第6章PWM控制技術

PWM(PulseWidthModulation)控制就是脈寬調制技術：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、4章已涉及到PWM控制，第3章直流斬波電路采用的就PWM技術；第4章的4.1斬控式調壓電路和4.4矩陣式變頻電路都涉及到了。

PWM控制技術在逆變電路中應用最廣，應用的逆變電路絕大部分是PWM型，PWM控制技術正是有賴于在逆變電路中的應用，才確定了它在電力電子技術中的重要地位。

返回第6章PWM控制技術PWM(PulseWidth16.1PWM控制的基本原理

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具有慣性的環節上時，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)6.1PWM控制的基本原理1）重要理論基礎——面積等效2b)具體的實例說明“面積等效原理”a）e(t)－電壓窄脈沖，是電路的輸入。

i(t)－輸出電流，是電路的響應。

b)具體的實例說明“面積等效原理”a）e(t)－電壓窄脈沖3Ouωt>SPWM波Ouωt>Ouωt>2）SPWM波用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波？Ouωt>SPWM波Ouωt>Ouωt>2）SPWM波用一4若要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。Ouωt>SPWM波Ouωt>如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波Ouωt>若要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。O5OwtUd-Ud對于正弦波的負半周，采取同樣的方法，得到PWM波形，因此正弦波一個完整周期的等效PWM波為：OwtUd-Ud根據面積等效原理，正弦波還可等效為下圖中的PWM波，而且這種方式在實際應用中更為廣泛。OwtUd-Ud對于正弦波的負半周，采取同樣的方法，得到PW6等幅PWM波輸入電源是恒定直流

第3章的直流斬波電路6.2節的PWM逆變電路6.4節的PWM整流電路不等幅PWM波輸入電源是交流或不是恒定的直流

4.1節的斬控式交流調壓電路4.4節的矩陣式變頻電路OwtUd-UdUoωt3）PWM波等幅PWM波不等幅PWM波OwtUd-UdUoωt3）PWM7PWM電流波電流型逆變電路進行PWM控制，得到的就是PWM電流波。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PWM電流波PWM波可等效的各種波形所需波形等效8目前中小功率的逆變電路幾乎都采用PWM技術。逆變電路是PWM控制技術最為重要的應用場合。本節內容構成了本章的主體。PWM逆變電路也可分為電壓型和電流型兩種，目前實用的PWM逆變電路幾乎都是電壓型電路。目前中小功率的逆變電路幾乎都采用PWM技術。96.2PWM逆變電路及其控制方法

計算法的概念：根據正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數，準確計算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。當輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時，結果都要變化。

調制法：通常采用等腰三角波或鋸齒波作為載波；與任一平緩變化的調制信號波相交，在交點控制器件通斷，就得寬度正比于信號波幅值的脈沖，符合PWM的要求。調制信號波為正弦波時，得到的就是SPWM波6.2.1計算法和調制法6.2PWM逆變電路及其控制方法計算法的概念：調制10等腰三角波或鋸齒波等腰三角波上任一點的水平寬度和高度成線性關系，且左右對稱，當它與任何一個平緩變化的調制信號波相交時，如在交點時刻對電路中開關器件的通斷進行控制，就可得到寬度正比于信號波幅值的脈沖調制法把希望輸出的波形作為調制信號，把接受調制的信號作為載波，通過信號波得調制得到所期望的PWM波形等腰三角波等腰三角波上任一點的水平寬度和高度成線性關系，且左11V1和V2的通斷狀態是互補的；V3和V4的通斷狀態也是互補的。uo正半周：V1保持通態，V2保持斷態。io為正的區間：V1和V4通態時，uo為Ud。V1和VD3通態時，uo為0。io為負的區間：VD1和VD4通態時，uo為Ud。V3

和VD1通態時，uo為0。V1和V2的通斷狀態是互補的；V3和V4的通斷狀態也是互補12調制信號ur為正弦波，載波uc在ur的正半周為正極性的三角波，在負半周為負極性的三角波在ur和uc的交點時刻控制IGBT的通斷

ur正半周，V1保持通，V2保持斷當ur>uc時使V4通，V3斷，uo=Ud當ur<uc時使V4斷，V3通，uo=0

單極性PWM控制方式（單相橋逆變）

Ur負半周，V1保持斷，V2保持通當ur<uc時使V3通，V4斷，uo=－Ud當ur>uc時使V3斷，V4通，

uo=0單極性PWM控制方式Ur半個周期內三角波載波只在正極性或負極性一種極性范圍內變化，所得PWM波形的控制方法表示uo的基波分量調制信號ur為正弦波，載波uc在ur的正半周為正極性的三角13雙極性PWM控制方式（單相橋逆變）雙極性PWM控制方式在ur的半個周期內，三角波載波有正有負，所得PWM波也有正有負

在ur一個周期內,輸出PWM波只有±Ud兩種電平同樣在調制信號ur和載波信號uc的交點時刻控制哥開關器件的通斷

ur正負半周，對各開關器件的控制規律相同

當ur>uc時，給V1和V4導通信號，給V2和V3關斷信號如io>0，則V1和V4通，如io<0，VD1和VD4通，

不管哪種情況uo=Ud當ur<uc時，給V2和V3導通信號，給V1和V4關斷信號如io<0，V2和V3通如io>0，VD2和VD3通，不管哪種情況uo=-Ud雙極性PWM控制方式（單相橋逆變）雙極性PWM控制方式在u14圖6-5雙極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud圖6-5單極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud對照上述兩圖可以看出，單相橋式電路既可采取單極性調制，也可采用雙極性調制，由于對開關器件通斷控制的規律不同，它們的輸出波形也有較大的差別。圖6-5雙極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtu15雙極性PWM控制方式（三相橋逆變）U、V和W三相的PWM控制通常公用三角波載波uc，三相的調制信號urU、urV和urW依次相差120°U、V和W各相功率開關器件的控制規律相同當urU>uc時，給V1導通信號，給V4關斷信號，則uUN’=Ud/2

當urU<uc時，給V4導通信號，給V1關斷信號，則uUN’=-Ud/2

當給V1(V4)加導通信號時，可能是V1(V4)導通，也可能是二極管VD1(VD4)續流導通雙極性PWM控制方式（三相橋逆變）U、V和W三相的PWM控制16

uUN’、uVN’和uWN’的PWM波形只有±Ud/2兩種電平線電壓波形uUV的波形可由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逆變器輸出線電壓PWM波由±Ud和0三種電平構成負載向電壓uUN可由下式求得負載相電壓PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5種電平組成uUN’、uVN’和uWN’的PWM波形只有±Ud/2兩種17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，在上下兩臂切換時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功率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，在186.2.2異步調制和同步調制根據載波和信號波是否同步及載波比的變化情況，PWM調制方式分為異步調制和同步調制。通常保持fc固定不變，當fr變化時，載波比N是變化的在信號波的半周期內，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都較小當fr增高時，N減小，一周期內的脈沖數減少，PWM脈沖不對稱的影響就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的調制方式6.2.2異步調制和同步調制根據載波和信號波是否同步及192）

同步調制——載波信號和調制信號保持同步的調制方式，當變頻時使載波與信號波保持同步，即N等于常數。ucurUurVurWuuUN'uVN'OttttOOOuWN'2Ud-2Ud同步調制三相PWM波形基本同步調制方式，fr變化時N不變，信號波一周期內輸出脈沖數固定。三相電路中公用一個三角波載波，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，由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。2）同步調制——載波信號和調制信號保持同步的調制方式，當變20自然采樣法按照SPWM控制的基本原理，在正弦波和三角波的自然交點時刻控制功率開關的通斷，這種生成SPWM波形的方法規則采樣法工程實用方法，效果接近自然采樣法，計算量比自然采樣法小得多6.2.3規則采樣法自然采樣法按照SPWM控制的基本原理，在正弦波和三角波的自然21三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。規則采樣法使兩者重合，使計算大為減化。如圖所示確定A、B點，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規則采樣法三角波兩個正峰值之間為一個采樣周期Tc。規則采樣法原理u22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a稱為調制度，0≤a<1；wr為信號波角頻率從圖得,

ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd'd'2d2d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23第六章PWM控制技術?小結PWM控制技術的地位PWM控制技術是在電力電子領域有著廣泛的應用，并對電力電子技術產生了十分深遠影響的一項技術。器件與PWM技術的關系IGBT、電力MOSFET等為代表的全控型器件的不斷完善給PWM控制技術提供了強大的物質基礎。PWM控制技術用于直流斬波電路直流斬波電路實際上就是直流PWM電路，是PWM控制技術應用較早也成熟較早的一類電路，應用于直流電動機調速系統就構成廣泛應用的直流脈寬調速系統。第六章PWM控制技術?小結PWM控制技術的地位24PWM控制技術用于交流—交流變流電路斬控式交流調壓電路和矩陣式變頻電路是PWM控制技術在這類電路中應用的代表。目前其應用都還不多。但矩陣式變頻電路因其容易實現集成化，可望有良好的發展前景。PWM控制技術用于交流—交流變流電路25PWM控制技術用于逆變電路PWM控制技術在逆變電路中的應用最具代表性。正是由于在逆變電路中廣泛而成功的應用，才奠定了PWM控制技術在電力電子技術中的突出地位。除功率很大的逆變裝置外，不用PWM控制的逆變電路已十分少見。第5章因尚未涉及到PWM控制技術，因此對逆變電路的介紹是不完整的。學完本章才能對逆變電路有較完整的認識。PWM控制技術用于逆變電路26PWM控制技術用于整流電路PWM控制技術用于整流電路即構成PWM整流電路?？煽闯赡孀冸娐分械腜WM技術向整流電路的延伸。PWM整流電路已獲得了一些應用，并有良好的應用前景。PWM整流電路作為對第2章的補充，可使我們對整流電路有更全面的認識。PWM控制技術用于整流電路27PWM控制技術與相位控制技術以第2章相控整流電路和第4章交流調壓電路為代表的相位控制技術至今在電力電子電路中仍占據著重要地位。以PWM控制技術為代表的斬波控制技術正在越來越占據著主導地位。相位控制和斬波控制分別簡稱相控和斬控。把兩種技術對照學習，對電力電子電路的控制技術會有更明晰的認識。返回PWM控制技術與相位控制技術返回28第6章PWM控制技術

PWM(PulseWidthModulation)控制就是脈寬調制技術：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、4章已涉及到PWM控制，第3章直流斬波電路采用的就PWM技術；第4章的4.1斬控式調壓電路和4.4矩陣式變頻電路都涉及到了。

PWM控制技術在逆變電路中應用最廣，應用的逆變電路絕大部分是PWM型，PWM控制技術正是有賴于在逆變電路中的應用，才確定了它在電力電子技術中的重要地位。

返回第6章PWM控制技術PWM(PulseWidth296.1PWM控制的基本原理

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具有慣性的環節上時，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)6.1PWM控制的基本原理1）重要理論基礎——面積等效30b)具體的實例說明“面積等效原理”a）e(t)－電壓窄脈沖，是電路的輸入。

i(t)－輸出電流，是電路的響應。

b)具體的實例說明“面積等效原理”a）e(t)－電壓窄脈沖31Ouωt>SPWM波Ouωt>Ouωt>2）SPWM波用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波？Ouωt>SPWM波Ouωt>Ouωt>2）SPWM波用一32若要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。Ouωt>SPWM波Ouωt>如何用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波Ouωt>若要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。O33OwtUd-Ud對于正弦波的負半周，采取同樣的方法，得到PWM波形，因此正弦波一個完整周期的等效PWM波為：OwtUd-Ud根據面積等效原理，正弦波還可等效為下圖中的PWM波，而且這種方式在實際應用中更為廣泛。OwtUd-Ud對于正弦波的負半周，采取同樣的方法，得到PW34等幅PWM波輸入電源是恒定直流

第3章的直流斬波電路6.2節的PWM逆變電路6.4節的PWM整流電路不等幅PWM波輸入電源是交流或不是恒定的直流

4.1節的斬控式交流調壓電路4.4節的矩陣式變頻電路OwtUd-UdUoωt3）PWM波等幅PWM波不等幅PWM波OwtUd-UdUoωt3）PWM35PWM電流波電流型逆變電路進行PWM控制，得到的就是PWM電流波。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PWM電流波PWM波可等效的各種波形所需波形等效36目前中小功率的逆變電路幾乎都采用PWM技術。逆變電路是PWM控制技術最為重要的應用場合。本節內容構成了本章的主體。PWM逆變電路也可分為電壓型和電流型兩種，目前實用的PWM逆變電路幾乎都是電壓型電路。目前中小功率的逆變電路幾乎都采用PWM技術。376.2PWM逆變電路及其控制方法

計算法的概念：根據正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數，準確計算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。當輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時，結果都要變化。

調制法：通常采用等腰三角波或鋸齒波作為載波；與任一平緩變化的調制信號波相交，在交點控制器件通斷，就得寬度正比于信號波幅值的脈沖，符合PWM的要求。調制信號波為正弦波時，得到的就是SPWM波6.2.1計算法和調制法6.2PWM逆變電路及其控制方法計算法的概念：調制38等腰三角波或鋸齒波等腰三角波上任一點的水平寬度和高度成線性關系，且左右對稱，當它與任何一個平緩變化的調制信號波相交時，如在交點時刻對電路中開關器件的通斷進行控制，就可得到寬度正比于信號波幅值的脈沖調制法把希望輸出的波形作為調制信號，把接受調制的信號作為載波，通過信號波得調制得到所期望的PWM波形等腰三角波等腰三角波上任一點的水平寬度和高度成線性關系，且左39V1和V2的通斷狀態是互補的；V3和V4的通斷狀態也是互補的。uo正半周：V1保持通態，V2保持斷態。io為正的區間：V1和V4通態時，uo為Ud。V1和VD3通態時，uo為0。io為負的區間：VD1和VD4通態時，uo為Ud。V3

和VD1通態時，uo為0。V1和V2的通斷狀態是互補的；V3和V4的通斷狀態也是互補40調制信號ur為正弦波，載波uc在ur的正半周為正極性的三角波，在負半周為負極性的三角波在ur和uc的交點時刻控制IGBT的通斷

ur正半周，V1保持通，V2保持斷當ur>uc時使V4通，V3斷，uo=Ud當ur<uc時使V4斷，V3通，uo=0

單極性PWM控制方式（單相橋逆變）

Ur負半周，V1保持斷，V2保持通當ur<uc時使V3通，V4斷，uo=－Ud當ur>uc時使V3斷，V4通，

uo=0單極性PWM控制方式Ur半個周期內三角波載波只在正極性或負極性一種極性范圍內變化，所得PWM波形的控制方法表示uo的基波分量調制信號ur為正弦波，載波uc在ur的正半周為正極性的三角41雙極性PWM控制方式（單相橋逆變）雙極性PWM控制方式在ur的半個周期內，三角波載波有正有負，所得PWM波也有正有負

在ur一個周期內,輸出PWM波只有±Ud兩種電平同樣在調制信號ur和載波信號uc的交點時刻控制哥開關器件的通斷

ur正負半周，對各開關器件的控制規律相同

當ur>uc時，給V1和V4導通信號，給V2和V3關斷信號如io>0，則V1和V4通，如io<0，VD1和VD4通，

不管哪種情況uo=Ud當ur<uc時，給V2和V3導通信號，給V1和V4關斷信號如io<0，V2和V3通如io>0，VD2和VD3通，不管哪種情況uo=-Ud雙極性PWM控制方式（單相橋逆變）雙極性PWM控制方式在u42圖6-5雙極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud圖6-5單極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud對照上述兩圖可以看出，單相橋式電路既可采取單極性調制，也可采用雙極性調制，由于對開關器件通斷控制的規律不同，它們的輸出波形也有較大的差別。圖6-5雙極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtu43雙極性PWM控制方式（三相橋逆變）U、V和W三相的PWM控制通常公用三角波載波uc，三相的調制信號urU、urV和urW依次相差120°U、V和W各相功率開關器件的控制規律相同當urU>uc時，給V1導通信號，給V4關斷信號，則uUN’=Ud/2

當urU<uc時，給V4導通信號，給V1關斷信號，則uUN’=-Ud/2

當給V1(V4)加導通信號時，可能是V1(V4)導通，也可能是二極管VD1(VD4)續流導通雙極性PWM控制方式（三相橋逆變）U、V和W三相的PWM控制44

uUN’、uVN’和uWN’的PWM波形只有±Ud/2兩種電平線電壓波形uUV的波形可由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逆變器輸出線電壓PWM波由±Ud和0三種電平構成負載向電壓uUN可由下式求得負載相電壓PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5種電平組成uUN’、uVN’和uWN’的PWM波形只有±Ud/2兩種45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，在上下兩臂切換時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功率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，在466.2.2異步調制和同步調制根據載波和信號波是否同步及載波比的變化情況，PWM調制方式分為異步調制和同步調制。通常保持fc固定不變，當fr變化時，載波比N是變化的在信號波的半周期內，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都較小當fr增高時，N減小，一周期內的脈沖數減少，PWM脈沖不對稱的影響就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的調制方式6.2.2異步調制和同步調制根據載波和信號波是否同步及472）

同步調制——載波信號和調制信號保持同步的調制方式，當變頻時使載波與信號波保持同步，即N等于常數。ucurUurVurWuuUN'uVN'OttttOOOuWN'2Ud-2Ud同步調制三相PWM波形基本同步調制方式，fr變化時N不變，信號波一周期內輸出脈沖數固定。三相電路中公用一個三角波載波，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，由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。2）同步調制——載波信號和調制信號保持同步的調制方式，當變48自然采樣法按照SPWM控制的基本原理，在正弦波和三角波的自然交點時刻控制功率開關的通斷，這種生成SPWM波形的方法規則采樣法工程實用方法，效果接近自然采樣法，計算量比自然采樣法小得多6.2.3規則采樣法自然采樣法按照SPWM控制的基本原理，在正弦波和三角波的自然49三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。規則采樣法使兩者重合，使計算大為減化。如圖所示確定A、B點，在t