单双极性PWM波形调制方法.doc

PWM波形调制方法
图6-20 二重PWM型逆变电路
14.0 引 言
Ø 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）
Ø 直流斩波电路采用
Ø 斩控式交流调压电路，矩阵式变频电路
Ø 本章内容
Ø 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
Ø 本章主要以逆变电路为控制对象来介绍PWM控制技术
Ø 也介绍PWM整流电路
14.1 PWM控制的基本原理
Ø 理论基础
Ø 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
Ø 冲量指窄脉冲的面积
Ø 效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同
Ø 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
Ø 一个实例
图6-2a的电路
v 电路输入：u(t)，窄脉冲，如图6-1a、b、c、d所示
v 电路输出：i(t)，图6-2b
Ø 面积等效原理

图6-2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形
Ø 用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波
v 正弦半波N等分，可看成N个彼此相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等
v 用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等
v 宽度按正弦规律变化
v 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
v 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

图6-3 用PWM波代替正弦半波
Ø 等幅PWM波和不等幅PWM波
Ø 由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波
v 如直流斩波电路及本章主要介绍的PWM逆变电路和PWM整流电路
Ø 输入电源是交流，得到不等幅PWM波
v 如斩控式交流调压电路和矩阵式变频电路
Ø 基于面积等效原理进行控制，本质是相同的
Ø PWM电流波
Ø 电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波
Ø PWM波形可等效的各种波形
Ø 直流斩波电路：等效直流波形
Ø SPWM波：等效正弦波形
Ø 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
14.2 PWM逆变电路及其控制方法
Ø 目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术
Ø 逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合
Ø 本节内容构成了本章的主体
Ø PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，目前实用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路
14.2.1 计算法和调制法
Ø 计算法
v 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
v 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
Ø 调制法
v 输出波形作调制信号，进行调制得到期望的PWM波
v 通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波
v 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
Ø 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
Ø 调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波
Ø 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
Ø 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
Ø 控制规律
v uo正半周，V1通，V2断，V3和V4交替通断
v 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
v 负载电流为正的区间，V1和V4导通时，uo等于Ud
v V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，uo=0
v 负载电流为负的区间， V1和V4仍导通，io为负，实际上io从VD1和VD4流过，仍有uo=Ud
Ø V4关断V3开通后，io从V3和VD1续流，uo=0
Ø uo总可得到Ud和零两种电平
Ø 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
Ø 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
v ur正半周，V1保持通，V2保持断
w 当ur>uc时使V4通，V3断，uo=Ud
w 当ur断，V2保持通
w 当uruc时使V3断，V4通，uo=0
w 虚线uof表示uo的基波分量

图6-5 单极性PWM控制方式波形
Ø 双极性PWM控制方式（单相桥逆变）
v 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
v 在ur一周期内，输出PWM波只有±Ud两种电平
v 仍在调制信号ur和载波信号uc的交点控制器件的通断
v ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同
v 当ur >uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号
v 如io>0，V1和V4通，如io<0，VD1和VD4通， uo=Ud
Ø 当ur0，VD2和VD3通，uo=-Ud
Ø 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
Ø 双极性PWM控制方式（三相桥逆变）
v 三相的PWM控制公用三角波载波uc
v 三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120°

图6-7 三相桥式PWM型逆变电路
Ø U相的控制规律
v 当urU>uc时，给V1导通信号，给V4关断信号，uUN’=Ud/2
v 当urU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
v 死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定
v 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
14.2.2 异步调制和同步调制
v 载波比——载波频率fc与调制信号频率fr之比，N= fc / fr
v 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
1. 异步调制
Ø 异步调制——载波信号和调制信号不同步的调制方式
w 通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的
w 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
w 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
w 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
同步调制
Ø 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
w 基本同步调制方式，fr变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定
w 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
w 为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数
w fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除
w fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受

图6-10 同步调制三相PWM波形
Ø 分段同步调制(图6-11）
w 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
w 在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高
w 在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低
w 为防止fc在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法
w 同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易实现
w 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
14.2.3 规则采样法
Ø 按SPWM基本原理，自然采样法
w 要求解复杂的超越方程，难以在实时控制中在线计算，工程应用不多
Ø 规则采样法特点
w 工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量小得多

图6-12 规则采样法
Ø 规则采样法原理
w 图6-12，三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc
w 自然采样法中，脉冲中点不和三角波一周期的中点（即负峰点）重合
w 规则采样法使两者重合，每个脉冲的中点都以相应的三角波中点为对称，使计算大为简化
w 在三角波的负峰时刻tD对正弦信号波采样得D点，过D作水平直线和三角波分别交于A、B点，在A点时刻tA和B点时刻tB控制开关器件的通断
w 脉冲宽度d 和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近
Ø 规则采样法计算公式推导
正弦调制信号波
式中，a称为调制度，0≤a<1；wr为信号波角频率。从图6-12得

(6-6)

因此可得
三角波一周期内，脉冲两边间隙宽度
(6-7)

Ø 三相桥逆变电路的情况
Ø 三角波载波公用，三相正弦调制波相位依次差120°
Ø 同一三角波周期内三相的脉宽分别为dU、dV和dW，脉冲两边的间隙宽度分别为d’U、d’V和d’W，同一时刻三相调制波电压之和为零，由式(6-6)得
(6-8)

由式(6-7)得 (6-9)

利用以上两式可简化三相SPWM波的计算
14.2.4 PWM逆变电路的多重化
v PWM多重化逆变电路，一般目的：提高等效开关频率、减少开关损耗、减少和载波有关的谐波分量
v PWM逆变电路多重化联结方式有变压器方式和电抗器方式
Ø 利用电抗器联接的二重PWM逆变电路（图6-28，图6-29)
Ø 两个单元的载波信号错开180°
Ø 输出端相对于直流电源中点N’的电压uUN’=uU1N’+uU2N’)/2，已变为单极性PWM波

图6-20 二重PWM型逆变电路
Ø 输出线电压共有0、(±1/2)Ud、±Ud五个电平，比非多重化时谐波有所减少
Ø 电抗器上所加电压频率为载波频率，比输出频率高得多，只要很小的电抗器就可以了
Ø 输出电压所含谐波角频率仍可表示为nwc+kwr，但其中n为奇数时的谐波已全被除去，谐波最低频率在2wc附近，相当于电路的等效载波频率提高一倍

图6-21 二重PWM型逆变电路输出波形

图6-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲

图6-2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形

图6-3 用PWM波代替正弦半波

图6-4 单相桥式PWM逆变电路

图6-5 单极性PWM控制方式波形

图6-6 双极性PWM控制方式波形

图67 三相桥式PWM型逆变电路

图6-8 三相桥式PWM逆变电路波形

图6-10 同步调制三相PWM波形

图6-11 分段同步调制方式举例

图6-12 规则采样法

图6-20 二重PWM型逆变电路

图6-21 二重PWM型逆变电路输出波形

图6-28 单相PWM整流电路

图6-29 PWM整流电路的运行方式相量图