PWM控制原理及電路應(yīng)用詳解

PWM（脈沖寬度調(diào)制）是用脈沖來(lái)輸出模擬信號(hào)的一種技術(shù)，其通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，以產(chǎn)生等效的目標(biāo)波形，廣泛應(yīng)用于測(cè)量、通信、開(kāi)關(guān)電源、電機(jī)控制等領(lǐng)域。本文將對(duì)PWM技術(shù)的基本控制原理以及常見(jiàn)的電路應(yīng)用進(jìn)行分享。

一、PWM基本控制原理

1、理論基礎(chǔ)

面積等效原理：沖量相等而形狀不同的窄脈沖作用在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其作用效果基本相同。其中“沖量”是指窄脈沖的面積，而“效果基本相同”是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。

將圖中所示電壓窄脈沖，分別作用在一階慣性環(huán)節(jié)（下圖(a)）上，各窄脈沖的輸出電流i(t)響應(yīng)波形如下圖（b）所示。

可以看出在最初暫態(tài)時(shí)，它們的響應(yīng)波形略有差別，但后續(xù)的響應(yīng)波形則完全一致。

所施加的脈沖越窄，輸出響應(yīng)的波形差異越小。如果周期性地施加上述脈沖，則響應(yīng)也是周期性的。用傅里葉級(jí)數(shù)進(jìn)行響應(yīng)信號(hào)分解后可知，響應(yīng)在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。

2、控制原理

基于面積等效原理，PWM通過(guò)對(duì)一系列脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生與目標(biāo)波形脈沖沖量相等的窄脈沖波形，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)波形（含形狀和幅值）的等效。

這里以常用的正弦半波等效為例進(jìn)行調(diào)制過(guò)程介紹：

首先，將正弦半波均等分割成N個(gè)相連的寬度相等幅值不同的脈沖。然后，用N個(gè)等幅不等寬的矩形脈沖對(duì)其進(jìn)行代替，矩形脈沖的中點(diǎn)與相應(yīng)正弦波脈沖的中點(diǎn)重合，且兩者面積（沖量）相等。

這樣，即可獲得與正弦半波等效的一系列PWM波形——SPWM波形，SPWM波形的脈沖寬度按正弦規(guī)律變化。

除了正弦波外，PWM技術(shù)還可對(duì)直流以及非正弦交流等波形進(jìn)行等效，其基本原理與SPWM控制相同，都是基于面積等效原理。

二、PWM技術(shù)應(yīng)用

PWM斬波電路與PWM逆變電路是PWM技術(shù)的最典型的兩種電路應(yīng)用。

目前，實(shí)際應(yīng)用的逆變電路中絕大部分是PWM型，而在直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速中PWM斬波電路得到了廣泛應(yīng)用。此外，基于PWM技術(shù)的斬控式交流調(diào)壓電路和矩陣式變頻電路在交流-交流變換領(lǐng)域中均有應(yīng)用。

下面對(duì)典型的直流斬波電路以及PWM逆變電路進(jìn)行介紹。

1、直流斬波電路

常用的直流斬波電路有：Buck電路、Boost電路、Buck-Boost電路、Cuk斬波電路以及Sepic斬波電路等。

這里以Buck直流斬波電路為例進(jìn)行講解，電路結(jié)構(gòu)如下圖所示：

圖中：V為全控型器件，D為續(xù)流二極管。

當(dāng)器件處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，電源向負(fù)載供電，并給電容充電，二極管電壓VD=Vin；當(dāng)器件處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，電容給負(fù)載供電，二極管電壓近似為0。

若周期性的給開(kāi)關(guān)器件開(kāi)通與關(guān)斷信號(hào)，輸出電壓波形如右圖所示。電源在導(dǎo)通時(shí)間ton內(nèi)被接通，在關(guān)斷時(shí)間T- ton內(nèi)被截?cái)?，因此也稱(chēng)為斬波。

輸出電壓的平均值為：

可見(jiàn)，直流斬波電路可以通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)間，從而調(diào)節(jié)輸出電壓平均值，獲得所需的直流電壓波形。

2、PWM逆變電路

常用的PWM逆變電路控制方法有計(jì)算法與調(diào)制法兩種。其中，計(jì)算法過(guò)程繁瑣且當(dāng)輸出正弦波形變化時(shí)需要重新進(jìn)行計(jì)算，因此常用調(diào)制法進(jìn)行PWM逆變電路控制。

下面對(duì)單相橋式逆變電路的SPWM調(diào)制過(guò)程以及三相橋式逆變電路的SVPWM調(diào)制過(guò)程進(jìn)行講解。

▍單相橋式逆變電路

將期望的輸出信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)，采用等腰三角波或鋸齒波作為載波信號(hào)，以?xún)煞N信號(hào)的交點(diǎn)控制開(kāi)關(guān)器件的通斷，將得到一系列寬度正比于信號(hào)波幅值的PWM脈沖。

具體調(diào)制過(guò)程如下：

在調(diào)制信號(hào)ur正半周時(shí)：

開(kāi)關(guān)器件V1保持導(dǎo)通，V2與V3保持關(guān)斷，V4根據(jù)調(diào)制波與載波之間的關(guān)系交替導(dǎo)通。

當(dāng)|Ur|＞|Uc|時(shí)，V4開(kāi)通，負(fù)載電壓Uo=Ud；當(dāng)|Ur|＜|Uc|時(shí)，V4關(guān)斷，負(fù)載電流將通過(guò)二極管D3續(xù)流，此時(shí)負(fù)載電壓Uo=0。輸出電壓Uo為0和Ud電平交替的波形。

在調(diào)制信號(hào)ur負(fù)半周時(shí)：

開(kāi)關(guān)器件V2保持導(dǎo)通，V1與V4保持關(guān)斷，V3根據(jù)調(diào)制波與載波之間的關(guān)系交替導(dǎo)通。

當(dāng)|Ur|＞|Uc|時(shí)，V3開(kāi)通，負(fù)載電壓Uo=-Ud；當(dāng)|Ur|＜|Uc|時(shí)，V3關(guān)斷，D4續(xù)流，此時(shí)負(fù)載電壓Uo=0。輸出電壓Uo為0和-Ud電平交替的波形。

在調(diào)制信號(hào)波ur一個(gè)整周期內(nèi)，逆變器輸出的PWM波形由±Ud和0三種電平構(gòu)成。

▍三相橋式逆變電路

除了上述的SPWM正弦脈沖寬度調(diào)制技術(shù)外，SVPWM空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)在電機(jī)控制領(lǐng)域中也十分常用。

SPWM是通過(guò)在電機(jī)定子中通入相位互差120°的正弦波，從而在空間上產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。而SVPWM的則是通過(guò)設(shè)置開(kāi)關(guān)管的通斷在電機(jī)中形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)的電壓矢量，從而產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁動(dòng)勢(shì)。

SVPWM的具體實(shí)施方法如下：

電路由六個(gè)開(kāi)關(guān)器件構(gòu)成，上下管為一組形成三個(gè)半橋電路，同一半橋的上下橋臂不能同時(shí)導(dǎo)通或斷開(kāi)。

定義上橋臂導(dǎo)通，下橋臂關(guān)斷時(shí)狀態(tài)為1，上橋臂關(guān)斷，下橋臂導(dǎo)通時(shí)狀態(tài)為0，則可以得到8種電壓狀態(tài)（000、100、110、010、011、001、101、111）。其中，000與111為零矢量，其他六種為非零電壓矢量，將空間電壓矢量圖劃分為6個(gè)扇區(qū)。

SVPWM的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中：

首先，根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置和采集的電流數(shù)據(jù)來(lái)確定需要給定的Uα和Uβ值，接著確定由Uα和Uβ合成的電壓U所處的扇區(qū)。

然后，根據(jù)確定的扇區(qū)選擇合成電壓U所需的電壓矢量（U1~U6），并依據(jù)矢量合成的關(guān)系計(jì)算出開(kāi)關(guān)器件的保持時(shí)間。

最后，根據(jù)這些計(jì)算結(jié)果控制開(kāi)關(guān)器件的通斷，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的電壓U輸出。

三、常用拓?fù)湔{(diào)制方式

若將PWM控制技術(shù)應(yīng)用于不同的電力拓?fù)?，控制信?hào)的調(diào)制方式會(huì)有所差異。

常用的調(diào)制方式包括：移相調(diào)制、脈沖頻率調(diào)制、脈沖寬度調(diào)制、單極性倍頻調(diào)制和雙極性調(diào)制等，這些調(diào)制方式在PPEC數(shù)字電源控制芯片中均有成熟的封裝可直接應(yīng)用，為數(shù)字電源研發(fā)提供了高效、穩(wěn)定、可靠的解決方案。

接下來(lái)我們對(duì)部分常用電力拓?fù)涞恼{(diào)制方式進(jìn)行介紹：

▍移相全橋拓?fù)洌?/strong>采用移相調(diào)制方式，通過(guò)調(diào)節(jié)橋臂開(kāi)關(guān)器件PWM信號(hào)的相位差（即移相角），改變?cè)呡敵鲭妷赫伎毡龋瑥倪_(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。

▍LC串聯(lián)諧振拓?fù)洌?/strong>采用脈沖頻率調(diào)制方式，通過(guò)控制PWM信號(hào)的頻率fs實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)。在實(shí)際應(yīng)用中常工作于0~0.5倍諧振頻率fr模式以及開(kāi)關(guān)頻率fs高于諧振頻率fr模式。

▍LLC諧振拓?fù)洌?/strong>常采用脈沖頻率調(diào)制方式，通過(guò)控制PWM信號(hào)的頻率fs實(shí)現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)。變換器常工作于欠諧振模式、準(zhǔn)諧振模式及過(guò)諧振模式。

▍逆變/整流拓?fù)洌?/strong>常采用單極倍頻調(diào)制及雙極性調(diào)制方式。單極倍頻調(diào)制采用兩個(gè)基波信號(hào)（ug、-ug）與載波信號(hào)交截得到兩個(gè)調(diào)制信號(hào)，兩個(gè)信號(hào)相互作用產(chǎn)生單極倍頻調(diào)制信號(hào)。雙極性調(diào)制信號(hào)由一個(gè)基波與載波交截產(chǎn)生，其波形在半個(gè)基波周期內(nèi)有正有負(fù)。

▍buck-boost拓?fù)洌?/strong>常采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）及脈沖頻率調(diào)制（PFM）方式。PWM采用恒定的開(kāi)關(guān)頻率，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖寬度(占空比)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié)。PFM通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)頻率以實(shí)現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié)。

PWM技術(shù)的基本控制原理以及常見(jiàn)的電路應(yīng)用就分享到這里了。需要注意的是，盡管PWM控制技術(shù)簡(jiǎn)化了電力變換過(guò)程，具有穩(wěn)定性好、效率高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但PWM技術(shù)的實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)器件的要求較高且電路噪聲較大。因此，在應(yīng)用中大家要根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的控制方式。