PWM控制原理及电路应用详解

PWM（脉冲宽度调制）是用脉冲来输出模拟信号的一种技术，其通过对一系列脉冲的宽度进行调制，以产生等效的目标波形，广泛应用于测量、通信、开关电源、电机控制等领域。本文将对PWM技术的基本控制原理以及常见的电路应用进行分享。

一、PWM基本控制原理

1、理论基础

面积等效原理：冲量相等而形状不同的窄脉冲作用在具有惯性的环节上时，其作用效果基本相同。其中“冲量”是指窄脉冲的面积，而“效果基本相同”是指环节的输出响应波形基本相同。

将图中所示电压窄脉冲，分别作用在一阶惯性环节（下图(a)）上，各窄脉冲的输出电流i(t)响应波形如下图（b）所示。

可以看出在最初暂态时，它们的响应波形略有差别，但后续的响应波形则完全一致。

所施加的脉冲越窄，输出响应的波形差异越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应也是周期性的。用傅里叶级数进行响应信号分解后可知，响应在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。

2、控制原理

基于面积等效原理，PWM通过对一系列脉冲宽度进行调制，产生与目标波形脉冲冲量相等的窄脉冲波形，从而实现目标波形（含形状和幅值）的等效。

这里以常用的正弦半波等效为例进行调制过程介绍：

首先，将正弦半波均等分割成N个相连的宽度相等幅值不同的脉冲。然后，用N个等幅不等宽的矩形脉冲对其进行代替，矩形脉冲的中点与相应正弦波脉冲的中点重合，且两者面积（冲量）相等。

这样，即可获得与正弦半波等效的一系列PWM波形——SPWM波形，SPWM波形的脉冲宽度按正弦规律变化。

除了正弦波外，PWM技术还可对直流以及非正弦交流等波形进行等效，其基本原理与SPWM控制相同，都是基于面积等效原理。

二、PWM技术应用

PWM斩波电路与PWM逆变电路是PWM技术的最典型的两种电路应用。

目前，实际应用的逆变电路中绝大部分是PWM型，而在直流电动机调速中PWM斩波电路得到了广泛应用。此外，基于PWM技术的斩控式交流调压电路和矩阵式变频电路在交流-交流变换领域中均有应用。

下面对典型的直流斩波电路以及PWM逆变电路进行介绍。

1、直流斩波电路

常用的直流斩波电路有：Buck电路、Boost电路、Buck-Boost电路、Cuk斩波电路以及Sepic斩波电路等。

这里以Buck直流斩波电路为例进行讲解，电路结构如下图所示：

图中：V为全控型器件，D为续流二极管。

当器件处于导通状态时，电源向负载供电，并给电容充电，二极管电压VD=Vin；当器件处于关断状态时，电容给负载供电，二极管电压近似为0。

若周期性的给开关器件开通与关断信号，输出电压波形如右图所示。电源在导通时间ton内被接通，在关断时间T- ton内被截断，因此也称为斩波。

输出电压的平均值为：

可见，直流斩波电路可以通过调节开关器件的开通与关断时间，从而调节输出电压平均值，获得所需的直流电压波形。

2、PWM逆变电路

常用的PWM逆变电路控制方法有计算法与调制法两种。其中，计算法过程繁琐且当输出正弦波形变化时需要重新进行计算，因此常用调制法进行PWM逆变电路控制。

下面对单相桥式逆变电路的SPWM调制过程以及三相桥式逆变电路的SVPWM调制过程进行讲解。

▍单相桥式逆变电路

将期望的输出信号作为调制信号，采用等腰三角波或锯齿波作为载波信号，以两种信号的交点控制开关器件的通断，将得到一系列宽度正比于信号波幅值的PWM脉冲。

具体调制过程如下：

在调制信号ur正半周时：

开关器件V1保持导通，V2与V3保持关断，V4根据调制波与载波之间的关系交替导通。

当|Ur|＞|Uc|时，V4开通，负载电压Uo=Ud；当|Ur|＜|Uc|时，V4关断，负载电流将通过二极管D3续流，此时负载电压Uo=0。输出电压Uo为0和Ud电平交替的波形。

在调制信号ur负半周时：

开关器件V2保持导通，V1与V4保持关断，V3根据调制波与载波之间的关系交替导通。

当|Ur|＞|Uc|时，V3开通，负载电压Uo=-Ud；当|Ur|＜|Uc|时，V3关断，D4续流，此时负载电压Uo=0。输出电压Uo为0和-Ud电平交替的波形。

在调制信号波ur一个整周期内，逆变器输出的PWM波形由±Ud和0三种电平构成。

▍三相桥式逆变电路

除了上述的SPWM正弦脉冲宽度调制技术外，SVPWM空间矢量脉宽调制技术在电机控制领域中也十分常用。

SPWM是通过在电机定子中通入相位互差120°的正弦波，从而在空间上产生一个旋转磁动势带动转子旋转。而SVPWM的则是通过设置开关管的通断在电机中形成一个旋转的电压矢量，从而产生一个旋转的磁动势。

SVPWM的具体实施方法如下：

电路由六个开关器件构成，上下管为一组形成三个半桥电路，同一半桥的上下桥臂不能同时导通或断开。

定义上桥臂导通，下桥臂关断时状态为1，上桥臂关断，下桥臂导通时状态为0，则可以得到8种电压状态（000、100、110、010、011、001、101、111）。其中，000与111为零矢量，其他六种为非零电压矢量，将空间电压矢量图划分为6个扇区。

SVPWM的实现过程中：

首先，根据转子的位置和采集的电流数据来确定需要给定的Uα和Uβ值，接着确定由Uα和Uβ合成的电压U所处的扇区。

然后，根据确定的扇区选择合成电压U所需的电压矢量（U1~U6），并依据矢量合成的关系计算出开关器件的保持时间。

最后，根据这些计算结果控制开关器件的通断，以实现预期的电压U输出。

三、常用拓扑调制方式

若将PWM控制技术应用于不同的电力拓扑，控制信号的调制方式会有所差异。

常用的调制方式包括：移相调制、脉冲频率调制、脉冲宽度调制、单极性倍频调制和双极性调制等，这些调制方式在PPEC数字电源控制芯片中均有成熟的封装可直接应用，为数字电源研发提供了高效、稳定、可靠的解决方案。

接下来我们对部分常用电力拓扑的调制方式进行介绍：

▍移相全桥拓扑：采用移相调制方式，通过调节桥臂开关器件PWM信号的相位差（即移相角），改变原边输出电压占空比，从达到调节输出电压的目的。

▍LC串联谐振拓扑：采用脉冲频率调制方式，通过控制PWM信号的频率fs实现输出电压的调节。在实际应用中常工作于0~0.5倍谐振频率fr模式以及开关频率fs高于谐振频率fr模式。

▍LLC谐振拓扑：常采用脉冲频率调制方式，通过控制PWM信号的频率fs实现输出电压的调节。变换器常工作于欠谐振模式、准谐振模式及过谐振模式。

▍逆变/整流拓扑：常采用单极倍频调制及双极性调制方式。单极倍频调制采用两个基波信号（ug、-ug）与载波信号交截得到两个调制信号，两个信号相互作用产生单极倍频调制信号。双极性调制信号由一个基波与载波交截产生，其波形在半个基波周期内有正有负。

▍buck-boost拓扑：常采用脉冲宽度调制（PWM）及脉冲频率调制（PFM）方式。PWM采用恒定的开关频率，通过调节脉冲宽度(占空比)的方法来实现输出电压调节。PFM通过调节开关频率以实现输出电压调节。

PWM技术的基本控制原理以及常见的电路应用就分享到这里了。需要注意的是，尽管PWM控制技术简化了电力变换过程，具有稳定性好、效率高、可靠性高等优点，但PWM技术的实现对开关器件的要求较高且电路噪声较大。因此，在应用中大家要根据实际需求选择合适的控制方式。