單雙極性PWM波形調制方法

1、PWM波形調制方法圖6-20 二重PWM型逆變電路 14.0 引 言 PWM（Pulse Width Modulation）控制脈沖寬度調制技術，通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值） 直流斬波電路采用 斬控式交流調壓電路，矩陣式變頻電路 本章內容 PWM控制技術在逆變電路中應用最廣，應用的逆變電路絕大部分是PWM型，PWM控制技術正是有賴于在逆變電路中的應用，才確定了它在電力電子技術中的重要地位 本章主要以逆變電路為控制對象來介紹PWM控制技術 也介紹PWM整流電路14.1 PWM控制的基本原理 理論基礎 沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效

2、果基本相同 沖量指窄脈沖的面積 效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同 低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異圖6-1 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖 一個實例 圖6-2a的電路v 電路輸入：u(t)，窄脈沖，如圖6-1a、b、c、d所示v 電路輸出：i(t)，圖6-2b 面積等效原理圖6-2 沖量相同的各種窄脈沖的響應波形 用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波v 正弦半波N等分，可看成N個彼此相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等v 用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點重合，面積（沖量）相等v 寬度按正弦規(guī)律變化v SPWM波形脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形v 要改變等

3、效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可 圖6-3 用PWM波代替正弦半波 等幅PWM波和不等幅PWM波 由直流電源產生的PWM波通常是等幅PWM波v 如直流斬波電路及本章主要介紹的PWM逆變電路和PWM整流電路 輸入電源是交流，得到不等幅PWM波v 如斬控式交流調壓電路和矩陣式變頻電路 基于面積等效原理進行控制，本質是相同的 PWM電流波 電流型逆變電路進行PWM控制，得到的就是PWM電流波 PWM波形可等效的各種波形 直流斬波電路：等效直流波形 SPWM波：等效正弦波形 還可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面積原理14.2 P

4、WM逆變電路及其控制方法 目前中小功率的逆變電路幾乎都采用PWM技術 逆變電路是PWM控制技術最為重要的應用場合 本節(jié)內容構成了本章的主體 PWM逆變電路也可分為電壓型和電流型兩種，目前實用的PWM逆變電路幾乎都是電壓型電路14.2.1 計算法和調制法 計算法v 根據正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數，準確計算PWM波各脈沖寬度和間隔，據此控制逆變電路開關器件的通斷，就可得到所需PWM波形v 繁瑣，當輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時，結果都要變化 調制法v 輸出波形作調制信號，進行調制得到期望的PWM波v 通常采用等腰三角波或鋸齒波作為載波v 等腰三角波應用最多，其任一點水平寬度和高度成線性關系

5、且左右對稱 與任一平緩變化的調制信號波相交，在交點控制器件通斷，就得寬度正比于信號波幅值的脈沖，符合PWM的要求 調制信號波為正弦波時，得到的就是SPWM波 調制信號不是正弦波，而是其他所需波形時，也能得到等效的PWM波 結合IGBT單相橋式電壓型逆變電路對調制法進行說明: 工作時V1和V2通斷互補，V3和V4通斷也互補 控制規(guī)律v uo正半周，V1通，V2斷，V3和V4交替通斷v 負載電流比電壓滯后，在電壓正半周，電流有一段區(qū)間為正，一段區(qū)間為負v 負載電流為正的區(qū)間，V1和V4導通時，uo等于Udv V4關斷時，負載電流通過V1和VD3續(xù)流，uo=0v 負載電流為負的區(qū)間， V1和V4仍導

6、通，io為負，實際上io從VD1和VD4流過，仍有uo=Ud V4關斷V3開通后，io從V3和VD1續(xù)流，uo=0 uo總可得到Ud和零兩種電平 uo負半周，讓V2保持通，V1保持斷，V3和V4交替通斷，uo可得-Ud和零兩種電平圖6-4 單相橋式PWM逆變電路 單極性PWM控制方式（單相橋逆變）在ur和uc的交點時刻控制IGBT的通斷v ur正半周，V1保持通，V2保持斷w 當uruc時使V4通，V3斷，uo=Udw 當uruc時使V4斷，V3通，uo=0v ur負半周，V1保持斷，V2保持通w 當uruc時使V3斷，V4通，uo=0w 虛線uof表示uo的基波分量圖6-5 單極性PWM控制

7、方式波形 雙極性PWM控制方式（單相橋逆變）v 在ur的半個周期內，三角波載波有正有負，所得PWM波也有正有負v 在ur一周期內，輸出PWM波只有Ud兩種電平v 仍在調制信號ur和載波信號uc的交點控制器件的通斷v ur正負半周，對各開關器件的控制規(guī)律相同v 當ur uc時，給V1和V4導通信號，給V2和V3關斷信號v 如io0，V1和V4通，如io0，VD1和VD4通， uo=Ud 當uruc時，給V2和V3導通信號，給V1和V4關斷信號 如io0，VD2和VD3通，uo=-Ud 單相橋式電路既可采取單極性調制，也可采用雙極性調制圖6-6 雙極性PWM控制方式波形 雙極性PWM控制方式（三相

8、橋逆變）v 三相的PWM控制公用三角波載波ucv 三相的調制信號urU、urV和urW依次相差120圖6-7 三相橋式PWM型逆變電路 U相的控制規(guī)律v 當urUuc時，給V1導通信號，給V4關斷信號，uUN=Ud/2v 當urUuc時，給V4導通信號，給V1關斷信號，uUN=-Ud/2v 當給V1(V4)加導通信號時，可能是V1(V4)導通，也可能是VD1(VD4)導通v uUN、uVN和uWN的PWM波形只有Ud/2兩種電平v uUV波形可由uUN-uVN得出，當1和6通時，uUV=Ud，當3和4通時，uUV=Ud，當1和3或4和6通時，uUV=0v 輸出線電壓PWM波由Ud和0三種電平構

9、成v 負載相電壓PWM波由(2/3)Ud、(1/3)Ud和0共5種電平組成 防直通死區(qū)時間v 同一相上下兩臂的驅動信號互補，為防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加關斷信號的死區(qū)時間v 死區(qū)時間的長短主要由開關器件的關斷時間決定v 死區(qū)時間會給輸出的PWM波帶來影響，使其稍稍偏離正弦波圖6-8 三相橋式PWM逆變電路波形14.2.2 異步調制和同步調制v 載波比載波頻率fc與調制信號頻率fr之比，N= fc / frv 根據載波和信號波是否同步及載波比的變化情況，PWM調制方式分為異步調制和同步調制1. 異步調制 異步調制載波信號和調制信號不同步的調制方式w 通常保持fc固定不變，當f

10、r變化時，載波比N是變化的w 在信號波的半周期內，PWM波的脈沖個數不固定，相位也不固定，正負半周期的脈沖不對稱，半周期內前后1/4周期的脈沖也不對稱w 當fr較低時，N較大，一周期內脈沖數較多，脈沖不對稱產生的不利影響都較小w 當fr增高時，N減小，一周期內的脈沖數減少，PWM脈沖不對稱的影響就變大同步調制 同步調制N等于常數，并在變頻時使載波和信號波保持同步w 基本同步調制方式，fr變化時N不變，信號波一周期內輸出脈沖數固定w 三相電路中公用一個三角波載波，且取N為3的整數倍，使三相輸出對稱w 為使一相的PWM波正負半周鏡對稱，N應取奇數w fr很低時，fc也很低，由調制帶來的諧波不易濾除

11、w fr很高時，fc會過高，使開關器件難以承受圖6-10 同步調制三相PWM波形 分段同步調制(圖6-11）w 把fr范圍劃分成若干個頻段，每個頻段內保持N恒定，不同頻段N不同w 在fr高的頻段采用較低的N，使載波頻率不致過高w 在fr低的頻段采用較高的N，使載波頻率不致過低w 為防止fc在切換點附近來回跳動，采用滯后切換的方法w 同步調制比異步調制復雜，但用微機控制時容易實現w 可在低頻輸出時采用異步調制方式，高頻輸出時切換到同步調制方式，這樣把兩者的優(yōu)點結合起來，和分段同步方式效果接近14.2.3 規(guī)則采樣法 按SPWM基本原理，自然采樣法w 要求解復雜的超越方程，難以在實時控制中在線計算

12、，工程應用不多 規(guī)則采樣法特點w 工程實用方法，效果接近自然采樣法，計算量小得多圖6-12 規(guī)則采樣法 規(guī)則采樣法原理w 圖6-12，三角波兩個正峰值之間為一個采樣周期Tcw 自然采樣法中，脈沖中點不和三角波一周期的中點（即負峰點）重合w 規(guī)則采樣法使兩者重合，每個脈沖的中點都以相應的三角波中點為對稱，使計算大為簡化w 在三角波的負峰時刻tD對正弦信號波采樣得D點，過D作水平直線和三角波分別交于A、B點，在A點時刻tA和B點時刻tB控制開關器件的通斷w 脈沖寬度d 和用自然采樣法得到的脈沖寬度非常接近 規(guī)則采樣法計算公式推導 正弦調制信號波 式中，a稱為調制度，0a1；wr為信號波角頻率。從圖

13、6-12得 (6-6) 因此可得 三角波一周期內，脈沖兩邊間隙寬度 (6-7) 三相橋逆變電路的情況 三角波載波公用，三相正弦調制波相位依次差120 同一三角波周期內三相的脈寬分別為dU、dV和dW，脈沖兩邊的間隙寬度分別為dU、dV和dW，同一時刻三相調制波電壓之和為零，由式(6-6)得 (6-8) 由式(6-7)得 (6-9) 利用以上兩式可簡化三相SPWM波的計算14.2.4 PWM逆變電路的多重化v PWM多重化逆變電路，一般目的：提高等效開關頻率、減少開關損耗、減少和載波有關的諧波分量v PWM逆變電路多重化聯結方式有變壓器方式和電抗器方式 利用電抗器聯接的二重PWM逆變電路（圖6-

14、28，圖6-29) 兩個單元的載波信號錯開180 輸出端相對于直流電源中點N的電壓uUN=(uU1N+uU2N)/2，已變?yōu)閱螛O性PWM波 圖6-20 二重PWM型逆變電路 輸出線電壓共有0、(1/2)Ud、Ud五個電平，比非多重化時諧波有所減少 電抗器上所加電壓頻率為載波頻率，比輸出頻率高得多，只要很小的電抗器就可以了 輸出電壓所含諧波角頻率仍可表示為nwc+kwr，但其中n為奇數時的諧波已全被除去，諧波最低頻率在2wc附近，相當于電路的等效載波頻率提高一倍圖6-21 二重PWM型逆變電路輸出波形圖6-1 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖 圖6-2 沖量相同的各種窄脈沖的響應波形 圖6-3 用P