单极性正弦波脉宽调制概要

单极性正弦波 脉宽调制电路
一、脉宽调制控制电路的工作原理
R2 UP RP ∞ + R1 R3 + N RL EC
u0
uk
Ub
V UL
VD
图9-8 PWM控制电路原理

运算放大器N在开环状态，可将连续电压信号变 成脉冲电压信号。二极管VD在V断开时为感性 负载RL提供释放电感储能形成续流回路。N的 反相端输入三个信号：一个是三角波调制信号 up，其频率是主电路所需的开关调制频率；另 一个是控制电压uc,其极性与大小随时间可变； 再一个是负偏置电压uo,其作用是在uc=0时通过 Rp的调节使比较器的输出电压ub为宽度相等的 正负方波，如图a所示。当控制电压uc>0时， 锯齿波过零的时间提前，结果在输出端得到正 半波比负半波窄的调制方波，如图b所示。当 uc<0时锯齿波过零的时间后移，结果在输出端 得到正半波比负半波宽的调制方波。
流电路
-uc b)
a)
图9-19 单极性正弦波脉宽调制
相关电路及相应功能

该电路运用运放及二极管实现对输入的三 角波信号进行处理得到单极性的三角波， 即up。

该部分电路对正弦波信号进行半波整流， 得到uc。

该部分电路对反相后的正弦波进行整流， 得到-uc。

该电路是个比较器，通过比较up和uc,up 和-uc，产生正弦脉冲，来控制晶体管工 作。
（二）异步式调制控制

当三角载波信号频率一定时，若只改变 正弦波基准信号的频率，即让载波比N不 为常数，同样可以改变输出电压的频率， 这样正、负半周的脉冲数和相位在不同 的输出频率下，就不完全对称，把这种 控制方式称为异步式脉宽调制控制方式。
四、同步式与Leabharlann Baidu步式脉宽调制控制电路

定义：调制控制中，若载波信号为等腰 三角波，基准信号采用正弦波，则称为 正弦波脉宽调制，简称SPWM。
u
V1 C V3 M V2
uP
uc
-uc
E
A
B
V4
O
ωt
比较器 三角波 振荡器 uP 半波整
比较器
UAB E O -E
半波整
π
ωt
流电路
正弦波基准 信号振荡器 uc 倒相器
ia M
VD2
V2 3 ub2 B ub4 V4
ub2,ub3 O uAB E O -E ia （重载） 1 1 2 O ia （轻载） 1 1 2 O 3 4 4 t
A ub3 V3
t
VD3
2
4 VD4
t t
图9-17 H型双极式PWM控制电路及其波形 a） 电路原理图 b） 电压电流波形


图示的H形双极式PWM控制电路由4个大功率晶体管和 四个续流二极管组成。4个大功率管分为两组V1、V4 为一组，V2和V3为一组。在基极驱动信号ub1=ub4， ub2=ub3=-ub1的作用下，同一组的两个晶体管同时 导通或同时关断，两组晶体管自己交替导通和截止。 在[0, τ)期间，V1、V4饱和导通， V2和V3截止，E加 在电枢AB两端，uAB=+E；在[τ,T)期间，V1，V4截止 ，但V3，V3不能立即导通，电枢电流ia沿回路经VD2 ，VD3续流，uAB=-E。在t>T时ub1,ub4变正，但由于 电枢反电动势的作用，V1，V4不能立即导通，ia沿回 路经VD4，VD1续流反向电流ia降至零后，VD4，VD1 切断，V1，V4，导通。
（一）同步式调制控制


在同步式调制控制方式中，N为常数，即变频 时控制电路的三角载波频率与正弦调制波的频 率要同步变化，从而保持脉宽调制信号波形数 和相位不变。如果取N等于3的倍数，则同步 调制控制能保证逆变器输出波形的正、负半波 始终保持对称，对于三相逆变器能严格保证三 相输出波形间具有互差120°的对称关系。 但是，当输出频率很低时，由于相邻两脉冲间 的间距增大，谐波会显著增加，使负载电动机 产生较大的脉动转矩和较强的噪声，这是同步 式调制控制方式的主要缺点。

正弦波经整流输出与三角波信号up比较产生正脉冲使功 率晶体管V1,V2工作，使电源E通过V1,V4，在AB两端形 成正的电压脉冲UAB；而正弦波uc的负半波经倒相成正 半波再经整流后与三角波比较产生正脉冲使V2、V3管工 作，则在AB两端形成负的电压脉冲UBA。

单极性: 指载波信号与基准信号始终保持 同极性的关系，即正弦波处于正半周时， 载波信号在正值范围内变化，产生正的 调制脉冲列。而正弦波处于负半周时， 产生负的调制脉冲列。
uP
uP
uP
O uP+uk+u
0
O t uP+uk+u
0
O t uP+uk+u
0
t
O
t
O
t
O
t
ub O τ
ub
ub
τ
T
a)
t
O
T
b)
t
O
τ T c)
t
图9-9 锯齿波脉宽调制波形图
uk 1 1 T 2 u km

式中 ukm——控制信号uk的最大值。
uL E UL O

采用正弦波调制后的输出电压脉冲UAB具 有以下特点：在半个周期内，两边的脉 冲宽度小，中间的脉冲宽度大，各脉冲 的宽度基本上按正弦分布。它比单极性 直流脉宽调制的输出电压波形更接近于 正弦。

定义载波频率fp与调制波频率fk之比为载 波比N，即N=fp/fk。用三角波up幅值Upm 与正弦波uk幅值Ukm之比m=Upm/Ukm表示 调节脉冲宽度的能力，m愈大，uk幅值就 愈小，则等高不等宽脉冲宽度变窄，输 出电压减小。根据载波比的变化与否可 分为同步式调制控制与异步式调制控制。
三、PWM功率转换电路


根据调制脉冲的极性可分为单极式和双 极式调制两种； 根据载波信号和基准信号的频率之间的 关系，又可分为同步式和异步式两种。
(三) H型双极式可逆PWM控制电路

H型控制电路在控制方式上分双极式、 单极式和受限单极式三种。
E
ub1,ub4
O τ T t
ub1
V1
1
VD1
τ
T
T+τ
2T
t
uL
E UL O τ T T+ τ
2T
t
图9-10 PWM控制负载的波形图
二、脉宽调制电路


脉宽（脉冲宽度）调制器是一个自动的电压脉宽变换器(亦称V/W电路)。对它的基本要求 是死区要小，调宽脉冲的前后沿的斜率要大， 也就是比较器的灵敏度要足够高。 在设计脉宽调制器的实际电路时，应使其简单、 可靠，且不受外界干扰。比较器的灵敏度与系 统的控制模式、实际控制系统的具体要求等有 关，应综合考虑，否则在整个系统的线路处理 上会带来一定困难。同时还需考虑与功率转换 电路的耦合问题。