PWM控制与软件开关技术

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1、电 力 电 子 技 术 *1 第7章 PWM控制技术 武汉科技大学信息科学与工程学院 电 力 电 子 技 术 PWM控制技术 * 2 引言 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）。 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。 主要以逆变电路为控制对象来介绍PWM控制技术。 电 力 电 子 技 术 PWM控制技术 * 3 7.1 PWM控制的基本原理 理论基础：

2、 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7-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 电 力 电 子 技 术 PWM控制技术 * 4 一个实例: 图7-2a的电路 电路输入：u(t)，窄脉冲，如图7-1a、b、c、d所示 电路输出：i(t)，图7-2b 面积等效原理 图7-2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形 7.1 PWM控制的基本原理 电 力 电 子 技 术 PWM控制技术 * 5 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，可看成N个 彼

3、此相连的脉冲序列，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。 图7-3 用PWM波 代替正弦半波 SPWM波形: 脉冲宽度按正弦规律变化并且和正弦波等效的 PWM波形。 要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度。 7.1 PWM控制的基本原理 电 力 电 子 技 术 PWM控制技术 * 6 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 。 输入电源是交流，得到不等幅PWM波，如斩控式 交流调压电路。 均基于面积等效原理进行控制，本质是相同的。

4、 7.1 PWM控制的基本原理 电 力 电 子 技 术 PWM控制技术 * 7 u o t o t o u 1 i 1 t o 7.1 PWM控制的基本原理 斩控式交流调压电路 电 力 电 子 技 术 PWM控制技术 * 8 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，如等效为所需的非正弦交 流波形，其基本原理和SPWM控制相同，也基于面积等 效原理。 7.1 PWM控制的基本原理 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。PWM逆变电路也 可分为电压型和电流型两种： 目前实用的P

5、WM逆变电路几乎都是电压型电路。 电流型逆变电路进行PWM控制，得到的是PWM电流波 。 电 力 电 子 技 术 PWM控制技术 * 9 7.2 PWM逆变电路及其控制方法 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。 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。 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。 电 力 电 子 技 术 PWM控制技术 * 10 与任一平缓

6、变化的调制信号波相交，在交点处控制器件通断 ，便得到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。 7.2 PWM逆变电路及其控制方法 电 力 电 子 技 术 PWM控制技术 * 11 结合IGBT单相桥式电压型逆变电路对调制法进行说 明 ：工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补。 7.2 PWM逆变电路及其控制方法 电 力 电 子 技 术 PWM控制技术 * 12 控制规律： uo正半周，V4通，V3断，V1和V2交替通断。uo总可得到 Ud和零两种电平。 uo负半周，

7、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。 7.2 PWM逆变电路及其控制方法 电 力 电 子 技 术 PWM控制技术 * 13 在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断 。 ur正半周，V4保持通，V3保持断； 当uruc时使V1通，V2断，uo=Ud； 当uruc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号； 如 io0，V1和V4通，如 io0，VD1和VD4通， uo=Ud 。 7.2 PWM逆变电路及其控制方法 电 力 电 子 技 术 PWM控制技术 * 15 当uruc时，给V1导通信号，给V4关断信号，uUN=Ud/2； 当urUuc时，给上

8、桥臂的器件导通信号 当uruc时，给下桥臂的器件导通信号 7.2 PWM逆变电路及其控制方法 电 力 电 子 技 术 PWM控制技术 * 19 7.2 PWM逆变电路及其控制方法 应用： l 从理论上分析，单极性PWM波比双极性PWM波更加逼 近正弦。因此，要达到同样的基波、谐波成分要求，双 极性PWM波需要更高的开关频率，每半周脉冲个数更 多。 l 单极性PWM波采用较低的开关频率可以获得较好的波 形质量，故开关损耗小，更适用于大功率逆变器。 l 但实际上，直接输出单极性PWM波的逆变器往往主电 路结构比较复杂，使用器件也比较多。所以目前直接输 出双极性PWM波的逆变器应用较多。 电 力 电

9、 子 技 术 PWM控制技术 * 20 防直通死区时间 同一相上下两臂的驱动信号 互补，为防止上下臂直通而 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开关 器件的关断时间决定； 死区时间会给输出的PWM 波带来影响，使其稍稍偏离 正弦波。 图6-8 三相桥式PWM逆变电路波形 7.2 PWM逆变电路及其控制方法 电 力 电 子 技 术 PWM控制技术 * 21 特定谐波消去法(Selected Harmo- nic Elimination PWMSHEPWM) 这是计算法中一种较有代表性的 方法。 假设输出电压半周期内，器件通 、断各3次（不包括0和），共6

10、个开关时刻可控（如右图）。 特定谐波消去法的输出 PWM波形 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 7.2 PWM逆变电路及其控制方法 电 力 电 子 技 术 PWM控制技术 * 22 其次，为消除谐波中余弦项，应使波形在正半周期内前后 1/4周期以/2为轴线对称 同时满足以上两个条件的波形称为四分之一周期对称波形 ，用傅里叶级数表示为 式中，an为 7.2 PWM逆变电路及其控制方法 电 力 电 子 技 术 PWM控制技术 * 23 能独立控制的量包括：a1、a2和a3 ，共3个时刻。该波形的an为 式中n=1,3,5, 7.2 PWM

11、逆变电路及其控制方法 根据需要确定a1的值，再令两个不同的an=0，就可建三个方 程，求得a1、a2和a3。 电 力 电 子 技 术 PWM控制技术 * 24 消去两种特定频率的谐波。 在三相对称电路的线电压中，相电压所含的3次谐波相互 抵消，可考虑消去5次和7次谐波，得如下联立方程： 给定a1，解方程组可得a1、a2和a3。a1变，a1、a2和a3也 相应改变。 7.2 PWM逆变电路及其控制方法 电 力 电 子 技 术 PWM控制技术 * 25 一般，在输出电压半周期内器件通、断各k次，考 虑PWM波四分之一周期对称，k个开关时刻可控， 除用一个控制基波幅值，可消去k1个频率的特定 谐波。

12、 k越大，开关时刻的计算越复杂。 除计算法和调制法外，还有跟踪控制方法。 7.2 PWM逆变电路及其控制方法 电 力 电 子 技 术 PWM控制技术 * 26 7.2.2 异步调制与同步调制 l 根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情 况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制 。 l 载波比：载波频率fc与调制信号频率fr之比， N= fc / fr。 电 力 电 子 技 术 PWM控制技术 * 27 1. 异步调制：载波信号和调制信号不同步的调制方式。 在异步调制方式中，通常保持载波频率fc固定不变，当信 号波频率fr变化时，载波比N是变化的。 在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定

13、，相位 也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4 周期的脉冲也不对称。 当信号波频率fr较低时，N较大，一周期内脉冲数较多， 脉冲不对称产生的不利影响都较小。 当信号波频率fr增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少 ，PWM脉冲不对称的影响就变大。 7.2.2 异步调制与同步调制 电 力 电 子 技 术 PWM控制技术 * 28 2. 同步调制：N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持 同步。 在基本同步调制方式中，信号波频率fr发生变化时N不变， 信号波一周期内输出脉冲数固定。 三相电路中公用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使 三相输出对称。 为使一相的PWM波正负半周镜对称，

14、N应取奇数。 信号波频率fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤 除。 信号波频率fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受。 7.2.2 异步调制与同步调制 电 力 电 子 技 术 PWM控制技术 * 29 3. 分段同步调制 把fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定， 不同频段N不同。 在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高。 在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低。 为防止fc在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方 法。 l同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易实现。 l可在低频输出时采用异步调制方式，高频输出时切换到同 步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方 式效果接近。 7.2.2 异步调制与同步调制 电 力 电 子 技 术 PWM控制技术 * 30 分段同步调制方式举例 虚线表示输出频率降 低时的切换频率 实线表示输出频