PWM的概念和基本原理

前面我们聊过了交流和直流之间的变换，涉及的最多的应该就是开关器件的开通和关断。 那么问题来了，怎么样开关才能达到我们的需要呢? 就让我们开始下面一个阶段的聊天内容吧，脉冲宽度调制，也就是PWM(Pulse Width Modulation)。

1什么是PWM?

PWM(Pulse Width Modulation)，即脉冲宽度调制。

脉宽调制技术是通过控制半导体开关器件的通断时间，在输出端获得幅度相等而宽度可调的波形(称PWM波形)，从而实现控制输出电压的大小和频率来改善输出波形的一种技术。

前面介绍的那些全控型功率半导体器件，如GTR、MOSFET、IGBT等，用它们构成的PWM变换器，可以使装置体积小、斩波频率高、控制灵活、调节性能好和成本低。

脉宽调制的方法很多，主要分类如下：

①根据基波信号的不同，可以分为：矩形波脉宽调制和正弦波脉宽调制

矩形波脉宽调制的特点是输出脉冲列是等宽的，只能控制一定次数的谐波; 正弦波脉宽调制也叫SPWM，特点是输出脉冲列是不等宽的，宽度按正弦规律变化，输出波形接近正弦波。

②根据调制脉冲的极性，可以分为：单极性脉宽调制和双极性脉宽调制

单极性PWM是指在半个周期内载波只在一个方向变换，所得PWM波形也只在一个方向变化，而双极性PWM是指在半个周期内载波在两个方向变化，所得PWM波形也在两个方向变化。

③根据载波信号和基波信号频率之间的关系，可以分为：同步脉宽调制和异步脉宽调制

(下面会进行详细介绍)

2PWM基本原理

PWM控制的重要理论依据：

在采样控制理论中有一个重要结论：冲量(脉冲的面积)相等而形状不同窄脉冲，分别加在具有惯性环节的输入端，其输出响应波形基本相同，也就是说，尽管脉冲形状不同，但只要脉冲面积相等，其作用的效果基本相同。

如下图所示：

一个正弦半波完全可以用等幅不等宽的脉冲列来等效，但必须做到正弦半波所等分的6块阴影面积与相对应的6个脉冲列的阴影面积相等，其作用的效果就基本相同。 对于正弦波的负半周，用同样方法得到。

01单相桥式PWM变频电路工作原理

基本电路拓扑如下图所示

设负载为电感性，控制方法可以有单极性与双极性两种。

单极性PWM控制：按照PWM控制的基本原理，如果给定了正弦波频率、幅值和半个周期内的脉冲个数，PWM波形各脉冲的宽度和间隔就可以准确地计算出来。 依据计算结果来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。 但是这种计算很繁琐，较为实用的方法是采用调制控制，如下图所示：

把所希望输出的正弦波作为调制信号ur，把接受调制的等腰三角形波作为载波信号uc，对逆变桥VT1~VT4的控制方法如下。

①当ur正半周时，让VT1一直保持通态，VT2保持断态。 在ur与uc正极性三角波交点处控制VT4的通断，在ur>uc各区间，控制VT4为通态，输出负载电压uo=UD。 在ur

②当ur负半周时，让VT2一直保持通态，VT1保持断态，在ur和uc负极性三角波交点处控制VT3的通断。 在uruc各区间，控制VT3为断态，输出负载电压uo=0，此时负载电流可以经过VD4与VT2续流。

由于在这种控制方式中的PWM波形只能在一个方向变化，故称为单极性PWM控制方式。

双极性PWM控制：调制信号ur仍然是正弦波，而载波信号uc改为正负2个方向变化的等腰三角形，如下图所示：

对逆变桥VT1~VT4的控制方法如下：

①在ur正半周，当ur>uc的各区间，给VT1和VT4导通信号，而给VT2和VT3关断信号，输出负载电压uo=UD。 在ur

②在ur负半周，当uruc的各区间，给VT2和VT4导通信号，而给VT2和VT3关断信号，输出负载电压uo=UD。

双极性PWM控制输出uo波形为2个方向变化等幅不等宽的脉冲列。 同一半桥上下2个桥臂晶体管的驱动信号极性恰好相反，处于互补工作方式。

02三相桥式PWM变频电路工作原理

基本电路拓扑如下图所示

设负载为感性，从电路结构上看，三相桥式PWM变频电路只能选用双极性控制方式，其工作原理如下：

三相调制信号urU、urV和urW为相位依次相差120°的正弦波，而三相载波信号是公用一个正负方向变化的三角形波uc。 U、V和W相自关断开关器件的控制方法相同，现以U相为例：在urU>uc的各区间，给上桥臂电力晶体管VT1以导通驱动信号，而给下桥臂VT4以关断信号，于是U相输出电压相对直流电源UD中性点N'为uUN'=UD/2。 在urU

其他两相的控制原理与U相相同。 在双极性PWM控制方式，理论上要求同一相上下2桥臂的开关管驱动信号相反，但实际上，为了避免上下桥臂同时导通，需要在两桥臂切换间加上一个延迟时间，这个延迟时间就是我们常说的死区时间。 由于此延迟会给输出PWM波形带来偏离正弦波的不利影响，所以在保证安全可靠换流前提下，死区时间应尽可能取小。

3PWM逆变电路的调制控制方式

在PWM电路中，载波频率fc与调制信号频率fr之比称为载波比，即N=fc/fr。 根据载波和调制信号波是否同步，PWM逆变电路有异步调制和同步调制两种控制方式。

01异步调制

当载波比N不是3的整数倍时，载波与调制信号波就存在不同步的调制，就是异步调制。 如fc=10fr，载波比N=10，不是3的倍数。 在异步调制控制方式中，通常fc固定不变，逆变输出电压频率的调节是通过改变fr的大小来实现的，所以载波比N也随时跟着变化，就难以同步。

异步调制控制方式的特点：

①控制相对简单;

②在调制信号的半个周期内，输出脉冲的个数不固定，脉冲相位也不固定，正负半周的脉冲不对称，而且半周期前后1/4周期的脉冲也不对称，输出波形就偏离了正弦波;

③载波比N越大，半周期内调制的PWM波形脉冲数就越多，正负半周不对称和半周内前后1/4周期脉冲不对称的影响越小，输出波形越接近正弦波。 所以在采用异步调制控制方式时，要尽量提高载波频率fc，使不对称的影响尽量减小，输出波形更接近正弦波。

02同步调制

在三相逆变电路中，当载波比N是3的整数倍时，载波与调制信号波能同步调制。 下图给出N=9时的同步调制控制时的三相PWM波形：

在同步调制控制方式中，通常保持载波比N不变，若要增高逆变输出电压的频率，必须同时增高fc和fr，保持载波比N不变，保持同步调制不变。

同步调制控制方式的特点：

①控制相对较复杂，通常采用微机控制;

②在调制信号的半个周期内，输出脉冲的个数是固定不变的，脉冲相位也是固定的。 正负半周的脉冲对称，而且半个周期脉冲排列也是左右对称的，输出波形等效于正弦。

但是，当逆变电路要求输出频率fo很低时，由于半周期内输出脉冲的个数不变，所以由PWM调制而产生fo附近的谐波频率也相应很低，这种低频谐波不易滤除，而且会对三相异步电机造成不利影响，例如电动机噪声变大、震动加大等。 为了克服同步调制控制方式低频段的缺点，通常采用"分段同步调制"的方法，即把逆变电路的输出频率范围划分成若干个频率段，每个频率段内都保持载波比为恒定，而不同频率段所取的载波比不同。

a.在输出高频率段时，取较小的载波比，这样载波频率不至于过高，能在功率开关器件所允许的频率范围内;

b.在输出频率为低频率段时，取较大的载波比，这样载波频率不至于过低，谐波频率也较高且幅值也小，也易于滤除，从而减小了对异步电动机的不利影响。

这样看来，同步调制方式效果比异步调制方式好，但同步调制控制方式较为复杂，一般由微机进行控制。

有的电路在输出低频率段时采用异步调制方式，而在输出高频率段时换成同步调制控制方式，这种综合调制控制方式，其效果和分段同步调制方式相接近。

今天我们就聊聊以上有关PWM的基本概念和原理，正在的实际使用中需要考虑到很多细节，明天我们继续聊。