第六章PWM控制技術6.1PWM控制的基本原理6.2PWM逆變電路及其控制方法2023/2/2第六章PWM控制技術PWM(PulseWidthModulation)脈寬調制技術：即通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值)。第3章直流斬波電路、第4章斬控式調壓電路采用的就PWM技術。2023/2/2第六章PWM控制技術PWM思想源于通信技術，全控型器件的發展使PWM控制獲得技術支持。PWM技術應用廣泛，它使電力電子裝置的性能大大提高。PWM技術有賴于在逆變電路中的成功應用，在電力電子技術中地位重要。2023/2/26.1

PWM控制的基本思想1.重要理論基礎——面積等效原理沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在慣性環節上，其效果基本相同。沖量窄脈沖的面積效果基本相同環節的輸出響應波形基本相同圖6-1形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖d)單位脈沖函數f(t)d(t)tOa)矩形脈沖b)三角形脈沖c)正弦半波脈沖tOtOtOf(t)f(t)f(t)2023/2/26.1

PWM控制的基本思想b)圖6-2沖量相等的各種窄脈沖的響應波形具體的實例說明a）u(t)－電壓窄脈沖，是電路的輸入。

i(t)－輸出電流，是電路的響應。

2023/2/2Ouωt>SPWM波6.1

PWM控制的基本思想Ouωt>如何用等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波Ouωt>2023/2/26.1

PWM控制的基本思想按同一比例改變各脈沖寬度，即改變等效輸出正弦波幅值。Ouωt>SPWM波Ouωt>如何用等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波Ouωt>2023/2/26.1

PWM控制的基本思想OwtUd-Ud單極性正弦波PWM波形：OwtUd-Ud雙極性正弦波PWM波形，實際應用中更為廣泛。2023/2/26.1

PWM控制的基本思想不等幅PWM波輸入電源是交流或不是恒定的直流斬控式交流調壓電路

OwtUd-UdUoωt等幅PWM波輸入電源是恒定直流直流斬波電路 PWM逆變電路

2023/2/26.1

PWM控制的基本思想PWM波可等效的各種波形直流斬波電路直流波形SPWM波正弦波形等效成其他所需波形，如:所需波形等效的PWM波2023/2/26.2PWM逆變電路及其控制方法中小功率的逆變電路幾乎都采用PWM技術。逆變電路是PWM控制技術最重要的應用。PWM逆變電路可分為電壓型和電流型，目前實用的PWM逆變電路幾乎都是電壓型電路。2023/2/26.2.1

計算法和調制法1.計算法根據正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數，計算PWM波各脈沖寬度和間隔，據此控制逆變電路開關器件的通斷，就可得到所需PWM波形，方法繁瑣。2023/2/26.2.1

計算法和調制法2.調制法圖6－4單相橋式PWM逆變電路載波uc：通常為等腰三角波或鋸齒波調制波：（信號波ur）在ur和uc的交點時刻控制IGBT的通斷。2023/2/26.2.1

計算法和調制法3.單極性PWM控制方式圖6-5單極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud2023/2/2ur（uo）正半周，V1保持通，V2保持斷。V3和V4交替通斷。io滯后uo，io一段區間為正，一段區間為負。當ur>uc時使V4通，V3斷。如io>0，V1和V4通，如io<0，VD1和VD4通，

uo=Ud

。當ur<uc時使V4斷，V3通。如io>0，V1和VD3通，如io<0，V3和VD1通，uo=0uo得到Ud和0兩種電平。6.2.1

計算法和調制法2023/2/2ur（uo）負半周，V1保持斷，V2保持通。V3和V4交替通斷。io滯后uo，io一段區間為正，一段區間為負。當ur<uc時使V3通，V4斷，如io<0，V3和V2通，如io>0，VD2和VD3通，

uo=-Ud

。當ur>uc時使V4通，V3斷，如io>0，V4和VD2通，如io<0，V2和VD4通，uo=0uo得到-Ud和0兩種電平。6.2.1

計算法和調制法2023/2/26.2.1

計算法和調制法4.雙極性PWM控制方式圖6-6雙極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud2023/2/2當ur

>uc時，給V1和V4通信號，給V2和V3斷信號。

如io>0，V1和V4通，如io<0，VD1和VD4通，

uo=Ud

。當ur<uc時，給V2和V3通信號，給V1和V4斷信號。

如io<0，V2和V3通，如io>0，VD2和VD3通，uo=-Ud

。在ur的半個周期內，三角波有正、負，PWM波也有正、負，幅值有±Ud兩種電平。ur正負半周，對各開關器件的控制規律相同。6.2.1計算法和調制法2023/2/26.2.1

計算法和調制法雙極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud單極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud

單相橋式電路可采取單極性調制，也可采用雙極性調制，2023/2/26.2.1

計算法和調制法5.三相橋雙極性PWM逆變圖6-7三相橋式PWM型逆變電路三相的PWM控制公用三角波載波uc三相的調制信號urU、urV和urW依次相差120°2023/2/26.2.1

計算法和調制法ucurUurVurWuuUN'uVN'uWN'uUNuUVUd-UdO?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud?2Ud2Ud?2Ud2Ud3Ud32Ud圖6-7三相橋式PWM型逆變電路

圖6-8三相橋式PWM逆變電路波形

下面以U相為例分析控制規律：當urU>uc時，給V1導通信號，給V4關斷信號，uUN’=Ud/2。當urU<uc時，給V4導通信號，給V1關斷信號，uUN’=-Ud/2。當給V1(V4)加導通信號時，可能是V1(V4)導通，也可能是VD1(VD4)導通。uUN’、uVN’和uWN’的PWM波形只有±Ud/2兩種電平。uUV波形可由uUN’-uVN’得出，當1和6通時，uUV=Ud，當3和4通時，uUV=－Ud，當1和3或4和6通時，uUV=0。2023/2/26.2.1

計算法和調制法輸出線電壓PWM波由±Ud和0三種電平構成負載相電壓PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5種電平組成。防直通的死區時間同一相上下兩臂的驅動信號互補，為防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加關斷信號的死區時間。死區時間的長短主要由開關器件的關斷時間決定。死區時間會給輸出的PWM波帶來影響，使其稍稍偏離正弦波。ucurUurVurWuuUN'uVN'uWN'uUNuUVUd-UdO?tOOOOO?t?t?t?t?t2Ud?2Ud2Ud?2Ud2Ud3Ud32Ud圖6-7三相橋式PWM型逆變電路

圖6-8三相橋式PWM逆變電路波形

2023/2/26.2.1

計算法和調制法6.特定諧波消去法(SelectedHarmonicEliminationPWM—SHEPWM)這是計算法中一種較有代表性的方法。輸出電壓半周期內，器件通、斷各3次（不包括0和π），共6個開關時刻可控。為減少諧波簡化控制，要盡量使波形對稱。圖6-9特定諧波消去法的輸出PWM波形OwtuoUd-Ud2ppa1a2a32023/2/26.2.1

計算法和調制法為消除偶次諧波，使波形正負兩半周期鏡對稱，即(6-1)為消除諧波中余弦項，應使波形在正半周期內前后1/4周期以π/2為軸線對稱

(6-2)同時滿足式（6-1）、（6-2）的波形稱為四分之一周期對稱波形，用傅里葉級數表示為

(6-3)

式中，an為2023/2/26.2.1

計算法和調制法圖6-9，能獨立控制a1、a

2和a

3共3個時刻。該波形的an為

式中n=1,3,5,…OwtuoUd-Ud2ppa1a2a3確定a1的值，再令兩個不同的an=0(就可建三個方程，求得a1、a2和a3。圖6-9特定諧波消去法的輸出PWM波形2023/2/2消去兩種特定頻率的諧波6.2.1

計算法和調制法三相對稱電路線電壓中，相電壓所含3次諧波相互抵消?？煽紤]消去5次和7次諧波，得如下聯立方程：給定a1，解方程可得1.

2和

3。a1變，

1、

2和

3也相應改變。（6－5）2023/2/26.2.1

計算法和調制法一般在輸出電壓半周期內，器件通、斷各k次，考慮到PWM波四分之一周期對稱，k個開關時刻可控，除用一個自由度控制基波幅值外，可消去k－1個頻率的特定諧波。k的取值越大，開關時刻的計算越復雜。除計算法和調制法外，還有跟蹤控制方法.2023/2/26.2.2

異步調制和同步調制fc不變，fr變化，載波比N是變化的信號波的半周期內，PWM波的脈沖個數不固定，相位也不固定，正負半周期的脈沖不對稱，半周期內前后1/4周期的脈沖也不對稱當fr較低時，N較大，一周期內脈沖數較多，脈沖不對稱產生的不利影響較小當fr增高時，N減小，一周期內的脈沖數減少，PWM脈沖不對稱的影響變大載波比載波頻率fc與調制信號頻率fr之比，N=fc/fr1.異步調制載波信號和調制信號不同步2023/2/26.2.2

異步調制和同步調制2.

同步調制-載波信號和調制信號保持同步的調制方式，N等于常數。ucurUurVurWuuUN'uVN'OttttOOOuWN'2Ud-2Ud圖6-10同步調制三相PWM波形fr變化時N不變，信號波一周期內輸出脈沖數固定。三相電路公用一個三角波，且取N為3的整數倍，使三相輸出對稱。為使一相的PWM波正負半周鏡對稱，N應取奇數。fr很低時，fc也很低，調制帶來的諧波不易濾除。fr很高時，fc會過高，使開關器件難以承受。2023/2/26.2.2

異步調制和同步調制3.分段同步調制異步調制和同步調制的綜合應用。把整個fr范圍劃分成若干個頻段，每個頻段內保持N恒定，不同頻段的N不同。在fr高的頻段采用較低的N，使載波頻率不致過高；在fr低的頻段采用較高的N，使載波頻率不致過低。為防止fc在切換點附近來回跳動，采用滯后切換的方法。同步調制比異步調制復雜，但用微機控制時容易實現?？稍诘皖l輸出時采用異步調制方式，高頻輸出時切換到同步調制方式，這樣把兩者的優點結合起來，和分段同步方式效果接近。圖6-11分段同步調制方式舉例

2023/2/26.2.3規則采樣法1.自然采樣法：按照SPWM控制的基本原理產生的PWM波的方法，其求解復雜，難以在實時控制中在線計算，工程應用不多。ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d圖6-12規則采樣法2.規則采樣法工程實用方法，效果接近自然采樣法，計算量小得多。2023/2/26.2.3規則采樣法三角波兩個正峰值之間為一個采樣周期Tc

。自然采樣法中，脈沖中點不和三角波(負峰點)重合。規則采樣法兩者重合，計算大為減化。在tA和tB時刻控制開關器件的通斷。脈沖寬度δ

和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近。

規則采樣法原理ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d圖6-12規則采樣法2023/2/26.2.3規則采樣法規則采樣法計算公式推導正弦調制信號波三角波一周期內，脈沖兩邊間隙寬度(6-7)a稱為調制度，0≤a<1；從圖6-12得,

(6-6)ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d圖6-12規則采樣法2023/2/26.2.3規則采樣法3.三相橋逆變電路的情況三角波載波公用，三相正弦調制波相位依次差120°同一三角波周期內三相的脈寬分別為dU、dV和dW，脈沖兩邊的間隙寬度分別為d′U、d′

V和d′W，同一時刻三相調制波電壓之和為零，由式(6-6)得

由式(6-7)得利用以上兩式可簡化三相SPWM波的計算(6-8)(6-9)2023/2/26.2.4PWM逆變電路的諧波分析用載波對正弦信號調制，會產生和載波有關的諧波分量。諧波頻率和幅值是衡量PWM逆變電路性能的重要指標。分析以雙極性SPWM波形為準。同步調制可看成異步調制的特殊情況異步調制分析方法以載波周期為基礎，再利用貝塞爾函數推導出PWM波的傅里葉級數表達式。盡管分析過程復雜，但結論簡單而直觀。2023/2/26.2.4PWM逆變電路的諧波分析c+kr)角頻率(nww1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-諧波振幅0.20.40.60.81.01.21.4kna=1.0a=0.8a=0.5a=0圖6-13，不同a時單相橋式雙極型PWM逆變電路輸出電壓頻譜圖。1.單相分析諧波角頻率為:式中，n=1,3,5,…時，k=0,2,4,…；

n=2,4,6,…時，k=1,3,5,…PWM波中不含低次諧波，只含wc

、

2wc、3wc等及其附近的諧波。圖6-13單相PWM橋式逆變電路輸出電壓頻譜圖2023/2/26.2.4PWM逆變電路的諧波分析2.三相分析輸出線電壓中的諧波角頻率為式中，n=1,3,5,…時，k=3(2m－1)±1，m=1,2,…；

n=2,4,6,…時，圖6-14，不同a時三相橋式PWM逆變電路輸出電壓頻譜圖。1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-0.20.40.60.81.01.2kna=1.0a=0.8a=0.5a=0角頻率(nwc+kwr)圖6-14三相橋式PWM逆變電路輸出線電壓頻譜圖諧波振幅2023/2/26.2.4PWM逆變電路的諧波分析無載波角頻率wc整數倍的諧波，諧波幅值較高的是wc±2wr和2wc±wr。總之，PWM波中諧波主要是角頻率為wc、2wc及其附近的諧波（wc>>wr

）

，易濾除。當調制信號波為非正弦波時，諧波由兩部分組成：其一信號波本身諧波分析的結果，其二信號波對載波的調制而產生的諧波。2023/2/26.2.5提高直流電壓利用率和減少開關次數直流電壓利用率——逆變電路輸出交流電壓基波最大幅值U1m和直流電壓Ud之比。提高直流電壓利用率可提高逆變器的輸出能力。減少器件的開關次數可以降低開關損耗。正弦波調制的三相PWM逆變電路，調制度a為1時，輸出線電壓的基波幅值為，直流電壓利用率為0.866，實際還更低。梯形波調制方法的思路梯形波作為調制信號，可有效提高直流電壓利用率。當梯形波幅值和三角波幅值相等時，梯形波所含的基波分量幅值大于三角波幅值。2023/2/2ucurUurVurWuuUN'OwtOwtOwtOwtuVN'uUV6.2.5提高直流電壓利用率和減少開關次數圖6-15梯形波為調制信號的PWM控制1.梯形波調制方法的原理及波形梯形波的形狀用三角化率s=Ut/Uto描述，Ut梯形波的高，Uto梯形兩腰延長后三角形的高。梯形波含低次諧波，PWM波含同樣的低次諧波。低次諧波（非載波引起的諧波）產生的波形畸變率為d

。2023/2/26.2.5提高直流電壓利用率和減少開關次數圖6-16，d

和U1m/Ud隨s

變化的情況。圖6-17，s

變化時各次諧波分量幅值Unm和基波幅值U1m之比。U,d00.20.40.60.81.0d0.20.40.60.8