【技術(shù)分享】什么是PWM？基礎(chǔ)原理是什么？

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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）

 

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PWM 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。

 

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單相橋式 PWM 變頻電路工作原理

基本電路拓?fù)?/a>如下圖所示

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<uc 各區(qū)間，控制 VT4 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 VD3 與 VT1 續(xù)流。

 

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 ur＜uc 各區(qū)間，控制 VT3 為通態(tài)，輸出負(fù)載電壓 uo=-UD。在 ur＞uc 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＜uc 的各區(qū)間，給 VT2 和 VT3 導(dǎo)通信號(hào)，而給 VT1 和 VT4 關(guān)斷信號(hào)，輸出負(fù)載電壓 uo=-UD。這樣逆變電路輸出的 uo 為 2 個(gè)方向變化等幅不等寬的脈沖列。

 

②在 ur 負(fù)半周，當(dāng) ur＜uc 的各區(qū)間，給 VT2 和 VT3 導(dǎo)通信號(hào)，而給 VT1 和 VT4 關(guān)斷信號(hào)，輸出負(fù)載電壓 uo=-UD。當(dāng) ur＞uc 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。

 

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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＜uc 的各區(qū)間，給 VT1 以關(guān)斷信號(hào)，VT4 為導(dǎo)通信號(hào)，輸出電壓 uUN'=−UD/2。下圖所示的 uUN'波型就是三相橋式 PWM 逆變電路，U 相輸出的波形（相對(duì) N'點(diǎn)）。

 

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。

 

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PWM 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~