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SchoolofE.E.,SoutheastUniversity.东南大学电气工程学院第五讲脉宽调制（PWM）技术1第五讲脉宽调制（PWM）技术1电力电子技术与应用第五讲脉宽调制(PWM)技术东南大学电气工程学院2008年第五讲脉宽调制（PWM）技术2概览„规则采样PWM…常规PWM…空间矢量PWM„随机采样PWM…滞环PWM…伪随机PWMSchoolofE.E.,SoutheastUniversity.东南大学电气工程学院第五讲脉宽调制（PWM）技术2第五讲脉宽调制（PWM）技术3Introduction-PWMTechniques„脉宽调制技术(PWM-PulseWidthModulation)：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控制的变流电路主要有：PWM逆变电路、直流斩波电路、PWM整流电路、斩控式调压电路、以及矩阵式变频电路。第五讲脉宽调制（PWM）技术4RegularSampledPWMPrinciple规则采样PWM理论基础—面积等效原理„面积相等而形状不同的窄脉冲加在具有低通滤波特性的环节上时，该环节的输出响应波形基本相同„该环节的输出响应在低频段非常接近，仅在高频段略有差异形状不同而冲量相同的各种窄脉冲‹e(t)=f(t)－电压窄脉冲，是电路的输入。‹i(t)－输出电流，是电路的响应。d)单位脉冲函数f(t)δ(t)tOa)矩形脉冲b)三角形脉冲c)正弦半波脉冲tOtOtOf(t)f(t)f(t)SchoolofE.E.,SoutheastUniversity.东南大学电气工程学院第五讲脉宽调制（PWM）技术3第五讲脉宽调制（PWM）技术5RegularSampledPWMPrinciple„PWM（PulseWidthModulation）脉冲宽度调制技术：基于面积等效原理，通过对构造脉冲系列并对其宽度进行调制，来等效地合成所需要的可变幅、可变频波形„所需合成的信号称为调制信号。调制信号根据需要可以为正弦、直流、非正弦等各种信号，可比喻为“乘客”，用于传递调制信号的高频信号称为载波，可比喻为“运载工具”；如何搭配载波与调制波称为调制方法。„载波的频率要求远高于调制信号的频率。调制信号（正弦、直流等）载波信号（三角、锯齿波等）PWM调制低通滤波恢复调制信号对PWM波形进行傅立叶分析可揭示PWM调制的科学机理第五讲脉宽调制（PWM）技术6RegularSampledPWMPrinciple等幅PWM波和不等幅PWM波„输入电源为为稳定直流电源时采用等幅PWM，如直流斩波电路及PWM逆变、整流电路„输入电源是交流时采用不等幅PWM，如斩控式交流调压电路和矩阵式变频电路PWM波形可用于等效的各种波形„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，其基本原理仍基于等效面积原理Uoωt等幅调制不等幅调制直流交流交流SchoolofE.E.,SoutheastUniversity.东南大学电气工程学院第五讲脉宽调制（PWM）技术4第五讲脉宽调制（PWM）技术7Example-SPWM例1：SPWM调制机理„用一系列等幅不等宽的脉冲来等效取代正弦波„这些等幅不等宽脉冲与对应的同一采样周期内对应的正弦波面积相等„这些等幅不等宽脉冲的宽度按正弦规律变化。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。因而称为正弦脉宽调制OuωtSPWM波OuωtOuωt将正弦半波采样切割成为一系列不等幅等宽窄脉冲将不等幅等宽窄脉冲系列转化为等幅不等宽窄脉冲系列规则采样PWM过程第五讲脉宽调制（PWM）技术8Example-SPWM„单极性（或倍频）SPWM„双极性SPWMOωtUd-UdOωtUd-Ud用不同的等幅调宽脉冲波形等效逼近正弦波可获得不同的SPWM思考问题：为何同样采样开关频率单极性PWM波形的谐波畸变要明显低于双极性PWM波形？SchoolofE.E.,SoutheastUniversity.东南大学电气工程学院第五讲脉宽调制（PWM）技术5第五讲脉宽调制（PWM）技术9Single-PhaseSPWMInverter„单相正弦逆变器(双极性PWM)第五讲脉宽调制（PWM）技术10Single-PhaseSPWMInverter„调制特性:在线性调制范围内(α1)，SPWM对基波的放大呈线性调制系数α基波幅值放大倍数SchoolofE.E.,SoutheastUniversity.东南大学电气工程学院第五讲脉宽调制（PWM）技术6第五讲脉宽调制（PWM）技术11Single-PhaseSPWMInverterc+kr)角频率(nωω1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-谐波振幅0.20.40.60.81.01.21.4kna=1.0a=0.8a=0.5a=0„不同调制比α时单相桥式PWM逆变电路输出电压频谱图。谐波分析„谐波角频率为:crnkωω±式中，n=1,3,5,…时，k=0,2,4,…；n=2,4,6,…时，k=1,3,5,…„PWM波中不含低次谐波，只含ωc及其附近的谐波以及2ωc、3ωc等及其附近的谐波。输出电压频谱图第五讲脉宽调制（PWM）技术12Over-modulation„过调制现象:α1除了带来直流电压利用率的有限增加，还导致输出电压低次谐波大量出现（与方波输出类似的3、5、7等奇数次低次谐波）调制范围SchoolofE.E.,SoutheastUniversity.东南大学电气工程学院第五讲脉宽调制（PWM）技术7第五讲脉宽调制（PWM）技术13Three-PhaseSPWMInverter„三相正弦逆变器（共用载波信号）线性调制范围内常规SPWM各相/线昀大基波幅值maxmaxmax(1)(1)(1)maxmaxmax(1)(1)(1)1232abcdcabbccadcVVVVVVVV======调制电路V1V2V3V4VD1VD2VD3VD4ucV6VD6V5VD5VUWNN'C+C+urUurVurW2Ud2Ud第五讲脉宽调制（PWM）技术14Three-PhaseSPWMInverter谐波分析crnkωω±式中，n=1,3,5,…时，k=3(2m－1)±1，m=1,2,…；n=2,4,6,…时，⎩⎨⎧=−=+=。,2,116,1,016mmmmk„不同α时三相桥式PWM逆变电路输出电压频谱图。„输出线电压中的谐波角频率为1002+-1234+-02+-4+-01+-3+-5+-0.20.40.60.81.01.2kna=1.0a=0.8a=0.5a=0角频率(nωc+kωr)输出线电压频谱图谐波振幅SchoolofE.E.,SoutheastUniversity.东南大学电气工程学院第五讲脉宽调制（PWM）技术8第五讲脉宽调制（PWM）技术153rdHarmonicInjectionSPWM„三次谐波注入PWMmaxmaxmax(1)(1)(1)maxmaxmax(1)(1)(1)13abcdcabbccadcVVVVVVVV======直流电压利用率较常规SPWM高15.5%，且线电压中的三次谐波相互抵消昀大基波输出幅值第五讲脉宽调制（PWM）技术16Three-phasePWMInverter三相全桥逆变电路„是用三个变压器将共用母线的三个单相全桥逆变电路输出加以组合而获得三相输出的结构。„相对于三相半桥逆变电路，其优点有：1）实现分相电压独立控制，利于三相不平衡负载的应用；2）电压利用率高。其缺点有：功率主电路复杂、成本高。SchoolofE.E.,SoutheastUniversity.东南大学电气工程学院第五讲脉宽调制（PWM）技术9第五讲脉宽调制（PWM）技术17Asynchronous/SynchronousPWM„异步调制与同步调制…载波比——载波频率fc与调制信号频率fr之比，N=fc/fr…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„异步调制…异步调制——载波信号和调制信号不同步的调制方式…通常保持fc固定不变，当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，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（谐波等）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（谐波）变大第五讲脉宽调制（PWM）技术18Asynchronous/SynchronousPWM„同步调制:同步调制可看成异步调制的特殊情况…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…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…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，N应取奇数…fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除…fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受SchoolofE.E.,SoutheastUniversity.东南大学电气工程学院第五讲脉宽调制（PWM）技术10第五讲脉宽调制（PWM）技术19Asynchronous/SynchronousPWM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„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00.40.81.21.62.02.410203040506070802011479969453321fr/Hzfc/kHz第五讲脉宽调制（PWM）技术20PWMOptimization优化PWM方案，提高变换器性能„提高直流电压利用率（如：逆变电路输出交流电压基波昀大幅值U1m和直流电压Ud之比。提高直流电压利用率可提高逆变器的输出能力）：…注入三次谐波法、梯形波调制法„减小输出的谐波含量…单极倍频、特定谐波消除法、电路多重化„减少开关的次数，减小开关损耗…不连续PWM法SchoolofE.E.,SoutheastUniversity.东南大学电气工程学院第五讲脉宽调制（PWM）技术11第五讲脉宽调制（PWM）技术21PWMOptimization„PWM多重化逆变电路：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„PWM逆变电路多重化联结方式有变压器方式和电抗器方式„利用电抗器联接的二重PWM逆变电路二重PWM型逆变电路两个单元逆变电路的载波信号相互错开180°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波第五讲脉宽调制（PWM）技术22PWMOptimization梯形波调制方法„梯形波的形状用三角化率σ=Ut/Uto描述，Ut为以横轴为底时梯形波的高，Uto为以横轴为底边把梯形两腰延长后相交所形成的三角形的高。„σ=0时梯形波变为矩形波，σ=1时梯形波变为三角波。„梯形波含低次谐波，输出波形含低次谐波较三次谐波注入法高，但直流电压利用率亦较高„低次谐波（不包括由载波引起的谐波）产生的波形畸变率为δ。ucurUurVurWuuUN'OωtOωtOωtOωtuVN'uUVSchoolofE.E.,SoutheastUniversity.东南大学电气工程学院第五讲脉宽调制（PWM）技术12第五讲脉宽调制（PWM）技术23PWMOptimization„梯形波调制σ=0.4时，谐波含量也较少，约为3.6%，直流电压利用率为1.03，综合效果较好。„梯形波调制的缺点：输出波形中含5次、7次等低次谐波U,δ00.20.40.60.81.0δ0.20.40.60.81.01.21mUdUdU1mσ变化时的δ和直流电压利