PWM 控制技术

参考资料：http://blog.sina.com.cn/s/blog_71facf000100ucm1.html

主要内容：PWM控制的基本原理、控制方式与PWM波形的生成方法，PWM逆变电

路的谐波分析，PWM整流电路。

重点：PWM控制的基本原理、控制方式与PWM波形的生成方法。

难点：PWM波形的生成方法，PWM逆变电路的谐波分析。

基本要求：掌握PWM控制的基本原理、控制方式与PWM波形的生成方法，了解PWM

逆变电路的谐波分析，了解跟踪型PWM逆变电路，了解PWM整流电路。

PWM（Pulse Width Modulation）控制——脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽

度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。第3、4章已涉及这方面内容:

第3章：直流斩波电路采用，第4章有两处： 4.1节斩控式交流调压电路，4.4节矩阵式变

频电路。

本章内容

PWM控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是PWM型，PWM

控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。

本章主要以逆变电路为控制对象来介绍PWM 控制技术，也介绍PWM整流电路

1 PWM控制的基本原理

理论基础：

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄

脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在

高频段略有差异。

          图 6-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲

面积等效原理：

分别将如图6-1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图6-2a所示。

其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图6-2b所示。从波形可以看出，在i(t)的上升

段，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异

也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可

看出，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。

        图 6-2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形

用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的

脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲

量）相等，宽度按正弦规律变化。

SPWM波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形。

                         图 6-3 用PWM波代替正弦半波

要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。

等幅PWM波和不等幅PWM波：

由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM 波，如直流斩波电路及本章主要介绍的

PWM逆变电路，6.4节的PWM整流电路。输入电源是交流，得到不等幅PWM波，如4.1

节讲述的斩控式交流调压电路，4.4节的矩阵式变频电路。基于面积等效原理，本质是相同

的。

PWM电流波：

电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波。

PWM波形可等效的各种波形：

直流斩波电路：等效直流波形

SPWM波：等效正弦波形，还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，也基于等效面积原理。

2 PWM逆变电路及其控制方法

目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术。逆变电路是PWM控制技术最为重要

的应用场合。本节内容构成了本章的主体

PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前实用的几乎都是电压型。

（1）计算法和调制法

1、计算法

根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控

制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形。

缺点：繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化

2、调制法

输出波形作调制信号，进行调制得到期望的PWM波；通常采用等腰三角波或锯齿波作

为载波；等腰三角波应用最多，其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称；与任一

平缓变化的调制信号波相交，在交点控制器件通断，就得宽度正比于信号波幅值的脉冲，

符合PWM的要求。

调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波；调制信号不是正弦波，而是其他所需

波形时，也能得到等效的PWM波。

结合IGBT 单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说明：设负载为阻感负载，工作时

V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补。

控制规律：

uo正半周，V1通，V2断，V3和V4交替通断，负载电流比电压滞后，在电压正半周，

电流有一段为正，一段为负，负载电流为正区间，V1和V4导通时，uo等于Ud，V4关断时，

负载电流通过V1和VD3续流，uo=0，负载电流为负区间，io为负，实际上从VD1和VD4流

过，仍有uo=Ud，V4断，V3通后，io从V3和VD1续流，uo=0，uo总可得到Ud和零两种电

平。uo负半周，让V2保持通，V1保持断，V3和V4交替通断，uo可得-Ud和零两种电平。

                     图6-4 单相桥式PWM逆变电路

单极性PWM控制方式（单相桥逆变）：

在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。ur正半周，V1保持通，V2保持断，当ur>uc

时使V4通，V3断，uo=Ud，当ur保持通，当uruc时使V3断，V4通，uo=0，虚线uof

表示uo的基波分量。波形见图6-5。

                     图 6-5 单极性PWM控制方式波形

双极性PWM控制方式（单相桥逆变）：

在ur半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负。在ur一周期内，输出PWM波只有±Ud两种电平，仍在调制信号ur和载波信号uc的交点控制器件通断。ur

正负半周，对各开关器件的控制规律相同，当ur >uc时，给V1和V4导通信号，给V2和

V3关断信号，如io>0，V1和V4通，如io<0，VD1和VD4通， uo=Ud，当ur和V3导通信号，给V1和V4关断信号，如io<0，V2和V3通，如io>0，VD2和VD3通，

uo=-Ud。波形见图6-6。

单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制。

             图 6-6 双极性PWM控制方式波形

双极性PWM控制方式（三相桥逆变）：见图6-7。

         图6-7 三相桥式PWM型逆变电路

三相PWM控制公用uc，三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120°。

U相的控制规律：当urU>uc时，给V1导通信号，给V4关断信号，uUN′=Ud/2，当urU时，给V4导通信号，给V1关断信号，uUN′=-Ud/2；当给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是VD1(VD4)导通。uUN′、uVN′和uWN′的PWM波形只有±Ud/2两种电平，uUV波形可由uUN′-uVN′得出，当1 和6通时，uUV=Ud，当3 和4通时，uUV=－Ud，当1 和3 或4和6通时，uUV=0。波形见图6-8。输出线电压PWM波由±Ud和0三种电平构成，负载相电压PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5种电平组成。

                      图 6-8 三相桥式PWM逆变电路波形

防直通死区时间：

同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通造成短路，留一小段上下臂都施

加关断信号的死区时间。死区时间的长短主要由器件关断时间决定。死区时间会给输出

PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。

特定谐波消去法(Selected Harmonic Elimination PWM—SHEPWM)：

计算法中一种较有代表性的方法，图6-9。输出电压半周期内，器件通、断各3次（不

包括0和π），共6个开关时刻可控。为减少谐波并简化控制，要尽量使波形对称。

首先，为消除偶次谐波，使波形正负两半周期镜对称，即：

u (wt ) = -u (wt + p )                  (6-1)

               图 6-9 特定谐波消去法的输出PWM波形

其次，为消除谐波中余弦项，使波形在半周期内前后1/4周期以π/2为轴线对称。