优化双极性PWM控制方式波形- 从规则采样法到实践

目前，中小功率的变频电路几乎都采用PWM技术，PWM变频电路也可分为电压型和电流型两种。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，据此控制变频电路开关器件的通断，就可得到所需的PWM波形，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，其结果都要变化。

通常采用等腰三角波或锯齿波作为PWM波的载波，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，与任一平缓变化的调制信号波相交，在交点控制开关器件通断，就得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，其符合PWM的要求。

调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波。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。采用等腰三角形作为PWM载波，其三角波两个正峰值之间为一个采样周期T_c。在自然采样法中，脉冲中点不和三角波一周期中点（即负峰点）重合。而规则采样法使两者重合，每个脉冲中点为相应三角波中点，使计算大为简化。规则采样法如图1-5所示。三角波负峰时刻t_D对应信号波采样的D点，过D作水平线和三角波交于A、B点，在A点时刻t_A和B点时刻t_B控制开关器件的通断。脉冲宽度δ和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。

图1-5 规则采样法

图1-6 双极性PWM控制方式波形

1.双极性PWM控制方式（单相桥变频）

双极性PWM控制方式波形如图1-6所示，在u_r半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负。在u_r一周期内，输出PWM波只有±U_d两种电平。仍在调制信号u_r和载波信号u_c的交点控制开关器件通断。

2.特定谐波消去法

特定谐波消去法的输出PWM波形如图1⁃7所示，在输出电压半周期内，开关器件导通、关断各3次（不包括0和π），共6个开关时刻可控。为减少谐波并简化控制，要尽量使波形对称。为消除偶次谐波，使波形正、负两半周对称。

3.异步、同步调制

根据载波和信号波是否同步及载波比（载波频率f_c与调制信号频率f_r之比，N=f_c/f_r）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

异步调制是载波信号和调制信号不同步的调制方式，通常保持f_c固定不变，当f_r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：(www.xing528.com)

1）当f_r较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，PWM脉冲不对称的不利影响都较小。

2）当f_r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。

（2）同步调制

同步调制使N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步，基本同步调制方式在f_r变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定。三相共用一个三角波载波，且取N为3的整数倍，使三相输出对称。同步调制三相PWM波形如图1-8所示。

图1-7 特定谐波消去法的输出PWM波形

图1-8 同步调制三相PWM波形

为使一相的PWM波正、负半周对称，N应取奇数，f_r很低时，f_c也很低，由调制带来的谐波不易滤除；f_r很高时，f_c会过高，使开关器件难以承受。

把f_r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f_r高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高；在f_r低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低。

分段同步调制方式如图1-9所示，为防止f_c在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法。同步调制比异步调制复杂，但采用微机控制时容易实现，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调制方式效果接近。

图1-9 分段同步调制方式