单极性与双极性PWM模式
单极式可逆PWM变换器直流PWM调速系统的开环机械特性由于采用脉
3、单极式和双极式脉宽调制主要有哪些区别？
4、PWM直流调速系统有什么特点？
的，无论是重载还是轻载，电流波形都是连续的，因而机械特性关系式
比较简单，下面就分析这种情况。
（1）带制动的不可逆电路电压方程
（2） 双极式可逆电路电压方程
（3）机械特性方程
PWM系统控制电路
1. 三角波发生器Leabharlann 2、脉宽调制器及逻辑延时电路
3、基极驱动器
集成驱动电路
由IR2103构成的半桥驱动器
工作状态与波形
（2）有制动的不可逆PWM变换器
工作状态与波形
2）制动状态
3）轻载电动状态
二象限不可逆PWM变换器在不同工作状态下的导通器件和电流回路与方向
2. 可逆PWM变换器
工作状态与波形
相关方程：
性能评价
（2）单极式可逆PWM变换器
直流PWM调速系统的开环机械特性
，直流电源与电机脱开，电动机电枢电流经VD 续流，两端电压接
近于零。如此反复，电枢端电压波形如图 ，好像是电源电压Us在
ton 时间内被接上，又在T – ton 时间内被斩断，故称“斩波”。
3. 输出电压计算
电动机得到的平均电压为：
几种典型PWM变换器的基本结构及工作原理
1. 不可逆PWM变换器
点，例如：调速范围宽、快速性好、电流波形系数好、功率因数好等。
直流斩波器的基本结构与工作原理
1.直流斩波器的基本结构
直流斩波器－－电动机系统原理图和电压波形
2. 斩波器的基本工作原理
在原理图中，VT 表示电力电子开关器件，VD 表示续流二极
管。当VT导通时，直流电源电压Us 加到电动机上；当VT关断时
单极性和双极性
单相桥式PWM 逆变电路如图一所示，其控制方式有单极性和双极性两种，当输出脉冲的宽度按正弦规律变化时，这种电路一般称为SPWM 逆变电路。
无论对于单极性还是双极性SPWM 逆变电路，均把需要输出的正弦波作为调制信号u r ,去调制一个等腰三角形载波信号u c ,从而获得对逆变电路开关器件的控制信号,进而得到所需要的SPWM 波形，如图二所示[2]。
而在具体分析逆变电路的输出电压时常采用一种近似方法，这种方法是假设三角载波信号的频率f c 远大于正弦调制信号的频率f r , 既满足条件 f c 》f r ,这样两个三角载波信号间的正弦波形就可近似看作直线[3]，从而可方便的确定各个控制脉冲的起止时刻，以及输出电压的大小和谐波分布。
这种近似分析方法会产生过少误差及控制方式不同时输出电压的不同特点将是本文分析的内容。
二、逆变电路输出脉冲的数学分析 1 单极性逆变电路为分析方便，把图二（a ）中细实线方框内的部分图形放大并展宽于图三中。
并设半周正弦调制信号内的脉冲个数为N ，且N 为奇数，由图可见载波信号的第K 个过零点相对于正弦调制信号的角度为πβNK K 212-=（１）它与正弦调制信号u r 的交点A 、B 的坐标分别为（αK -, u K -）与(αK +,u K +), 根据直线方程的两点式表达式，可解出A 、B 两点所在直线的方程为)12(2-+-=--K Nu K K απ)12(2--=++K Nu K K απ把以上两式结合在一起，既有⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=-)12(2K N u K K απ （２）在近似计算逆变电路的输出时，正弦调制信号看作不变并用它在K β时刻的值取代，既有关系式⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=)12(2sin K N m K K απβ（３）其中cmrmu u m=为调制比，由此可解出输出脉冲的始末角度K α为()[]K K m K Nβπαsin 122 -=（４）但实际上由三角载波和正弦调制信号所产生的输出脉冲与上述是有区别的，要准确计算输出脉冲的始末角度 K α必须使用下式⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=)12(2sin K N m K K απα（５）而该式为一奇异方程，我们不能求得其解析解，只能通过计算机求得近似解。
pwm控制器,PWM功能原理
pwm控制器,PWM功能原理
pwm 控制器，PWM 功能原理
脉宽调制（PWM）是指用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制，是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。
以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。
许多微控制器内都包含PWM 控制器。
pwm 控制器基本原理
PWM 控制基本原理依据：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相同。
PWM 控制原理，将波形分为6 等份，可由6 个方波等效替代。
脉宽调制的分类方法有多种，如单极性和双极性，同步式和异步式，矩形波调制和正弦波调制等。
单极性PWM 控制法指在半个周期内载波只在一个方向变换，所得PWM 波形也只在一个方向变化，而双极性PWM 控制法在半个周期内载波在两个方向变化，所得PWM 波形也在两个方向变化。
根据载波信号同调制信号是否保持同步，PWM 控制又可分为同步调制和异步调制。
矩形波脉宽调制的特点是输出脉宽列是等宽的，只能控制一定次数。
pwm控制器,PWM功能原理
pwm 控制器，PWM 功能原理
脉宽调制（PWM）是指用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制，是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。
以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。
许多微控制器内都包含PWM 控制器。
pwm 控制器基本原理
PWM 控制基本原理依据：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相同。
PWM 控制原理，将波形分为6 等份，可由6 个方波等效替代。
脉宽调制的分类方法有多种，如单极性和双极性，同步式和异步式，矩形波调制和正弦波调制等。
单极性PWM 控制法指在半个周期内载波只在一个方向变换，所得PWM 波形也只在一个方向变化，而双极性PWM 控制法在半个周期内载波在两个方向变化，所得PWM 波形也在两个方向变化。
根据载波信号同调制信号是否保持同步，PWM 控制又可分为同步调制和异步调制。
矩形波脉宽调制的特点是输出脉宽列是等宽的，只能控制一定次数。
单极性和双极性PWM调制的区别在哪里 详解PWM中的单极性和双极性
单极性和双极性PWM调制的区别在哪里详解PWM中的单极性和双极性本文主要是关于单极性和双极性PWM调制的相关介绍，并着重对单极性和双极性PWM调制的区别进行了详尽描述。
PWM控制的基本原理PWM（PulseWidthModulaTIon）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。
即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形。
PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻，PWM控制技术在逆变电路中的应用也最具代表性。
面积等效原理是PWM控制技术的重要理论基础，即在采样控制中，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的同一环节上时，其效果基本相同。
其中，冲量指的是窄脉冲的面积；效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。
如图1.1.1（1）所示，三个窄脉冲形状不同，但是它们的面积都等于1，当它们分别加在如图1.1.1（2）（a）所示的R-L电路上时，并设其电流i（t）为电路的输出，则其输出响应波形基本相同且如图 1.1.1（2）（b）所示。
一、什么是单极性PWM和双极性PWM通俗的说：单极性PWM就是PWM波形在半个周期中只在单极性范围内变化。
双极性PWM就是PWM波形在半个周期中有正、有负。
单、双极性是根据对低电平的不同定义而言的，然后所谓单极性，指的是以0V为低电平，双极性，指的是以“与高电平大小相等，极性方向相反（即在横轴下面）”的电位为低电平。
我们知道，PWM波形的产生是通过载波和信号波两个波形共同作用而成的，基本元素只有两个，高电平和低电平，信号波比载波高，则为高电平，比载波低，则为低电平。
二、单极性PWM原理产生单极性PWM模式的基本原理如下所示。
首先由同极性的三角波载波信号ut。
与调制信号ur，比较（图（a）），产生单极性的PWM脉冲（图（b））；然后将单极性的PWM脉。
单双极性SPWM单相桥电压型逆变电路课程设计单极性
单双极性SPWM单相桥电压型逆变电路课程设计单极性单极性PWM控制方式调制信号ur为正弦波，载波uc在ur的正半周为正极性的三角波，在ur的负半周为负极性的三角波。
在ur的正半周，V1保持通态，V2保持断态。
当ur>uc时使V4导通，V3关断，uo=Ud。
当ur<uc时使V4关断，V3导通，uo=0。
在ur的负半周，V1保持断态，V2保持通态。
当ur<uc时使V3导通，V4关断uo=-Ud。
当ur>uc时使V3关断，V4导通，uo=0。
主电路在每个开关周期内输出电压在正和零（或负和零）间跳变，正、负两种电平不会同时出现在一个开关周期内，故称为单极性SPWM。
七、单极性SPWM调制分析载波比和调制深度的定义与双极性SPWM相同。
它不适于半桥电路，而双极性SPWM在半桥、全桥电路中都可以使用。
与双极性SPWM相同，在m<=1和fc>>f的条件下，单极性SPWM逆变电路输出的基波电压u1的幅值U1m满足如下关系：U1m=mUd即输出电压的基波幅值随调制深度m线性变化，故其直流电压利用率与双极性时也相同。
就基波性能而言，单极性SPWM和双极性SPWM完全一致，但在线性调制情况下它的谐波性能优于双极性调制：开关次整数倍谐波消除，值得考虑的最低次谐波幅值较双极性调制时小得多，所需滤波器也较小。
八、建立单极性SPWM仿真模型单极性SPWM触发信号产生图：为[101]。
对脉冲电路进行封装：触发电路中三角载波（Triangle）参数设置：“TimeValue”为[01/fc/21/fc]，“OutputValue”单极性SPWM主电路：触发电路参数设置：Ud=300v，R=1欧，L=2mH九、进行单极性SPWM仿真1、仿真时间设为0.06键入MATLAB语言命令：>>ubplot(4,1,1)>>ubplot(4,1,2)仿真结果如下：单极性SPWM单相逆变器m=0.8，N=15时的仿真波形图仿真结果分析：输出电压为单极性SPWM型电压，脉冲宽度符合正弦变化规律。
pwm原理
PWM（PWM:Pulse Width）不仅监控电源电路的输出状态，而且为功率元件提供控制信号。
因此，它被广泛应用于高功率转换效率的开关电源、电机逆变器、D极放大器等。
音频、DC-DC转换器、UPS等大功率电路。
PWM电路的基本原理是：相同的脉冲，但惯性环节增加了不同形状的窄脉冲，效果相同。
PWM控制原理将波形分成六个相等的部分，可以用六个方波代替。
脉冲宽度调制的分类方法有单极性和双极性、同步和异步、矩形波调制和正弦波调制。
单极性PWM控制方法是指载波在一个方向上只改变半个周期，而产生的PWM波形只在一个方向上变化。
在双极性PWM控制方法中，载波在半个周期内双向变化，PWM波形在两个方向上变化。
根据载波信号与调制信号是否同步，PWM控制可分为同步调制和异步调制。
只有具有一定脉宽的矩形脉冲宽度才可以控制。
正弦波脉宽调制的特点是输出脉冲宽度不等于宽度，宽度按正弦规律变化，输出波形接近正弦波。
正弦波脉宽调制也称为SPWM。
该技术的关键是根据控制信号产生脉冲宽度。
通常采用三角波比较法、磁滞比较法和空间电压矢量法。
电路功能
PWM电路的主要功能是将输入电压的幅值转换成一定宽度的脉冲，即将幅值数据转换成脉冲宽度。
一般来说，开关输出电路只能输出具有一定电压幅值的信号。
为了输出电压幅度变化的信号，如正弦波，电压幅度必须转换成脉冲信号。
大功率电路由PWM电路、栅极驱动电路和开关输出电路组成。
PWM电路的主要功能是将三角波的幅值与指令信号进行比较，输出驱动功率MOSFET的控制信号，并通过控制信号控制功率电路的输出电压。
(完整版)PWM控制技术(深度剖析)
第6章PWM控制技术主要内容：PWM控制的基本原理、控制方式与PWM波形的生成方法，PWM逆变电路的谐波分析，PWM整流电路。
重点：PWM控制的基本原理、控制方式与PWM波形的生成方法。
难点：PWM波形的生成方法，PWM逆变电路的谐波分析。
基本要求：掌握PWM控制的基本原理、控制方式与PWM波形的生成方法，了解PWM 逆变电路的谐波分析，了解跟踪型PWM逆变电路，了解PWM整流电路。
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）。
第3、4章已涉及这方面内容: 第3章：直流斩波电路采用，第4章有两处：4.1节斩控式交流调压电路，4.4节矩阵式变频电路。
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。
本章主要以逆变电路为控制对象来介绍PWM控制技术，也介绍PWM整流电路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6-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲面积等效原理：分别将如图6-1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图6-2a所示。
其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图6-2b所示。
从波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。
脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小。
如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。
用傅里叶级数分解后将可看出，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。
图6-2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形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，看成N个相连的脉冲序列，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。
单双极性SPWM单相逆变器
O U d 图 6 5
t
在ur与uc的交点处控制IGBT的通断。在ur的正半周，V1保持通 态，V2保持断态，当ur＞UC时，使V4导通，v3关断，u0=ud； 当ur＜uc，V4关断，V3导通，u0=0；
双极性PWM控制方式
Ur的半个周期内，三角载波在正负极之间连续变化，所得PWM波 也是在正负之间变化，称为双极性PWM控制方式。
单极性PWM控制方式
Ur为正弦调制信号波，Uc为三角载波。Ur的半个周期内三角载波 只在正极性和负极性一种极性范围内变化，所得PWM波也只处于 一个极性的范围内，称为单极性PWM控制方式。
V 1 U d + V 2 u 信 号 波 r u c 载 波
V D 1 R V D 2 u o
V 3 L V 4
图 用PWM波代替正弦半波
PWM波形可分为等幅PWM波和不等幅PWM波两种， 由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波。 输出波形作调制信号，接受调制的信号为载波进 行调制得到期望的PWM波； 载波比——载波信号频率fc与调制信号频率fr之比，P= fc / fr 调制信号——正弦调制信号与三角载波信号的幅值之比 ，m=ur/uc 当载波频率fc远高于输出电压u0基频f且调制深度m≤1 时,可知输出基波电压u0f 的幅值 u1m=mud
f (t) f (t) f (t) f (t)
(t)
形状不同而冲 量相同的各种 窄脉冲
t d )
O
a )
t O
b )
t O 图 6 1
c )
t O
PWM控制的基本原理
用PWM波代替正弦半波 将正弦半波看成是由N个彼此相连的脉冲宽 度为/N，但幅值顶部是曲线且大小按正弦规 律变化的脉冲序列组成的。 把上述脉冲序列利用相同数量的等幅而不 等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相 应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相 应的正弦波部分面积（冲量）相等，这就是 PWM波形。 对于正弦波的负半周，也可以用同样的方 法得到PWM波形。 脉冲的宽度按正弦规律变化而和正弦波等 效的PWM波形，也称SPWM波形。
第五章 无源逆变电路PWM基础
仅内部使用 郭小舟老师
而脉冲宽度为β、脉冲中心距方波的边缘为ψ度的 交流脉冲的幅值是： nb 4 U d sin np 2 nb 4 4 U d sin Ud = 当 成立 np np 2 则对应的n次谐波将被消除。由此可得到计算脉冲 的宽度β的公式： nb sin = 0 .5 2 交流脉冲的中心必须位于距方波过零点起算的、 所需消除的谐波的四分之一周期处，即： p y = 2n
谐波电压的分布规律是
输出电压的频率谱图
与半桥电路的频谱图比较，谐波分量与幅值都改善了
仅内部使用 郭小舟老师
直流侧电流由直流分量与交流分量构成。直流分量 对应于从直流侧传送到交流侧的有功功率；交流分 量是一个两倍于交流侧基波频率的正弦量。称为 “二次谐波”。
u o (t )io (t ) 2U o I o id (t ) = = sin w1t × sin(w 1t - f ) ud Ud Uo Io UoIo = cos f cos(2w 1t - f ) = I d - id ~ Ud Ud
采用SPWM调制技术可以抑制与消除高次谐波，但逆 变器从直流侧吸取的电流必然包含一个二次电流分 量。这个电流流经直流侧支撑电容时产生的电压的 脉动是不容忽视的。
仅内部使用 郭小舟老师
三相桥式SPWM逆变电路分析 由三个基本的单相半桥PWM逆变电路组成的。各半桥 的控制信号各相差1/3周期。
T1 Ud + T4 T6 + uan COMP uA COMP uB COMP uC ut
设负载为电阻电感性。由半桥的知识可推出： Vo为正：T1或D1导通。电流正时为T1通负为D1通 Vo为负：T2或D2导通。电流正时为D2通负为T1通
仅内部使用 郭小舟老师
实验单相逆变器单极性和双极性SPWM调制技术的仿真
图4三相PWM逆变电路
当 时，给V1导通信号，给V4关断信号， ；当 时，给V4导通信号，给V1关断信号， 。当给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是VD1(VD4)导通。 、 和 的PWM波形只有 两种电平。 波形可由 、 得出，当1和6通时， = ，当3和4通时， = ，当1和3或4和6通时， =0。 、 的波形可同理得出。
图3是采用IGBT作为开关器件的单相桥式电压型逆变电路。
图3单相桥式PWM逆变电路
单相桥式逆变电路双极性PWM控制方式：在 的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负，其幅值只有± 两种电平。同样在调制信号 和载波信号 的交点时刻控制器件的通断。 正负半周，对各开关器件的控制规律相同。当 > 时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号。如 >0，V1和V4通，如 <0，VD1和VD4通， = 。当 < 时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号。如 <0，V2和V3通，如 >0，VD2和VD3通， =- 。这样就得到图2所示的双极性的SPWM波形。
图8三相调制波与三角载波波形
3.3
双
图9单相桥式PWM逆变器主电路图
为了使仿真界面简洁，仿真参数易于修改，通用桥（Universal Bridge）的触发脉冲是图5所示部分封装成的子模块。对于单相SPWM控制方式的逆变电路，有如下重要参数：
载波比N——载波频率 与调制信号频率 之比，即N = / 。
调制度m――调制波幅值 与载波幅值 之比，即m＝ / 。
输出电压基波幅值 = ，其中， 为直流侧电源电压。
将调制度m设置为0.9，调制波频率设为50Hz，载波频率设为基波的30倍（载波比N=30），即1500Hz，仿真时间设为0.04s，在powergui中设置为离散仿真模式，采样时间设为1e-006s，运行后可得仿真结果，建立m文件，程序如下所示：（示波器名称设置为inv）
pwm是什么,pwm调速原理
pwm 是什么，pwm 调速原理
脉冲宽度调制是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。
脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS 管栅极的偏置，来实现晶体管或MOS 管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变。
这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。
PWM 控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。
由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振波开关技术将会成为PWM 控制技术发展的主要方向之一。
其根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS 管栅极的偏置，来实现晶体管或MOS 管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变。
这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处。
单极性与双极性pwm模式
单极性与双极性PWM模式
从调制脉冲的极性看，PWM又可分为单极性与双极性控制模式两种。
单极性PWM模式
产生单极性PWM模式的基本原理如图6.2所示。
首先由同极性的三角波载波信号ut。
与调制信号ur，比较(图6.2(a))，产生单极性的PWM脉冲 (图6.2(b))；然后将单极性的PWM脉冲信号与图6.2(c)所示的倒相信号UI相乘，从而得到正负半波对称的PWM脉冲信号Ud，如图 6.2(d)所示。
双极性PWM模式
双极性PWM控制模式采用的是正负交变的双极性三角载波ut与调制波ur，如图6.3所示，可通过ut与ur，的比较直接得到双极性的PWM脉冲，而不需要倒相电路。
与单极性模式相比，双极性PWM模式控制电路和主电路比较简单，然而对比图6.2(d)和图6.3(b)可看出，单极性PWM模式要比双极性PWM模式输出电压中、高次谐波分量小得多，这是单极性模式的一个优点。
单极性调制方式的特点是在一个开关周期内两只功率管以较高的开关频率互补开关，保证可以得到理想的正弦输出电压：另两只功率管以较低的输出电压基波频率工作，从而在很大程度上减小了开关损耗。
但又不是固定其中一个桥臂始终为低频(输出基频)，另一个桥臂始终为高频[载波频率)，而是每半个输出电压周期切换工作，即同一个桥臂在前半个周期工作在低频，而在后半
周则工作在高频，这样可以使两个桥臂的功率管工作状态均衡，对于选用同样的功率管时，使其使用寿命均衡，对增加可靠性有利。
双极性调制方式的特点是4个功率管都工作在较高频率(载波频率)，虽然能得到正弦输出电压波形，但其代价是产生了较大的开关损耗。
双极性模式PWM逆变电路
双极性模式PWM逆变电路————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：电力电子系统计算机仿真题目：双极性模式PWM逆变电路班级：姓名：学号：指导老师：日期：摘要PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。
即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形。
PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，现在大量应用的逆变电路中绝大部分都是PWM型逆变电路。
本设计为双极性PWM方式下的单相全桥逆变电路，主要包括双极性SPWM控制信号的发生电路和带反并联二极管的IGBT作为开关器件的单相全桥电路。
设计的重点在于运用MATLAB中的SIMULINK建立电路模型，对电路进行仿真，并对仿真结果进行分析，得出系统参数对输出的影响规律。
关键字：双极性PWM控制逆变电路 SIMULINK仿真目录一、主电路工作原理 (3)1.1 PWM控制技术及SPWM波的生成 (3)1.1.1 PWM控制的基本原理 (3)1.1.2 SPWM法的基本原理 (4)1.1.3规则采样法 (4)1.2 单极性和双极性PWM控制逆变电路分析 (5)1.2.1 单极性PWM控制方式 (6)1.2.2 双极性PWM控制方式 (6)二、MATLAB仿真及结论分析 (7)2.1 建立仿真模型 (7)2.1.1 双极性SPWM控制信号的仿真模型 (7)2.1.2 双极性模式PWM逆变电路仿真模型 (10)2.2 双极性模式PWM逆变电路仿真结果及分析 (13)三、PSIM仿真及结论分析 (20)3.1 建立仿真模型 (20)3.2 仿真结果及分析 (21)四、总结与体会 (26)五、参考文献 (27)一、主电路工作原理1.1 PWM控制技术及SPWM波的生成1.1.1 PWM控制的基本原理PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。
pwm滤波单极性双极性,电感纹波
作业3：H 桥DC-DC 变换器主电路如图1所示，电源电压为s U ，控制电压设为r u ，三角波为t u ，三角波峰值为tm U ，三角波频率为s f ，输出电压为AB u ，其稳态开关周期平均值为AB U ，电源电流为s i ，其稳态开关周期平均值为s I ，电感电流为L i ，其稳态开关周期平均值为L I 。
设电路已达到稳态，求解下列问题（每题20分）：（1） 采用双极性PWM 控制方式，r u =0.5tm U 。
求取ABsU U 和sLI I 的表达式；画出AB u 和s i 的波形（忽略电感电流L i 中的纹波），通过傅里叶分析，求解AB u 和s i 的开关频率谐波幅值（请给出开关频率的1至6次谐波）。
解答：采用双极性的PWM 控制方式的时候，其波形如图所示：其中，r u =0.5tm U ，解得占空比75.0u 2u u t q tmrtm on =+==T . 其中，s 5.0)1-q 2()q 1(q s U U U U U S S AB ==--= 所以，ABsU U =0.5.在不考虑电感纹波的情况下，相当于电感电流为方波（无充放电的三角波过程），此时，Is 由于电感电流不能迅速充放电的原因而和Uab 电压波形保持一致，且由于输出输出侧功率守恒可知，L S S I U I U ab =,所以，.）（1-q 2sabs ==U U I I L =ur/utm=0.5 其中，Uab 的波形如下：（若下图在word 里面打不开，请参见visio 文件绘图1）其中Is的波形如下：（若下图在word里面打不开，请参见visio文件绘图2）仿真波形如下图：2）傅氏分解：t sinn b t cosn a 2a 1n 1n1n n 0ab ωω++=∑=U其中3n 2sin n s 4t td conn -1t td conn 1t td cosn u 2a 32s320s 20ab n ππωωπωωπωωπππππU U U =+==⎰⎰⎰）（32cosn -1n s 2t td sinn 1b 20ab n ππωωππU U ==⎰带入Uab 的表达式可以求得：）（6n t n sin 3n sinn 81n1n sab πωππ+=∑=U U ，其中，11f 2πω=一次谐波（基波）为：）（6tsin341sab1πωπ+=UU二次谐波：）（3t2sin321sab2πωπ+=UU三次谐波：）（t3sin38-1sab3ωπUU=四次谐波：）（32t4sin21sab4πωπ+=UU五次谐波：）（65t5sin581sab5πωπ+=UU六次谐波：）（t6sin34-1sab6ωπUU=Is的波形近似为Uab/R,其傅氏分解和Uab类似。
单极性PWM控制方式
单极性PWM控制方式在u和c u的交点时刻控制IGBT的通断。
r u正半周，1V保持通，2V保持断，r当u>c u时使4V通，3V断，0u=d U，当r u<c u时使4V断，3V通，0u=0。
r u负半r周，V保持断，2V保持通，当r u<c u时使3V通，4V断，0u=-d U，当r u>c u时使3V 1断，V通，0u=0，虚线f u0表示0u的基波分量。
波形见图4-1。
4图4-1 单极性PWM控制方式波形防直通死区时间：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器件关断时间决定。
死区时间会给输出PWM波带来影响，使其稍稍偏离正弦波。
特定谐波消去法(Selected Harmonic Elimination PWM—SHEPWM)：计算法中一种较有代表性的方法，图2-3。
输出电压半周期内，器件通、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。
首先，为消除偶次谐波，使波形正负两半周期镜对称，即：)()(πωω+-=t u t u(4.1.1)其次，为消除谐波中余弦项，使波形在半周期内前后1/4周期以π/2为轴线对称。
)()(t u t u ωπω-= (4.1.2)四分之一周期对称波形，用傅里叶级数表示为：∑∞==,...5,3,1n sin )(n t n a t u ωω(4.1.3)图4-2 特定谐波消去法的输出PWM 波形式中，a n 为⎰=2n s i n )(4πωωωπttd n t u a图4-2，能独立控制1a 、2a 和3a 共3个时刻。
该波形的n a 为)c o s 2c o s 2c o s 21(2])s i n 2(s i n 2)s i n 2(s i n 2[4321d23dn 32211αααπωωωωωωωωππn n n n U t d t n Ut td n U t d t n U t td n Ua a da a da a a d-+-=-++-+=⎰⎰⎰⎰式中n=1,3,5,…(4.1.4)确定1a 的值，再令两个不同的n a =0，就可建三个方程，求得1a 、2a 和3a 。
单双极性PWM波形调制方法
PWM 波形调制方法图6-20 二重PWM 型逆变电路 14.0 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）➢ 直流斩波电路采用➢ 斩控式交流调压电路，矩阵式变频电路➢ 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➢ 本章主要以逆变电路为控制对象来介绍PWM 控制技术 ➢ 也介绍PWM 整流电路14.1 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6-1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲➢ 一个实例 图6-2a 的电路❖ 电路输入：u (t )，窄脉冲，如图6-1a 、b 、c 、d 所示 ❖ 电路输出：i (t )，图6-2b➢ 面积等效原理图6-2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形➢ 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，但幅值不等图6-1d )fa )b )图6-2e (t❖ 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❖ SPWM 波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM 波形 ❖ 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图6-3 用PWM 波代替正弦半波➢ 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 逆变电路和PWM 整流电路➢ 输入电源是交流，得到不等幅PWM 波❖ 如斩控式交流调压电路和矩阵式变频电路➢ 基于面积等效原理进行控制，本质是相同的➢ PWM 电流波➢ 电流型逆变电路进行PWM 控制，得到的就是PWM 电流波➢ 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，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM 控制相同，也基于等效面积原理14.2 PWM 逆变电路及其控制方法➢ 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 ➢ 本节内容构成了本章的主体➢ 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14.2.1 计算法和调制法➢ 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，进行调制得到期望的PWM 波a )b )图6-3❖ 通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波❖ 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，在交点控制器件通断，就得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➢ 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 ➢控制规律❖ u o 正半周，V1通，V2断，V3和V4交替通断❖ 负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负 ❖ 负载电流为正的区间，V1和V4导通时，u o 等于U d ❖ V4关断时，负载电流通过V1和VD3续流，u o=0 ❖ 负载电流为负的区间， V1和V4仍导通，i o 为负，实际上i o 从VD1和VD4流过，仍有u o=U d➢ V4关断V3开通后，i o 从V3和VD1续流，u o=0 ➢ u o 总可得到U d 和零两种电平➢ u o 负半周，让V2保持通，V1保持断，V3和V4交替通断，u o 可得-U d 和零两种电平➢ 单极性PWM 控制方式（单相桥逆变）在u r 和u c 的交点时刻控制IGBT 的通断❖ u r 正半周，V1保持通，V2保持断♦ 当u r>u c 时使V4通，V3断，u o=U d ♦ 当u r<u c 时使V4断，V3通，u o=0❖ u r 负半周，V1保持断，V2保持通♦ 当u r<u c 时使V3通，V4断，u o=-U d ♦ 当u r>u c 时使V3断，V4通，uo=0 ♦ 虚线u of 表示u o 的基波分量信号载图6-4D 3D 4-图6-5 单极性PWM 控制方式波形➢双极性PWM 控制方式（单相桥逆变）❖ 在u r 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 的交点控制器件的通断 ❖ u r 正负半周，对各开关器件的控制规律相同❖ 当u r >u c 时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号 ❖ 如i o>0，V1和V4通，如i o<0，VD1和VD4通， u o=U d ➢ 当u r<u c 时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号 ➢ 如i o<0，V2和V3通，如i o>0，VD2和VD3通，u o=-U d ➢ 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6-6 双极性PWM 控制方式波形➢ 双极性PWM 控制方式（三相桥逆变）❖ 三相的PWM 控制公用三角波载波u c❖ 三相的调制信号u rU 、u rV 和u rW 依次相差120°图6-7 三相桥式PWM 型逆变电路➢ U 相的控制规律❖ 当u rU>u c 时，给V1导通信号，给V4关断信号，u UN’=U d/2 ❖ 当u rU<u c 时，给V4导通信号，给V1关断信号，u UN’=-U d/2❖ 当给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4)导通，也可能是VD1(VD4)导通u U -Uu Nu r u r u r❖ u UN’、u VN ’和u WN’的PWM 波形只有±U d/2两种电平❖ u UV 波形可由u UN’-u VN ’得出，当1和6通时，u UV=U d ，当3和4通时，u UV=－U d ，当1和3或4和6通时，u UV=0 ❖ 输出线电压PWM 波由±U d 和0三种电平构成❖ 负载相电压PWM 波由(±2/3)U d 、(±1/3)U d 和0共5种电平组成➢ 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14.2.2 异步调制和同步调制❖ 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❖ 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1. 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♦ 当f r 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uu u u同步调制➢ 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，f r 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 ♦ 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图6-10 同步调制三相PWM 波形➢ 分段同步调制(图6-11）♦ 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♦ 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，和分段同步方式效果接近14.2.3 规则采样法➢ 按SPWM 基本原理，自然采样法♦ 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➢ 规则采样法特点♦ 工程实用方法，效果接近自然采样法，计算量小得多图6-10u V u W图6-12图6-12 规则采样法➢ 规则采样法原理♦ 图6-12，三角波两个正峰值之间为一个采样周期T c♦ 自然采样法中，脉冲中点不和三角波一周期的中点（即负峰点）重合♦ 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♦ 在三角波的负峰时刻t D 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t A 和B 点时刻t B 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➢ 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，0≤a <1；w r 为信号波角频率。
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单极性与双极性PWM模式
从调制脉冲的极性看，PWM又可分为单极性与双极性控制模式两种。
单极性PWM模式
产生单极性PWM模式的基本原理如图6.2所示。
首先由同极性的三角波载波信号ut。
与调制信号ur，比较(图6.2(a))，产生单极性的PWM脉冲 (图6.2(b))；然后将单极性的PWM脉冲信号与图6.2(c)所示的倒相信号UI相乘，从而得到正负半波对称的PWM脉冲信号Ud，如图 6.2(d)所示。
双极性PWM模式
双极性PWM控制模式采用的是正负交变的双极性三角载波ut与调制波ur，如图6.3所示，可通过ut与ur，的比较直接得到双极性的PWM脉冲，而不需要倒相电路。
与单极性模式相比，双极性PWM模式控制电路和主电路比较简单，然而对比图6.2(d)和图6.3(b)
可看出，单极性PWM模式要比双极性PWM模式输出电压中、高次谐波分量小得多，这是单极性模式的一个优点。
单极性调制方式的特点是在一个开关周期内两只功率管以较高的开关频率互补开关，保证可以得到理想的正弦输出电压：另两只功率管以较低的输出电压基波频率工作，从而在很大程度上减小了开关损耗。
但又不是固定其中一个桥臂始终为低频(输出基频)，另一个桥臂始终为高频[载波频率)，而是每半个输出电压周期切换工作，即同一个桥臂在前半个周期工作在低频，而在后半
周则工作在高频，这样可以使两个桥臂的功率管工作状态均衡，对于选用同样的功率管时，使其使用寿命均衡，对增加可靠性有利。
双极性调制方式的特点是4个功率管都工作在较高频率(载波频率)，虽然能得到正弦输出电压波形，但其代价是产生了较大的开关损耗。