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第七章PWM控制技术12023/2/32023/2/32PWM控制技术•

引言源于通信技术■PWM(PulseWidthModulation)控制就是对脉宽调制技术：即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值)。■第5章的直流斩波电路实际上采用的就是PWM技术，第6章中涉及到PWM控制技术的地方有两处，一处是第6.1节中的斩控式交流调压电路，另一处是第6.4节矩阵式变频电路。■PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻，现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM型逆变电路。2023/2/33PWM控制技术•

内容7.1PWM控制的基本原理7.2PWM逆变电路及其控制方法7.3PWM跟踪控制技术7.4PWM整流电路及其控制方法2023/2/347.1PWM控制的基本原理■重要理论基础——面积等效原理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。冲量窄脉冲的面积效果基本相同环节的输出响应波形基本相同形状不同而冲量相同的各种窄脉冲d)单位脉冲函数f(t)d(t)tOa)矩形脉冲b)三角形脉冲c)正弦半波脉冲tOtOtOf(t)f(t)f(t)2023/2/357.1PWM控制的基本原理冲量相等的各种窄脉冲的响应波形■实例说明“面积等效原理”a）b)e(t)－电压窄脉冲，是电路的输入。

i(t)－输出电流，是电路的响应。如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异。2023/2/367.1PWM控制的基本原理Ouωt>SPWM波Ouωt>■如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波Ouωt>2023/2/377.1PWM控制的基本原理Ouωt>SPWM波Ouωt>■如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波Ouωt>若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。2023/2/387.1PWM控制的基本原理OwtUd-Ud◆对于正弦波的负半周，采取同样的方法，得到PWM波形，因此正弦波一个完整周期的等效PWM波为：OwtUd-Ud◆根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的PWM波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。2023/2/397.1PWM控制的基本原理等幅PWM波不等幅PWM波OwtUd-UdUoωt输入电源是恒定直流输入电源是交流或不是恒定的直流2023/2/3107.2PWM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PWM逆变电路几乎都是电压型电路。2023/2/3117.2PWM逆变电路及其控制方法◆

7.2.1计算法和调制法◆7.2.2异步调制和同步调制◆7.2.3规则采样法◆7.2.4PWM逆变电路的谐波分析◆7.2.5提高直流电压利用率和减少开关次数◆7.2.6空间矢量SVPWM控制◆7.2.7PWM逆变电路的多重化2023/2/3127.2.1计算法和调制法■计算法

◆根据逆变电路的正弦波输出频率、幅值和半个周期内的脉冲数，将PWM波形中各脉冲的宽度和间隔准确计算出来，按照计算结果控制逆变电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形。

◆计算法是很繁琐的，当需要输出的正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。2023/2/3137.2.1计算法和调制法■调制法

◆把希望输出的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。◆通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波，其中等腰三角波应用最多。2023/2/3147.2.1计算法和调制法单相桥式PWM逆变电路■单相桥式PWM逆变电路（调制法）

◆电路工作过程☞工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补。☞以uo正半周为例，V1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，电流有一段区间为正，一段区间为负。☞负载电流为正的区间，V1和V4导通时，uo等于Ud。2023/2/3157.2.1计算法和调制法单相桥式PWM逆变电路■单相桥式PWM逆变电路（调制法）

◆电路工作过程(续)☞V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=0☞负载电流为负的区间，V1和V4仍导通，io为负，实际上io从VD1和VD4流过，仍有uo=Ud。☞V4关断V3开通后，io从V3和VD1续流，uo=0。☞uo总可得到Ud和零两种电平。☞uo负半周，让V2保持通，V1保持断，V3和V4交替通断，uo可得-Ud和零两种电平。2023/2/3167.2.1计算法和调制法■单极性PWM控制方式（单相桥逆变）

◆

ur正半周：V1保持通，V2保持断。urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud单极性PWM控制方式波形☞当ur>uc时：V4通，V3断，uo=Ud。☞当ur<uc时：V4断，V3通，uo=0。2023/2/3177.2.1计算法和调制法■单极性PWM控制方式（单相桥逆变）

◆

ur负半周：V1保持断，V2保持通。urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud单极性PWM控制方式波形☞当ur>uc时：V4通，V3断，uo=0。☞当ur<uc时：V4断，V3通，uo=Ud。2023/2/3187.2.1计算法和调制法■双极性PWM控制方式（单相桥逆变）◆在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负，其幅值只有±Ud两种电平。◆同样在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制器件的通断。◆ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同。双极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud2023/2/3197.2.1计算法和调制法■双极性PWM控制方式（单相桥逆变）◆开关器件的控制规律☞当ur>uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号。如io>0，V1和V4通，如io<0，VD1和VD4通，

uo=Ud。☞当ur<uc时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号。如io<0，V2和V3通，如io>0，VD2和VD3通，uo=-Ud。双极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud2023/2/3207.2.1计算法和调制法双极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud单极性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud2023/2/3217.2.1计算法和调制法◆三相的PWM控制公用三角波载波uc◆三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120°■三相桥式PWM逆变电路（调制法）2023/2/3227.2.1计算法和调制法■三相桥式PWM逆变电路（调制法）◆控制规律◆防直通的死区时间☞同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通而造成短路，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开关器件的关断时间决定。☞死区时间会给输出的PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波2023/2/3237.2.1计算法和调制法■特定谐波消去法(SelectedHarmonicEliminationPWM—SHEPWM)☞这是计算法中一种较有代表性的方法。☞输出电压半周期内，器件通、断各3次（不包括0和π），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。特定谐波消去法的输出PWM波形OwtuoUd-Ud2ppa1a2a32023/2/3247.2.2异步调制和同步调制载波频率fc与调制信号频率fr之比，N=fc/fr载波比◆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。异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式同步调制载波信号和调制信号保持同步的调制方式，当变频时使载波与信号波保持同步，即N等于常数。2023/2/3257.2.2异步调制和同步调制■同步调制◆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，脉冲不对称产生的不利影响都较小◆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◆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。2023/2/3267.2.2异步调制和同步调制■同步调制◆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。◆三相电路中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。◆fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除。◆fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受。2023/2/3277.2.2异步调制和同步调制■分段同步调制：异步调制和同步调制的综合应用。分段同步调制方式举例

◆把整个fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段的N不同。☞在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高；☞在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低。2023/2/328PWM控制技术•

小结■PWM控制技术的地位

◆PWM控制技术是在电力电子领域有着广泛的应用，并对电力电子技术产生了十分深远影响的一项技术。■PWM技术与器件的关系

◆IGBT、电力MOSFET等为代表的全控型器件的不断完善给PWM控制技术提供了强大的物质基础。■PWM控制技术用于直流斩波电路

◆直流斩波电路实际上就是直流PWM电路，是PWM控制技术应用较早也成熟较早的一类电路，应用于直流电动机调速系统就构成广泛应用的直流脉宽调速系统。2023/2/329PWM控制技术•

小结■PWM控制技术用于交流—交流变流电路

◆斩控式交流调压电路和矩阵式变频电路是PWM控制技术在这类电路中应用的代表。

◆目前其应用都还不多，但矩阵式变频电路因其容易实现集成化，可望有良好的发展前景。2023/2/330