浅析PWM调制技术

浅析PWM调制技术

周永发房祥龙梅素真

（1.沈阳昀迅电气技术有限公司辽宁沈阳110001）

摘要：随着电力电子技术的飞速发展，电力电子器件已经从半控型器件SCR到全控型器件GTO，时至今日，在生产生活中，一种性能和参数俱优的电力电子器件IGBT（绝缘双极晶体管）已经很受欢迎，广泛使用，正是由于这种器件的诞生，大规模促进了PWM技术的兴起，在航空航天，电力产生与输送，煤矿生产等领域已经普遍使用，比如MG400/985—WD采煤机，矿井提升机，矿井电力机车直流充电，煤矿井下本安可靠充电电源，矿井绞车等设备的变频调速，等等新技术新设备已经离不开PWM调制技术在生产中的应用，供使用者参考，具有很好的借鉴和指导价值。

关键词：PWM、单相半桥电压逆变、单相桥式电压逆变、三相逆变调制技术

一、PWM调制技术的定义与起源

PWM控制就是脉宽调制技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和幅值)。PWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实现PWM控制变得十分容易。PWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的地位。PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的成功应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。现在使用的各种逆变电路都采用了PWM技术。

二、PWM技术理论基础-----面积（伏秒积）等效原理

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节（例如电感性电路）上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积；效果基本相同是指某电路环节的输出响应波形基本相同。

图-1形状不同而冲量相同的各种窄脉冲

上述面积（伏秒积）等效原理在实际中的运用可如下例所示：

e(t)是电路的输入，i(t)是电路的响应（产生的信号）。对于不同形状而面积相等的e(t)波形，如矩形波、三角波、正弦波、冲击波分别输入图-2所示电路中，在电路中产生的i(t)的幅值及宽窄是相同的，因此认为其在电路中产生的效果相同。这样就可以认为，用上述四种不同形状的e(t)脉冲之间互换，可以达到几乎相同的效果，并且可以通过上述不同形状波形宽度的调节实现输出响应的大小变化，即脉冲宽度调制------PWM调制。

三、PWM控制的基本思想

1、脉宽调制的基本思想：如何用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，在PWM技术中，如果逆变后的电量为正弦波，则称为SPWM调制。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SPWM波形。

2、脉宽调制的实现：若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。

这种调制技术与通信技术中的调制与解调相类似，将在逆变电路输出端的正弦交流信号称为调制信号，其中频率最低的信号称为基波频率，将逆变前的三角波信号称为载波信号。

四、脉宽调制的参数

1、PWM调制

调制技术是通过改变输出方波的占空比来改变等效的输出电压的方法。其调制波为正弦波，脉冲宽度间占空比按正弦规率排列，这样输出波形经过适当的滤波可以做到正弦波输出。

2、载频比N：调制波与载波的频率关系

在一个调制信号（如正弦）周期内所包含的三角波（锯齿波）的个数称为载波频率比。该值越大，逆变后信号正弦程度越高。

3、调制比m（调制深度）：调制波与载波的幅值关系

调制波峰值与三角载波峰值之比。数值越大，逆变后信号正弦程度越高，最大值为m=1。

4、直流电压利用率

逆变电路输出交流电压基波最大幅值U1m和直流电压Ud值之比。

5、PWM调制的制约条件

（1）开关频率

逆变器各功率器件的开关损耗限制了脉宽调制逆变器的每秒脉冲数（即逆变器每个开关的每秒动作次数）。

（2）调制度

为保证主电路开关器件的安全工作，必须使所调制的脉冲波有最小脉宽和最小间隙的限制，以保证脉冲宽度大于开关器件的导通时间与关断时间，这就要求参考信号的幅值不能超过三角载波峰值的某一百分数。

五、调制分类

1、根据调制脉冲的极性可分为：单极性和双极性调制，两者区别在于三角载波不同

（1）单极性调制

在调制波的半个周期内三角波只在一个方向变化，正半波与负半波极性不同，这种控制方式称为单极性SPWM控制方式。

（2）双极性调制

根据面积等效原理，在调制波的半个周期内三角波正负两个方向变化，所得到输出电压的SPWM波形也在正负方向变化的控制方式称为双极性SPWM控制方式,这种方式在实际应用中更为广泛。

在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制器件的通断（如图-4）。

2、根据载波信号和基波信号的频率之间的关系，可分为同步调制和异步调制。

（1）同步调制：在改变信号周期的同时成比例地改变载波周期，使载波频率与信号频率的比值载频比N保持不变。在一个调制信号（如正弦）周期内所包含的三角波的个数是恒定的。

①优点：在开关频率较低时可以保证输出波形的对称性。

②缺点：

a.在信号频率较低时，载波的频率显得稀疏，电流波形脉动大，谐波分量增大。

b.载波的边频带（载波与基波的差频）靠近信号波，容易干扰基波频域。

c.载波周期随信号波周期变化，不易于用单片机类数字化实现。

（2）异步调制：在调制信号周期变化的同时，载波周期保持不变。

通常保持fc固定不变，当fr变化时（如图-4中的信号），载频比N是变化的，在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，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。

①优点：

a.由于是异步，低频输出时，在一个信号周期内，载波个数成数量级增多，这对抑制谐波电流，减轻电动机的谐波损耗及转矩脉动大有好处。

b.低频时，载波频率比很大，载波的边频带远离信号波频率，因此不存在载波边频带与基波之间的相互干扰问题。

c.载波频率固定，便于微处理机进行数字化处理。

②缺点：

载波频率较低，将会出现输出电流波形正负半周不对称，相位漂移及偶次谐波等问题。不过，在IGBT等高速功率开关器件，载波频率可以做得很高，这缺点可以小到可以完全忽略。

(3)分段同步调制

在一定的频率范围之内，采用同步调制，保持输出波形对称的优点。当频率降低较多时，使载波比分段有级的增加，又采纳了异步调制的长处。

3、根据基波信号的不同，可以分为矩形波脉宽调值和正弦波脉宽调制。

六、PWM调制电路及工作原理

1、单相半桥电压型逆变

图-3单相半桥电压型逆变电路图与原理波形图

（1）V1和V2栅极信号在一周期内各半周正偏、半周反偏，两者互补，输出电压uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2。

（2）V1或V2通时，io和uo同方向，直流侧向负载提供能量；VD1或VD2通时，io和uo反向，电感中贮能向直流侧反馈。

上述电路负载获得了矩形波电压，三角波电流，因此，直流电压已经逆变成为交流电压和电流。

（3）调制信号电压ur正半周时，当ur>uc时使V1通，V2断，uo=Ud/2；当ur<uc时使V1断，V2通，uo=-Ud/2。

（4）调制信号电压ur负半周，当ur>uc（）时使V1通，V2断，uo=-Ud/2；当ur<uc（）时使V1断，V2通，uo=Ud/2。

图-4单相半桥电压型逆变电路工作过程原理图

uo负半周，让V2保持通，V1保持断，V3和V4交替通断，uo可得-Ud和零三种电平。

①ur正半周，V1保持通，V2保持断。

其中，当ur>uc时使V4通，V3断，VD3通完成续流，uo=Ud；当ur<uc时，使V3通，V4断，VD4通完成续流，uo=0。

②ur负半周，V2保持通，V1保持断。

其中，当ur>uc（）时使V3通，V4断，VD4通完成续流，uo=-Ud；当ur<uc（）时使V4通，V3断，VD3通完成续流，uo=0。

在输入电压Ud的正半周，使V1保持通态、V2保持断态，V3和V4交替通、断。

2、单相桥式电压型逆变：有单极性和双极性两种，两者区别在于三角载波的不同

（1）单极性PWM控制方式：

图-5单相桥式电压型逆变电路单极性PWM调制工作过程原理图

单相桥式电压型逆变电路调制法：如图-5所示的单相桥式SPWM电压型逆变电路，IGBT作为开关器件，负载为感性负载（惯性环节），负载电流会滞后于电压，工作时V1和V2通、断状态互补，V3和V4通、断状态也互补。在负载上可以得到Ud、-Ud和0三种电平。

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，电流有一段区间为正，一段区间为负；

负载电流为正的区间，V1和V4导通时，uo等于Ud；V4关断的所有脉冲时段里，uo=0，负载电流通过V1和VD3续流，此时，负载相当于被V1和VD3短接，因此uo=0；

正弦电压正、负半波交界处各有一个时段电压与电流方向不同（记为t1、t3），在某一时间段（记为t5），电压为正，电流为负，电流因为不能突变，则需要续流，因为V1还没有触发，因此，由VD1、VD4完成负载电流的连续，待V1、V4触发后，即与图-5过程接续，电流方向反向。

在另一时段里（记为t3），电压为负，电流为正，电流因为不能突变，则需要续流，因为V2还没有触发，因此，由VD2、VD3完成负载电流的连续，待V2、V3触发后，即与另一过程接续，电流方向反向。

（2）单相桥式双极性逆变PWM控制方式

在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。

在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负，其幅值只有±Ud两种电平。同样在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制器件的通断。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<uc时，给V2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。

可以看出，单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制，由于对开关器件通断控制的规律不同，它们的输出波形也有较大的差别。

3.三相桥式PWM逆变调制

图-6三相桥式电压型逆变PWM调制工作电路图

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<uc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。

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。

七.结束语

通过上述分析，我们在生产中的任何领域，遇到上述PWM调制技术中的任何类型，对设备使用中状态进行监视与观测，设备出现不正常现象时，根据上述原理进行分析，及时判断故障类型和故障程度，促进生产安全有序的进行，对于当前煤矿山产中电气领域变频等技术领域具有很好的指导作用。