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

1什么是PWM?

PWM(Pulse Width Modulation)，即脈沖寬度調(diào)制。

脈寬調(diào)制技術(shù)是通過控制半導(dǎo)體開關(guān)器件的通斷時(shí)間，在輸出端獲得幅度相等而寬度可調(diào)的波形(稱PWM波形)，從而實(shí)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(shù)。

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

脈寬調(diào)制的方法很多，主要分類如下：

①根據(jù)基波信號(hào)的不同，可以分為：矩形波脈寬調(diào)制和正弦波脈寬調(diào)制

矩形波脈寬調(diào)制的特點(diǎn)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(diào)制也叫SPWM，特點(diǎn)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(diào)制脈沖的極性，可以分為：?jiǎn)螛O性脈寬調(diào)制和雙極性脈寬調(diào)制

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

③根據(jù)載波信號(hào)和基波信號(hào)頻率之間的關(guān)系，可以分為：同步脈寬調(diào)制和異步脈寬調(diào)制

(下面會(huì)進(jìn)行詳細(xì)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(gè)重要結(jié)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(yīng)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(gè)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(duì)應(yīng)的6個(gè)脈沖列的陰影面積相等，其作用的效果就基本相同。 對(duì)于正弦波的負(fù)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?fù)淙缦聢D所示

設(shè)負(fù)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(gè)周期內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)，PWM波形各脈沖的寬度和間隔就可以準(zhǔn)確地計(jì)算出來。 依據(jù)計(jì)算結(jié)果來控制逆變電路中各開關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的PWM波形。 但是這種計(jì)算很繁瑣，較為實(shí)用的方法是采用調(diào)制控制，如下圖所示：

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

①當(dāng)ur正半周時(shí)，讓VT1一直保持通態(tài)，VT2保持?jǐn)鄳B(tài)。 在ur與uc正極性三角波交點(diǎn)處控制VT4的通斷，在ur>uc各區(qū)間，控制VT4為通態(tài)，輸出負(fù)載電壓uo=UD。 在ur

②當(dāng)ur負(fù)半周時(shí)，讓VT2一直保持通態(tài)，VT1保持?jǐn)鄳B(tài)，在ur和uc負(fù)極性三角波交點(diǎn)處控制VT3的通斷。 在uruc各區(qū)間，控制VT3為斷態(tài)，輸出負(fù)載電壓uo=0，此時(shí)負(fù)載電流可以經(jīng)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(gè)方向變化，故稱為單極性PWM控制方式。

雙極性PWM控制：調(diào)制信號(hào)ur仍然是正弦波，而載波信號(hào)uc改為正負(fù)2個(gè)方向變化的等腰三角形，如下圖所示：

對(duì)逆變橋VT1~VT4的控制方法如下：

①在ur正半周，當(dāng)ur>uc的各區(qū)間，給VT1和VT4導(dǎo)通信號(hào)，而給VT2和VT3關(guān)斷信號(hào)，輸出負(fù)載電壓uo=UD。 在ur

②在ur負(fù)半周，當(dāng)uruc的各區(qū)間，給VT2和VT4導(dǎo)通信號(hào)，而給VT2和VT3關(guān)斷信號(hào)，輸出負(fù)載電壓uo=UD。

雙極性PWM控制輸出uo波形為2個(gè)方向變化等幅不等寬的脈沖列。 同一半橋上下2個(gè)橋臂晶體管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)極性恰好相反，處于互補(bǔ)工作方式。

02三相橋式PWM變頻電路工作原理

基本電路拓?fù)淙缦聢D所示

設(shè)負(fù)載為感性，從電路結(jié)構(gòu)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(diào)制信號(hào)urU、urV和urW為相位依次相差120°的正弦波，而三相載波信號(hào)是公用一個(gè)正負(fù)方向變化的三角形波uc。 U、V和W相自關(guān)斷開關(guān)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(dǎo)通驅(qū)動(dòng)信號(hào)，而給下橋臂VT4以關(guān)斷信號(hào)，于是U相輸出電壓相對(duì)直流電源UD中性點(diǎn)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(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)相反，但實(shí)際上，為了避免上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通，需要在兩橋臂切換間加上一個(gè)延遲時(shí)間，這個(gè)延遲時(shí)間就是我們常說的死區(qū)時(shí)間。 由于此延遲會(huì)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(shí)間應(yīng)盡可能取小。

3PWM逆變電路的調(diào)制控制方式

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

01異步調(diào)制

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

異步調(diào)制控制方式的特點(diǎn)：

①控制相對(duì)簡(jiǎn)單;

②在調(diào)制信號(hào)的半個(gè)周期內(nèi)，輸出脈沖的個(gè)數(shù)不固定，脈沖相位也不固定，正負(fù)半周的脈沖不對(duì)稱，而且半周期前后1/4周期的脈沖也不對(duì)稱，輸出波形就偏離了正弦波;

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

02同步調(diào)制

在三相逆變電路中，當(dāng)載波比N是3的整數(shù)倍時(shí)，載波與調(diào)制信號(hào)波能同步調(diào)制。 下圖給出N=9時(shí)的同步調(diào)制控制時(shí)的三相PWM波形：

在同步調(diào)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(shí)增高fc和fr，保持載波比N不變，保持同步調(diào)制不變。

同步調(diào)制控制方式的特點(diǎn)：

①控制相對(duì)較復(fù)雜，通常采用微機(jī)控制;

②在調(diào)制信號(hào)的半個(gè)周期內(nèi)，輸出脈沖的個(gè)數(shù)是固定不變的，脈沖相位也是固定的。 正負(fù)半周的脈沖對(duì)稱，而且半個(gè)周期脈沖排列也是左右對(duì)稱的，輸出波形等效于正弦。

但是，當(dāng)逆變電路要求輸出頻率fo很低時(shí)，由于半周期內(nèi)輸出脈沖的個(gè)數(shù)不變，所以由PWM調(diào)制而產(chǎn)生fo附近的諧波頻率也相應(yīng)很低，這種低頻諧波不易濾除，而且會(huì)對(duì)三相異步電機(jī)造成不利影響，例如電動(dòng)機(jī)噪聲變大、震動(dòng)加大等。 為了克服同步調(diào)制控制方式低頻段的缺點(diǎn)，通常采用"分段同步調(diào)制"的方法，即把逆變電路的輸出頻率范圍劃分成若干個(gè)頻率段，每個(gè)頻率段內(nèi)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(shí)，取較小的載波比，這樣載波頻率不至于過高，能在功率開關(guān)器件所允許的頻率范圍內(nèi);

b.在輸出頻率為低頻率段時(shí)，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(duì)異步電動(dòng)機(jī)的不利影響。

這樣看來，同步調(diào)制方式效果比異步調(diào)制方式好，但同步調(diào)制控制方式較為復(fù)雜，一般由微機(jī)進(jìn)行控制。

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

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