7-8PWM控制与软件开关技术课件

电力电子技术第7章 PWM控制技术武汉科技大学信息科学与工程学院4/24/20241电力电子技术PWM控制技术引言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）。本章内容：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。主要以逆变电路为控制对象来介绍PWM控制技术。4/24/20242电力电子技术PWM控制技术7.1 PWM控制的基本原理理论基础：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；冲量量指窄脉冲的面积；效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同；低频段非常接近，仅在高频段略有差异。图7-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲形状不同而冲量相同的各种窄脉冲4/24/20243电力电子技术PWM控制技术一个实例:图7-2a的电路电路输入：u(t)，窄脉冲，如图如图7-1a、b、c、d所示所示电路输出：i(t)，图图7-2b面积等效原理图图7-2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形冲量相同的各种窄脉冲的响应波形7.1 PWM控制的基本原理4/24/20244电力电子技术PWM控制技术用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波正弦半波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。用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。图图7-3 用用PWM波波代替正弦半波代替正弦半波SPWM波形波形:脉冲宽度按正弦规律变化并且和正弦波等效的脉冲宽度按正弦规律变化并且和正弦波等效的PWM波形。波形。要改变等效输出正弦波要改变等效输出正弦波幅值幅值，按同一比例改变各，按同一比例改变各脉冲宽度脉冲宽度。7.1 PWM控制的基本原理4/24/20245电力电子技术PWM控制技术等幅PWM波和不等幅PWM波：由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波，如直流斩波电路及本章主要介绍的PWM逆变电路。输入电源是交流，得到不等幅PWM波，如斩控式交流调压电路。均基于面积等效原理进行控制，本质是相同的。7.1 PWM控制的基本原理4/24/20246电力电子技术PWM控制技术uototou1i1to7.1 PWM控制的基本原理斩控式交流调压电路4/24/20247电力电子技术PWM控制技术PWM波形可等效的各种波形：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，如等效为所需的非正弦交流波形，其基本原理和SPWM控制相同，也基于面积等效原理。7.1 PWM控制的基本原理目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术，逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合。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。电流型逆变电路进行PWM控制，得到的是PWM电流波。4/24/20248电力电子技术PWM控制技术7.2 PWM逆变电路及其控制方法计算法根据正弦波频率、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。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。调制法输出波形作调制信号输出波形作调制信号，进行调制得到期望的PWM波。通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波载波。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。4/24/20249电力电子技术PWM控制技术与任一平缓变化的调制信号波相交，在交点处控制器件通断，便得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，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。7.2 PWM逆变电路及其控制方法4/24/202410电力电子技术PWM控制技术结合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。7.2 PWM逆变电路及其控制方法4/24/202411电力电子技术PWM控制技术控制规律：uo正半周，V4通，V3断，V1和V2交替通断。uo总可得到Ud和零两种电平。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。7.2 PWM逆变电路及其控制方法4/24/202412电力电子技术PWM控制技术在ur和uc的交点时刻控制IGBT的通断。ur正半周，V4保持通，V3保持断；当uruc时使V1通，V2断，uo=Ud；当uruc时使V1断，V2通，uo=0；ur负半周，V1保持断，V2保持通；当uruc时使V3断，V4通，uo=0；虚线uof表示uo的基波分量。7.2 PWM逆变电路及其控制方法单极性PWM控制方式（单相桥逆变）4/24/202413电力电子技术PWM控制技术双极性PWM控制方式（单相桥逆变）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。在ur一周期内，输出PWM波只有Ud两种电平；仍在调制信号ur和载波信号uc的交点控制器件的通断；ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同；当ur uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号；如 io0，V1和V4通，如 io0，VD1和VD4通，uo=Ud。7.2 PWM逆变电路及其控制方法4/24/202414电力电子技术PWM控制技术当uruc时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号；如io0，VD2和VD3通，uo=-Ud；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7-6 双极性PWM控制方式波形 7.2 PWM逆变电路及其控制方法4/24/202415电力电子技术PWM控制技术双极性PWM控制方式(三相桥式逆变电路)三相的PWM控制公用三角波载波uc三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120图7-7 三相桥式PWM型逆变电路 7.2 PWM逆变电路及其控制方法4/24/202416电力电子技术PWM控制技术U相的控制规律：当urUuc时，给V1导通信号，给V4关断信号，uUN=Ud/2；当urUuc时，给上桥臂的器件导通信号当uruc时，给下桥臂的器件导通信号7.2 PWM逆变电路及其控制方法4/24/202418电力电子技术PWM控制技术7.2 PWM逆变电路及其控制方法应用：l从理论上分析，单极性PWM波比双极性PWM波更加逼近正弦。因此，要达到同样的基波、谐波成分要求，双极性PWM波需要更高的开关频率，每半周脉冲个数更多。l单极性PWM波采用较低的开关频率可以获得较好的波形质量，故开关损耗小，更适用于大功率逆变器。l但实际上，直接输出单极性PWM波的逆变器往往主电路结构比较复杂，使用器件也比较多。所以目前直接输出双极性PWM波的逆变器应用较多。4/24/202419电力电子技术PWM控制技术防直通死区时间同一相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；死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定；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 7.2 PWM逆变电路及其控制方法4/24/202420电力电子技术PWM控制技术特 定 谐 波 消 去 法(Selected Harmo-nic Elimination PWMSHEPWM)这是计算法中一种较有代表性的方法。假设输出电压半周期内，器件通、断各3次（不包括0和），共6个开关时刻可控（如右图）。特定谐波消去法的输出PWM波形为减少谐波并简化控制，要尽量使波形对称。首先，为消除偶次谐波，使波形正负两半周期镜对称，即7.2 PWM逆变电路及其控制方法4/24/202421电力电子技术PWM控制技术其次，为消除谐波中余弦项，应使波形在正半周期内前后1/4周期以/2为轴线对称 同时满足以上两个条件的波形称为四分之一周期对称波形，用傅里叶级数表示为 式中，an为7.2 PWM逆变电路及其控制方法4/24/202422电力电子技术PWM控制技术能独立控制的量包括：a1、a2和a3，共3个时刻。该波形的an为 式中n=1,3,5,7.2 PWM逆变电路及其控制方法根据需要确定a1的值，再令两个不同的an=0，就可建三个方程，求得a1、a2和a3。4/24/202423电力电子技术PWM控制技术消去两种特定频率的谐波。在三相对称电路的线电压中，相电压所含的3次谐波相互抵消，可考虑消去5次和7次谐波，得如下联立方程：给定a1，解方程组可得a1、a2和a3。a1变，a1、a2和a3也相应改变。7.2 PWM逆变电路及其控制方法4/24/202424电力电子技术PWM控制技术一般，在输出电压半周期内器件通、断各k次，考虑PWM波四分之一周期对称，k个开关时刻可控，除用一个控制基波幅值，可消去k1个频率的特定谐波。k越大，开关时刻的计算越复杂。除计算法和调制法外，还有跟踪控制方法。7.2 PWM逆变电路及其控制方法4/24/202425电力电子技术PWM控制技术7.2.2 异步调制与同步调制l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。l载波比：载波频率fc与调制信号频率fr之比，N=fc/fr。4/24/202426电力电子技术PWM控制技术1.异步调制：载波信号和调制信号不同步的调制方式。在异步调制方式中，通常保持载波频率fc固定不变，当信号波频率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。当信号波频率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。当信号波频率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。7.2.2 异步调制与同步调制4/24/202427电力电子技术PWM控制技术2.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。在基本同步调制方式中，信号波频率fr发生变化时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。信号波频率fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除。信号波频率fr很高时，fc会过高，使开关器件难以承受。7.2.2 异步调制与同步调制4/24/202428电力电子技术PWM控制技术3.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。l同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易实现。l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。7.2.2 异步调制与同步调制4/24/202429电力电子技术PWM控制技术分段同步调制方式举例虚线表示输出频率降虚线表示输出频率降低时的切换频率低时的切换频率 实线表示输出频率实线表示输出频率增高时的切换频率增高时的切换频率7.2.2 异步调制与同步调制4/24/202430电力电子技术PWM控制技术l按SPWM基本原理，在正弦波和三角波的自然交点时刻控制电力电子器件的通断，生成SPWM波形，这种方法称为自然采样法。l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。l规则采样法：是一种工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量小。7.2.3 规则采样法ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd d 2d2d规则采样法 4/24/202431电力电子技术PWM控制技术7.2.3 规则采样法规则采样法原理：定义三角波两个正峰值之间为一个采样周期Tc。在自然采样法中，脉冲中点不与三角波一周期的中点（即负峰点）重合。而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。ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd d 2d2d规则采样法 4/24/202432电力电子技术PWM控制技术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。脉冲宽度d和用自然采样法得到的脉冲宽度非常接近。7.2.3 规则采样法ucuOturTcADBOtuotAtDtBdd d 2d2d规则采样法 4/24/202433电力电子技术PWM控制技术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，0ar，是很容易滤除的。l当调制信号波不是正弦波，而是其它波形时，其谐波由两部分组成，一部分是对信号波本身进行谐波分析所得的结果，另一部分是由于信号波对载波的调制而产生的谐波。4/24/202437电力电子技术第8章 软开关技术l了解软开关的概念，以降压型零电压开关准谐振电路为例，掌握其基本原理l理解硬开关、软开关的区别l了解软开关的分类。4/24/202438电力电子技术软开关技术引言引言l现代电力电子装置的发展趋势是现代电力电子装置的发展趋势是小型化小型化、轻量化轻量化，同时，同时对装置的对装置的效率效率和和电磁兼容性电磁兼容性也提出了更高的要求。也提出了更高的要求。电力电子电路的高频化，电力电子电路的高频化，可以减小可以减小滤波器、变压器滤波器、变压器的体积和重量，使电力电子装置向小型化、轻量化的体积和重量，使电力电子装置向小型化、轻量化方向发展。方向发展。然而，高频化使开关损耗增加，电路效率严重下降，然而，高频化使开关损耗增加，电路效率严重下降，电磁干扰增大。电磁干扰增大。l软开关技术软开关技术降低开关损耗和开关噪声。降低开关损耗和开关噪声。使开关频率可以大幅度提高。使开关频率可以大幅度提高。4/24/202439电力电子技术软开关技术l硬开关硬开关开关过程中电压、电流均不为零，出现了重叠，有开关过程中电压、电流均不为零，出现了重叠，有显著的显著的开关损耗开关损耗。图图8-1 硬开关硬开关降压型降压型电路及波形电路及波形a）电路图）电路图 b）理想化波形）理想化波形 4/24/202440电力电子技术软开关技术t0P0uituiP00图图8-2 硬开关过程中的电压和电流硬开关过程中的电压和电流a)关断过程关断过程 b)开通过程开通过程a)b)4/24/202441电力电子技术软开关技术l硬开关硬开关电压和电流变化的速度很快，波形出现了明显的过电压和电流变化的速度很快，波形出现了明显的过冲，从而产生了冲，从而产生了开关噪声开关噪声。开关损耗开关损耗与与开关频率开关频率之间呈线性关系，因此当硬电之间呈线性关系，因此当硬电路的工作频率不太高时，开关损耗占总损耗的比例路的工作频率不太高时，开关损耗占总损耗的比例并不大，但随着开关频率的提高，开关损耗就越来并不大，但随着开关频率的提高，开关损耗就越来越显著。越显著。4/24/202442电力电子技术软开关技术l软开关软开关软开关电路中增加了软开关电路中增加了谐振电感谐振电感Lr和和谐振电容谐振电容Cr，与滤波，与滤波电感电感L、电容、电容C相比，相比，Lr和和Cr的值小得多，同时开关的值小得多，同时开关S增加增加了了反并联二极管反并联二极管VDS，而硬开关电路中不需要这个二极，而硬开关电路中不需要这个二极管。管。降压型零电压开关准谐振电路中，在开关过程前后引入降压型零电压开关准谐振电路中，在开关过程前后引入谐振，谐振，使开关开通前电压先降到零使开关开通前电压先降到零，关断前电流先降到关断前电流先降到零零，消除了开关过程中，消除了开关过程中电压、电流的重叠电压、电流的重叠，从而大大减，从而大大减小甚至消除开关损耗，同时，谐振过程限制了开关过程小甚至消除开关损耗，同时，谐振过程限制了开关过程中中电压和电流的变化率电压和电流的变化率，这使得开关噪声也显著减小。，这使得开关噪声也显著减小。4/24/202443电力电子技术软开关技术图图8-3 降压型零电压开关降压型零电压开关准谐振准谐振电路及波形电路及波形a）电路图）电路图 b）理想化波形）理想化波形4/24/202444电力电子技术软开关技术P0uitt0P0itt0ua)b)图图8-4 软开关过程中的电压和电流软开关过程中的电压和电流a)关断过程关断过程 b)开通过程开通过程 4/24/202445电力电子技术软开关技术l零电压开通零电压开通:开关开通前其开关开通前其两端电压为零两端电压为零，则开通时不会，则开通时不会产生损耗和噪声。产生损耗和噪声。l零电流关断零电流关断:开关关断前其开关关断前其电流为零电流为零，则关断时不会产生，则关断时不会产生损耗和噪声。损耗和噪声。l零电压关断零电压关断:与开关与开关并联的电容并联的电容能延缓开关关断后能延缓开关关断后电压上电压上升的速率升的速率，从而降低关断损耗。，从而降低关断损耗。l零电流开通零电流开通:与开关与开关串联的电感串联的电感能延缓开关开通后能延缓开关开通后电流上电流上升的速率升的速率，降低了开通损耗。，降低了开通损耗。l在很多情况下，不再指出开通或关断，仅称零电压开关在很多情况下，不再指出开通或关断，仅称零电压开关和零电流开关。和零电流开关。零电压开关与零电流开关零电压开关与零电流开关4/24/202446电力电子技术软开关技术软开关电路的分类软开关电路的分类l软开关电路的分类软开关电路的分类根据电路中主要的开关元件是零电压开通还是零电流根据电路中主要的开关元件是零电压开通还是零电流关断，可以将软开关电路分成关断，可以将软开关电路分成零电压电路零电压电路和和零电流电零电流电路路两大类，个别电路中，有些开关是零电压开通的，两大类，个别电路中，有些开关是零电压开通的，另一些开关是零电流关断的。另一些开关是零电流关断的。根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成准准谐振电路谐振电路、零开关零开关PWM电路电路和和零转换零转换PWM电路电路。4/24/202447电力电子技术软开关技术End4/24/202448