PWM逆变与整流的工作原理分析

　　脉宽调制（PWM）是一种非常有效的技术。它使用微处理器的数字输出来控制模拟电路，广泛应用于从测量、通信到功率控制和转换的许多领域。简而言之，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过使用高分辨率计数器调制方波的空间比，对特定模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在任何给定时刻，全幅直流电源要么完全可用（ON），要么完全不可用（OFF）。

(PWM)

　　电压或电流源通过（ON）或（OFF）重复脉冲序列添加到模拟负载。当直流电源被添加到负载时，当电源被切断时。只要带宽足够，就可以使用任何模拟值PWM编码。可以说，直到现在，PWM在各种应用中仍然处于领先地位，一直是研究的重点。

　　1.PWM控制的基本原理

　　理论基础：当添加具有相同脉冲和不同形状的窄脉冲时，效果基本相同。脉冲是指窄脉冲区域。效果基本相同，即链路的输出响应波形基本相同。低频段非常接近，但在高频段略有不同。

　　上述原理可以称为面积等效原理，是PWM控制技术的重要理论基础。下面的分析显示了如何用一系列相等宽度的脉冲替换正弦半波。将图1中的正弦半波N分成N个宽度相等但振幅值不同的连接脉冲序列；取而代之的是矩形脉冲，具有相等的宽度、不等的宽度、重叠的中点、相等的面积（脉冲），并且宽度根据正弦定律变化。该脉冲宽度根据正弦定律而变化，并且等同于正弦波PWM波形，也称为SPWM（正弦PWM PWM）波形。只要上述脉冲的宽度根据相同的比例系数改变等效输出正弦波的振幅值。

　　2.PWM逆变器电路及其控制

　　PWM逆变电路是应用最广泛的控制技术。绝大多数逆变器电路为PWM型。PWM控制技术在电力电子中的重要地位取决于逆变电路的应用。

　　精确计算正弦波频率、振幅值和半周脉冲数PWM波脉宽和间隔，可以通过控制逆变器电路中开关器件的通断来获得所需的脉冲PWM波形。

　　输出波形用作调制信号以获得期望的PWM波。等腰三角波或锯齿波常用作载波。等腰三角波是应用最广泛的，任何水平宽度和高度都是线性和对称的。当它与任何中等变化的调制信号波相交时，当相交控制器断开时，宽度必须与信号幅度的脉冲成比例。当调制信号波为正弦波时，获得SPWM波。调制信号不是正弦波，而是其他所需的波形，也可以获得等效的PWM波。只研究正弦波。

　　以下描述了带有IGBT的单相桥式电压逆变器电路（如图2所示）。V1和V2是互补的开/关，V3和V是互补的通/关。

　　单极调制的工作特性：在每个半周期中，同一桥臂的两个逆变器中只有一个根据脉冲序列规则断开，另一个完全过时；在另一个循环中，两个装置的工作条件相反，正负交流电通过负载Z-L。

　　双极调制的工作特性：当逆变桥工作时，同一桥臂的两个逆变器总是根据照相电压脉冲序列的规律交替接通和断开，并根据线电压的规律流过负载ZL的交流电。

　　三相PWM逆变器电路也可以采用单极和双极调制方式，控制方式与单相基本相同，这里不再赘述。

　　PWM整流电路及其控制

　　目前，几乎所有用于各个领域的整流电路都是晶闸管相控整流电路或二极管整流电路。晶闸管相控整流电路的输入电流滞后于电压，其滞后角随着触发角的增大而增大，位移因子也随之减小。同时，输入电流中的谐波分量也很大，因此功率因数很低。虽然二极管整流电路的位移因数接近1，但输入电流中的谐波分量很大，因此功率因数也很低。随着以IGBT为代表的全控器件的不断进步，逆变器电路中使用的PWM控制技术已经相当成熟。逆变器电路中的SPWM控制技术应用于整流电路，形成PWM整流电路。

　　如上所述，PWM整流器的性能必须满足以下三个要求：

　　（1）输入电流的波形必须是正弦波。

　　（2）确保电网侧的功率因数为1。

　　电流误差信号可以通过滞后回路控制每个开关器件，从而使实际的交流输入电流跟踪指令值并控制输出电压。直流控制引入交流输入电流反馈来实现闭环控制。它的电流指令运算电路比没有交流输入电流反馈的间接电流控制简单，具有快速的电流响应。电路参数不用于控制操作，系统具有良好的鲁棒性，因此得到了广泛的应用。

　　随着PWM整流器技术的发展，出现了一种新型的电路——双PWM电路。电路的整流器和逆变器部分由PWM控制。整流电路和逆变电路的组成可以相同。交流电源通过交流电抗器与整流电路相连。通过整流器电路的PWM控制，输入电流可以是正弦波并且与电源电压同相，因此输入功率因数为1，并且中间直流电路的电压是可调的。当负载是电动机时，它可以在电动运行状态或再生制动状态下工作。此外，改变输出交流电压的相序可以使电机正向或反向旋转。因此，电机可以实现四象限运行和及时的能量反馈。

　　3.总结

　　PWM控制技术广泛应用于电力电子领域，对电力电子技术产生了非常深远的影响。IGBT和MOSFET等全控器件的不断改进为PWM控制技术提供了坚实的物质基础，并促进了该技术的快速发展。

　　PWM控制技术在逆变器电路中的应用是最具代表性的。可以说，正是PWM控制技术在逆变电路中的广泛成功应用，奠定了PWM控制技术的电力电子技术的突出地位。

　　整流电路采用PWM控制技术，形成PWM整流电路。该技术可以看作是PWM技术在逆变器电路到整流器电路的扩展。PWM整流电路已经取得了一定的应用，具有良好的应用前景。这是未来研究的热点。