斬波開關(guān)技術(shù)

1、2021/3/116-1 2021/3/116-2PWM (Pulse Width Modulation)控制就是 脈寬調(diào)制技術(shù)脈寬調(diào)制技術(shù)：即通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效的獲得所需要的波形（含形狀和幅值)。第5章直流斬波電路直流斬波電路實際上采用的就是PWM技術(shù)；第6章的6.1斬控式調(diào)壓電路斬控式調(diào)壓電路和6.4矩陣式變頻電路矩陣式變頻電路都有涉及。2021/3/116-3PWM控制的思想源于通信技術(shù)，全控型器件的發(fā)展使得實現(xiàn)PWM控制變得十分容易。PWM控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用最為廣泛，對逆變電路的影響也最為深刻?，F(xiàn)在大量應(yīng)用于逆變電路中，中小功率逆變電路幾乎都是PWM型逆變電

2、路。PWM控制技術(shù)正是依賴于在逆變電路逆變電路中的成功應(yīng)用，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位。本章和第4章（逆變電路）相結(jié)合講解，進一步加深我們對逆變電路和PWM控制技術(shù)的認識。2021/3/116-4 PWM的基本原理 PWM控制方式PWM在逆變電路中的應(yīng)用（電壓型） PWM調(diào)制方式掌握內(nèi)容掌握內(nèi)容2021/3/116-51）重要理論基礎(chǔ)（面積）面積）等效原理等效原理沖量沖量相等而形狀不同的窄窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同效果基本相同。沖量沖量窄脈沖的面積效果基本相同效果基本相同環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同圖6-1 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖d)單位脈沖函數(shù)f (t)d

3、(t)tOa)矩形脈沖b)三角形脈沖c)正弦半波脈沖tOtOtOf (t)f (t)f (t)返回2021/3/116-6b)圖6-2 沖量相等的各種窄脈沖的響應(yīng)波形具體的實例說明“面積等效原理面積等效原理”a）e (t)電壓窄脈沖，是電路的輸入 。 i (t)輸出電流，是電路的響應(yīng)。 返回2021/3/116-7OutSPWM波Out如何用一系列等幅不等寬的脈沖等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波Out返回2021/3/116-8Ou t若要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。OutSPWM波Out如何用一系列等幅不等寬的脈沖等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波Out返回面積（

4、沖量)相等，中點重合，寬度按正弦規(guī)律變化。等幅2021/3/116-9OwtUd-Ud 對于正弦波的負半周，采取同樣的方法，得到PWM波形，因此正弦波一個完整周期的等效PWM波為：OwtUd-Ud 根據(jù)面積等效原理，正弦波還可等效為下圖中的PWM波，而且這種方式在實際應(yīng)用中更為廣泛。返回2021/3/116-10等等幅幅PWM波波 輸入電源是恒定直流 第5章的直流斬波電路 7.2節(jié)的PWM逆變電路 7.4節(jié)的PWM整流電路 不等幅不等幅PWM波波 輸入電源是交流或不是恒定的直流 6.1節(jié)的斬控式交流調(diào)壓電路 6.4節(jié)的矩陣式變頻電路OwtUd-UdUot返回2021/3/116-112）PWM

5、電流波 電流型逆變電路進行PWM控制，得到的就是PWM電流波。PWM波可等效的各種波形直流斬波電路 直流波形SPWM波 正弦波形等效成其他所需波形，如:l 所需波形 l 等效的PWM波0s5m s10m s15m s20m s25m s30m s-20V0V20V返回2021/3/116-12目前中小功率的逆變電路幾乎都采用PWM技術(shù)。逆變電路是PWM控制技術(shù)最為重要的應(yīng)用場合。本節(jié)內(nèi)容構(gòu)成了本章的主體。PWM逆變電路也可分為電壓型電壓型和電流型電流型兩種，目前實用的PWM逆變電路幾乎都是電壓型電路。返回2021/3/116-13 返回2021/3/116-141）計算法 根據(jù)正弦波頻率、幅值

6、和半周期脈沖數(shù)，準(zhǔn)確計算PWM波各脈沖寬度和間隔，據(jù)此控制逆變電路開關(guān)器件的通斷，就可得到所需PWM波形。 本法較繁瑣，當(dāng)輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時，結(jié)果都要變化。返回2021/3/116-15 將信號波與載波進入調(diào)制電路調(diào)制，調(diào)制電路的輸出信號作為開關(guān)器件的驅(qū)動信號。 把希望輸出的波形作為信號波ur, 常用等腰三角波作為載波uc 2）調(diào)制法圖74 單相橋式PWM逆變電路結(jié)合IGBT單相橋式電壓型逆變電路對調(diào)制法進行說明返回2021/3/116-162）調(diào)制法圖74 單相橋式PWM逆變電路 V4關(guān)斷時，負載電流通過V1和VD3續(xù)流，uo=0 負載電流為負的區(qū)間， V1和V4仍導(dǎo)通，io

7、為負，實際上io從VD1和VD4流過，仍有uo=Ud 。 V4關(guān)斷V3開通后，io從V3和VD1續(xù)流，uo=0。 uo總可得到Ud和零兩種電平。 uo負半周，讓V2保持通，V1保持?jǐn)?，V3和V4交替通斷，uo可得-Ud和零兩種電平。返回2021/3/116-17圖7-5 雙極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud圖7-5 單極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud 對照上述兩圖可以看出，單相橋式電路既可采取單極性調(diào)制，也可采用雙極性調(diào)制，由于對開關(guān)器件通斷控制的規(guī)律不同，它們的輸出波形也有較大的差別。返回2021/3/116-18 因為目

8、前實際應(yīng)用的PWM逆變電路幾乎全為電壓型逆變電路，所以這里我們以電壓型逆變電路為例，結(jié)合PWM在逆變電路中的應(yīng)用體現(xiàn)電路的實現(xiàn)。（單向全橋（單向全橋PWM逆變電路）逆變電路）關(guān)鍵在于調(diào)制電路關(guān)鍵在于調(diào)制電路返回2021/3/116-19圖6-5urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud（1）單極性SPWM（SSPWM）特點：載波uc 在ur正半周，都用正極性三角波， 在負半周都用負極性三角波。在正半周， ur 大于uc時，相應(yīng)的器件開通，U0=Ud,當(dāng)ur 小于uc時，相應(yīng)的器件關(guān)斷U0=0在負半周， ur 大于uc時，相應(yīng)的器件關(guān)斷U0=0,當(dāng)ur 小于uc時，相應(yīng)的器件開通， U0=

9、-Ud在調(diào)制信號ur 的半個周期內(nèi)，三角波uc只在一個方向上變化，得到的SPWM波形也只在一個方向上變化，故稱之為單極性SPWM。 圖7-5單極性PWM控制方式波形返回2021/3/116-20電路（1）返回圖7-5 單極性PWM控制方式波形urucuOwtOwtuouofuoUd-Ud2021/3/116-21（1）當(dāng)）當(dāng)Vr大與大與Vc時，時，根據(jù)調(diào)制電路分析，器根據(jù)調(diào)制電路分析，器件是何工作狀態(tài)？件是何工作狀態(tài)？（2）當(dāng)）當(dāng)Vr小與小與Vc時，時，根據(jù)調(diào)制電路分析，根據(jù)調(diào)制電路分析，器件是何工作狀態(tài)？器件是何工作狀態(tài)？電路（2）返回2021/3/116-22圖6-6urucuOwtOwt

10、uouofuoUd-Ud雙極性雙極性PWMPWM控制方式波形控制方式波形特點：載波特點：載波Uc在調(diào)制波在調(diào)制波Ur的正負兩個半周期內(nèi)，都的正負兩個半周期內(nèi)，都在正負兩個方向變化，不再單一了。調(diào)制波在正負兩個方向變化，不再單一了。調(diào)制波Ur仍為正弦仍為正弦波。波。在在Uc與與Ur的交點時刻控制各器件的通斷。的交點時刻控制各器件的通斷。輸出的輸出的SPWM 波形在兩個方向變化，故稱之為雙波形在兩個方向變化，故稱之為雙極性極性SPWM。返回2021/3/116-23請同學(xué)分析。請同學(xué)分析。電路（3）返回2021/3/116-24根據(jù)載波和信號波是否同步及載波比的變化情況，PWM調(diào)制方式分為異步調(diào)制

11、異步調(diào)制和同步調(diào)制同步調(diào)制。通常保持fc固定不變，當(dāng)fr變化時，載波比N是變化的在信號波的半周期內(nèi)，PWM波的脈沖個數(shù)不固定，相位也不固定，正負半周期的脈沖不對稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對稱當(dāng)fr較低時，N較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對稱產(chǎn)生的不利影響都較小當(dāng)fr增高時，N減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM脈沖不對稱的影響就變大載波比載波比載波頻率fc與調(diào)制信號頻率fr之比，N= fc / fr1） 異步調(diào)制異步調(diào)制載波信號和調(diào)制信號不同步的調(diào)制方式返回2021/3/116-252） 同步調(diào)制同步調(diào)制載波信號和調(diào)制信號保持同步的調(diào)制方式，當(dāng)變頻時使載波與信號波保持同步，即N等于常

12、數(shù)。ucurUurVurWuuUNuVNOttttOOOuWN2Ud-2Ud圖7-10 同步調(diào)制三相PWM波形基本同步調(diào)制方式，fr變化時N不變，信號波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定。三相電路中公用一個三角波載波，且取N為3的整數(shù)倍，使三相輸出對稱。為使一相的PWM波正負半周鏡對稱，N應(yīng)取奇數(shù)。fr很低時，fc也很低，由調(diào)制帶來的諧波不易濾除。fr很高時，fc會過高，使開關(guān)器件難以承受。返回2021/3/116-263）分段同步調(diào)制分段同步調(diào)制異步調(diào)制和同步調(diào)制的綜合應(yīng)用。把整個fr范圍劃分成若干個頻段，每個頻段內(nèi)保持N恒定，不同頻段的N不同。在fr高的頻段采用較低的N，使載波頻率不致過高；在fr低的頻段采用較高的N，使載波頻率不致過低。00.40.81.21.62.02.410203040506070802011479969453321圖6-11fr /Hzfc /kHz為防止fc在切換點附近來回跳動，采用滯后切換的方法。同步調(diào)制比異步調(diào)