脉宽调制技术详解

在介绍了电力电子器件和电力电子变换器拓扑结构后，下一步需要了解的是电力电子变换器的控制技术。图1-8所示是一个典型的控制系统框图。控制目标：参考值与传感器送回的反馈值相减后得到误差，通过控制器产生参考执行量，此时必须通过执行器将参考执行量转换为物理执行量加载在控制对象上才能控制输出。没有执行器，控制系统只能是数学模型而不会存在实际控制能力。在电力电子变换器中，脉宽调制技术就是将参考执行量转换为物理执行量的执行器。

图1-8 一个典型的控制系统框图

文献[6]和[7]给出了中大功率电力电子变换器系统的分层控制结构图，并作为IEEE的标准发布，如图1-9所示。在电力电子变换器系统中，控制分为五层：首先是系统级的控制，此级与顶层应用相关，时间尺度在10 ms以上，比如电动汽车的运行模式等；在系统级控制下的是应用控制，即为了满足系统级控制的需要而执行的控制，时间尺度在1～10 ms之间，比如电动汽车上为了满足车辆运行而执行的电机速度控制等；再下一层是电力电子变换器的控制，即为了满足应用控制而对电力电子变换器实施的控制，时间尺度在10 μs～1ms之间，比如电动汽车上电机驱动电路的电流控制等；再下一层就是开关控制，是通过选择开关组合模式等满足电力电子变换器的控制，以脉宽调制为代表，时间尺度在1～10 μs之间；最下一层是硬件控制，即在开关控制之下，还有一个将数字开关逻辑转换为电力电子器件开关的过程，比如电力电子器件的门极驱动等，是全部控制的最底层，时间尺度在1 μs以下。

从图1-9可以看出，电力电子变换器的控制分层自上而下，不同层的功能不同，时间尺度也不一样。本书的核心就是针对第四层即开关控制而展开的介绍和研究。开关控制的本质是通过控制开关组合和作用时间，将第三层传达的控制参考值以脉冲序列的方式实现，并传达到第五层的硬件控制上。以电压型电力电子变换器为例，为了控制其输出电流，控制器输出参考电压，这个参考电压是连续的模拟值，但是电压型电力电子变换器是无法输出连续电压的，必须用脉冲输出电压来实现等效，因此用脉冲电压组合来等效参考输出电压的过程就是第四层的开关控制。脉宽调制技术就是实现开关控制的最典型方法。

脉宽调制技术的英文叫Pulse-Width-Modulation，简称PWM。顾名思义，就是通过调制脉冲的宽度实现输出。PWM最早出现于通信领域，是无线电调制的一种，后来被引入电力电子领域。

图1-9 电力电子系统的分层控制图[6，7]

图1-10用单桥臂展示了脉宽调制的基本原理。对于电压型电力电子变换器，直流母线电压为V_dc，以直流母线中点为参考，桥臂输出端电压V_x在正负直流母线电压的一半之间切换，通过参考电压V_ref与载波在每个开关周期T_s中的比较实现。当参考电压大于载波（三角波）时，上管导通，输出正电压；当参考电压小于或等于载波（三角波）时，下管导通，输出负电压。由于相似三角形的关系，桥臂输出负电压（-V_dc/2）的时间T₀满足T₀/T_s=（V_dc/2-V_ref）/V_dc。这样，通过计算一个开关周期T_s内脉冲电压V_x的平均值，得到式（1-1）表达的结果，即电力电子变换器桥臂输出端在一个开关周期内的平均电压等于参考电压。通过这个关系，就可以通过PWM的方式实现对参考电压的等效实现。

图1-10 电压型电力电子变换器桥臂通过PWM实现参考电压逼近的方法(www.xing528.com)

V_x=1/T_s[（1-T₀）V_dc/2+T₀（-V_dc/2）]=V_ref （1-1）

对于固定的参考电压，这样的载波比较方法可以得到逼近。如果参考电压呈交流变化，那么占空比也会随着参考电压的变化而变化。图1-11所示是交流参考电压v^ref_a与幅值为V_car的载波比较得到PWM输出的原理图。这样得到的脉冲序列v_a在每个开关周期内的平均值都等于连续参考电压对应位置的值。如果开关频率足够高，滤除高频分量得到的v_a就基本等效于v^ref_a。

图1-11 交流参考电压下的载波比较PWM原理

除了载波比较的方法逼近参考值，另一种实现PWM的等效原理的方法是空间矢量合成的方法。空间矢量PWM不是以某一个电压值为逼近对象，而是以若干相电压组成的参考电压矢量为合成目标。以三相电压型电力电子变换器为例，某相桥臂开关连接正母线标记为1，连接负母线标记为0，这样对于三相变换器一共有2³=8种组合方式，记为8个开关电压矢量。这8个电压矢量中有两个零矢量（000和111）不产生有效输出电压，另外6个开关矢量在空间上组成正六边形，每个标准矢量对应电压长度为V_c，将电压空间矢量平面分为6个扇区，如图1-12所示。参考电压矢量V_ref落在任何一个扇区内，都可以由所在扇区的相邻两个开关电压矢量来合成。在一个开关周期T_s内，两个矢量作用时间t₁和t₂可以根据相似三角形的关系得到，如式（1-2）所示。在整个开关周期内除去t₁和t₂的时间由零矢量时间t₀补充，从而实现整个开关周期内的伏秒平衡。对三相交流参考电压，在空间矢量平面上将保持旋转。每个开关周期进行矢量合成和时间分配，三相电力电子变换器就能通过PWM的方式输出参考电压。

对于电流型电力电子变换器，合成的参考值是电流（或者电流矢量），开关组合的效果也有所不同。对应的载波比较方法或者空间矢量方法也会有所不同。

有关三相电压型和电流型电力电子变换器的基本脉宽调制理论，本章只做如上简单介绍，详细内容会在第2章中展开分析。

图1-12 三相电压型电力电子变换器空间矢量PWM