我們的需要呢? 就讓我們開始下面一個階段的聊天內容吧，脈沖寬度調制，也就是PWM(Pulse Width Modulation)。

1什么是PWM?

PWM(Pulse Width Modulation)，即脈沖寬度調制。

脈寬調制技術是通過控制半導體開關器件的通斷時間，在輸出端獲得幅度相等而寬度可調的波形(稱PWM波形)，從而實現(xiàn)控制輸出電壓的大小和頻率來改善輸出波形的一種技術。

前面介紹的那些全控型功率半導體器件，如GTR、MOSFET、IGBT等，用它們構成的PWM變換器，可以使裝置體積小、斬波頻率高、控制靈活、調節(jié)性能好和成本低。

脈寬調制的方法很多，主要分類如下：

①根據(jù)基波信號的不同，可以分為：矩形波脈寬調制和正弦波脈寬調制

矩形波脈寬調制的特點是輸出脈沖列是等寬的，只能控制一定次數(shù)的諧波; 正弦波脈寬調制也叫SPWM，特點是輸出脈沖列是不等寬的，寬度按正弦規(guī)律變化，輸出波形接近正弦波。

②根據(jù)調制脈沖的極性，可以分為：單極性脈寬調制和雙極性脈寬調制

單極性PWM是指在半個周期內載波只在一個方向變換，所得PWM波形也只在一個方向變化，而雙極性PWM是指在半個周期內載波在兩個方向變化，所得PWM波形也在兩個方向變化。

③根據(jù)載波信號和基波信號頻率之間的關系，可以分為：同步脈寬調制和異步脈寬調制

(下面會進行詳細介紹)

2PWM基本原理

PWM控制的重要理論依據(jù)：

在采樣控制理論中有一個重要結論：沖量(脈沖的面積)相等而形狀不同窄脈沖，分別加在具有慣性環(huán)節(jié)的輸入端，其輸出響應波形基本相同，也就是說，盡管脈沖形狀不同，但只要脈沖面積相等，其作用的效果基本相同。

如下圖所示：

一個正弦半波完全可以用等幅不等寬的脈沖列來等效，但必須做到正弦半波所等分的6塊陰影面積與相對應的6個脈沖列的陰影面積相等，其作用的效果就基本相同。 對于正弦波的負半周，用同樣方法得到。

01單相橋式PWM變頻電路工作原理

基本電路拓撲如下圖所示

設負載為電感性，控制方法可以有單極性與雙極性兩種。

單極性PWM控制：按照PWM控制的基本原理，如果給定了正弦波頻率、幅值和半個周期內的脈沖個數(shù)，PWM波形各脈沖的寬度和間隔就可以準確地計算出來。 依據(jù)計算結果來控制逆變電路中各開關器件的通斷，就可以得到所需要的PWM波形。 但是這種計算很繁瑣，較為實用的方法是采用調制控制，如下圖所示：

把所希望輸出的正弦波作為調制信號ur，把接受調制的等腰三角形波作為載波信號uc，對逆變橋VT1~VT4的控制方法如下。

①當ur正半周時，讓VT1一直保持通態(tài)，VT2保持斷態(tài)。 在ur與uc正極性三角波交點處控制VT4的通斷，在ur>uc各區(qū)間，控制VT4為通態(tài)，輸出負載電壓uo=UD。 在ur

②當ur負半周時，讓VT2一直保持通態(tài)，VT1保持斷態(tài)，在ur和uc負極性三角波交點處控制VT3的通斷。 在uruc各區(qū)間，控制VT3為斷態(tài)，輸出負載電壓uo=0，此時負載電流可以經過VD4與VT2續(xù)流。

由于在這種控制方式中的PWM波形只能在一個方向變化，故稱為單極性PWM控制方式。

雙極性PWM控制：調制信號ur仍然是正弦波，而載波信號uc改為正負2個方向變化的等腰三角形，如下圖所示：

對逆變橋VT1~VT4的控制方法如下：

①在ur正半周，當ur>uc的各區(qū)間，給VT1和VT4導通信號，而給VT2和VT3關斷信號，輸出負載電壓uo=UD。 在ur

②在ur負半周，當uruc的各區(qū)間，給VT2和VT4導通信號，而給VT2和VT3關斷信號，輸出負載電壓uo=UD。

雙極性PWM控制輸出uo波形為2個方向變化等幅不等寬的脈沖列。 同一半橋上下2個橋臂晶體管的驅動信號極性恰好相反，處于互補工作方式。

02三相橋式PWM變頻電路工作原理

基本電路拓撲如下圖所示

設負載為感性，從電路結構上看，三相橋式PWM變頻電路只能選用雙極性控制方式，其工作原理如下：

三相調制信號urU、urV和urW為相位依次相差120°的正弦波，而三相載波信號是公用一個正負方向變化的三角形波uc。 U、V和W相自關斷開關器件的控制方法相同，現(xiàn)以U相為例：在urU>uc的各區(qū)間，給上橋臂電力晶體管VT1以導通驅動信號，而給下橋臂VT4以關斷信號，于是U相輸出電壓相對直流電源UD中性點N'為uUN'=UD/2。 在urU

其他兩相的控制原理與U相相同。 在雙極性PWM控制方式，理論上要求同一相上下2橋臂的開關管驅動信號相反，但實際上，為了避免上下橋臂同時導通，需要在兩橋臂切換間加上一個延遲時間，這個延遲時間就是我們常說的死區(qū)時間。 由于此延遲會給輸出PWM波形帶來偏離正弦波的不利影響，所以在保證安全可靠換流前提下，死區(qū)時間應盡可能取小。

3PWM逆變電路的調制控制方式

在PWM電路中，載波頻率fc與調制信號頻率fr之比稱為載波比，即N=fc/fr。 根據(jù)載波和調制信號波是否同步，PWM逆變電路有異步調制和同步調制兩種控制方式。

01異步調制

當載波比N不是3的整數(shù)倍時，載波與調制信號波就存在不同步的調制，就是異步調制。 如fc=10fr，載波比N=10，不是3的倍數(shù)。 在異步調制控制方式中，通常fc固定不變，逆變輸出電壓頻率的調節(jié)是通過改變fr的大小來實現(xiàn)的，所以載波比N也隨時跟著變化，就難以同步。

異步調制控制方式的特點：

①控制相對簡單;

②在調制信號的半個周期內，輸出脈沖的個數(shù)不固定，脈沖相位也不固定，正負半周的脈沖不對稱，而且半周期前后1/4周期的脈沖也不對稱，輸出波形就偏離了正弦波;

③載波比N越大，半周期內調制的PWM波形脈沖數(shù)就越多，正負半周不對稱和半周內前后1/4周期脈沖不對稱的影響越小，輸出波形越接近正弦波。 所以在采用異步調制控制方式時，要盡量提高載波頻率fc，使不對稱的影響盡量減小，輸出波形更接近正弦波。

02同步調制

在三相逆變電路中，當載波比N是3的整數(shù)倍時，載波與調制信號波能同步調制。 下圖給出N=9時的同步調制控制時的三相PWM波形：

在同步調制控制方式中，通常保持載波比N不變，若要增高逆變輸出電壓的頻率，必須同時增高fc和fr，保持載波比N不變，保持同步調制不變。

同步調制控制方式的特點：

①控制相對較復雜，通常采用微機控制;

②在調制信號的半個周期內，輸出脈沖的個數(shù)是固定不變的，脈沖相位也是固定的。 正負半周的脈沖對稱，而且半個周期脈沖排列也是左右對稱的，輸出波形等效于正弦。

但是，當逆變電路要求輸出頻率fo很低時，由于半周期內輸出脈沖的個數(shù)不變，所以由PWM調制而產生fo附近的諧波頻率也相應很低，這種低頻諧波不易濾除，而且會對三相異步電機造成不利影響，例如電動機噪聲變大、震動加大等。 為了克服同步調制控制方式低頻段的缺點，通常采用"分段同步調制"的方法，即把逆變電路的輸出頻率范圍劃分成若干個頻率段，每個頻率段內都保持載波比為恒定，而不同頻率段所取的載波比不同。

a.在輸出高頻率段時，取較小的載波比，這樣載波頻率不至于過高，能在功率開關器件所允許的頻率范圍內;

b.在輸出頻率為低頻率段時，取較大的載波比，這樣載波頻率不至于過低，諧波頻率也較高且幅值也小，也易于濾除，從而減小了對異步電動機的不利影響。

這樣看來，同步調制方式效果比異步調制方式好，但同步調制控制方式較為復雜，一般由微機進行控制。

有的電路在輸出低頻率段時采用異步調制方式，而在輸出高頻率段時換成同步調制控制方式，這種綜合調制控制方式，其效果和分段同步調制方式相接近。

今天我們就聊聊以上有關PWM的基本概念和原理，正在的實際使用中需要考慮到很多細節(jié)，明天我們繼續(xù)聊。