0 引言

電力電子技術作為一門新興的高科技學科，起始于上世紀50年代末硅整流器件的誕生。上世紀80年代末期和90年代初期，以MOSFET和IGBT為代表的，集高頻、高壓和大電流于一身的功率半導體復合器件的出現，表明傳統電力電子技術已經進入現代電力電子技術時代。采用電力半導體器件構成的各種開關電路，按

一定的規律，實時的控制器件的工作，可以實現開關型電力變換和控制，已被廣泛地應用于高品質交直流電源、電力系統、變頻調速、新能源發電及各種工業與民用電器等領域，成為現代高科技領域的支撐技術。當前電力電子技術的發展趨勢是高電壓大容量化、高頻化、主電路及保護控制電路模塊化、產品小型化、智能化和低成本化。大力加強電力電子技術的應用研究，對改造傳統設備、實現產品的更新換代和增加產品的科技含量、解決關系國民經濟與安全的高新技術具有重大的經濟及戰略意義。

PWM控制技術已逐漸成熟，通過其對半導體電力器件的導通和關斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的規則對各脈沖的寬度進行調制，既可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。這在全控型開關器件的逆變器中得到廣泛應用，已有各種單相(如SG3524)，三相PWM(如HEF4752)和SPWM 集成芯片(如SA828)隨著電力電子技術及大規模集成電路的發展，PWM調壓技術得到了廣泛的應用，特別是以PWM為基礎構成的變頻系統，以結構簡單，運行可靠，節能效果顯著等突出優點在生產、生活領域內得到了廣泛應用。為此，本文結合高校《電力電子技術》課程的實踐環節，幫助學生掌握PWM控制技術的應用，介紹PWM調壓技術的一種實現方法。該方案采用集成脈寬調制電路芯片SG3524 產生PWM 波，通過驅動集成電路IR2110，驅動逆變橋實現調壓。該電路結構緊湊、安全可靠、易于調試。

1 PWM技術的多種實現方法

采樣控制理論中有一個重要結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。PWM 控制技術就是以該結論為理論基礎，到目前為止，已出現了多種PWM控制技術。根據PWM控制技術的特點，可以劃分為多種方法。

1.1 等脈寬PWM 法

VVVF(Variable Voltage Variable Frequency)早期是基于PAM(Pulse Amplitude Modulation)控制技術實現的，其逆變器部分只能輸出頻率可調的方波電壓而不能調壓。等脈寬PWM 法正是為了克服PAM法的這個缺點發展而來的，是PWM法中最為簡單的一種。它是把每一脈沖的寬度均相等的脈沖列作為PWM波，通過改變脈沖列的周期以調頻，該方法的優點是簡化了電路結構，提高了輸入端的功率因數，但同時也存在輸出電壓中除基波外，還包含較大的諧波分量。

1.2 SPWM法

SPWM(Sinusoidal PWM)法是一種比較成熟的、使用較廣泛的PWM法。前面提到的采樣控制理論中的一個重要結論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。SPWM法就是以該結論為理論基礎，用脈沖寬度按正弦規律變化，而與正弦波等效的PWM 波形即SPWM 波形控制逆變電路中開關器件的通斷，使其輸出的脈沖電壓的面積與所希望輸出的正弦波在相應區間內的面積相等，通過改變調制波的頻率和幅值，調節逆變輸出電壓的頻率和幅值。該方法的實現有幾種方案。

1)等面積法實際上是SPWM 法原理的直接闡釋。用同樣數量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替正弦波，然后計算各脈沖的寬度和間隔，并把這些數據存于微機中，通過查表的方式生成PWM信號控制開關器件的通斷，以達到預期的目的。由于此方法是以SPWM 控制的基本原理為出發點，可以準確地計算出各開關器件的通斷時刻，其所得的的波形很接近正弦波，但其存在計算繁瑣，數據占用內存大，不能實時控制的缺點。

2)硬件調制法是為解決等面積法計算繁瑣的缺點而提出的，其原理就是把所希望的波形作為調制信號，把接受調制的信號作為載波，通過對載波的調制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作為載波，當調制信號波為正弦波時，所得到的就是SPWM 波形。其實現方法簡單，可以用模擬電路構成三角波載波和正弦調制波發生電路，用比較器來確定它們的交點，在交點時刻對開關器件的通斷進行控制，就可以生成SPWM波。但是，這種模擬電路結構復雜，難以實現精確的控制。

3)軟件生成法由于微機技術的發展使得用軟件生成SPWM 波形變得比較容易，因此，軟件生成法也就應運而生。軟件生成法是用軟件來實現調制的方法，有兩種基本算法，即自然采樣法和規則采樣法。

(1)自然采樣法以正弦波為調制波，等腰三角波為載波進行比較，在兩個波形的自然交點時刻控制開關器件的通斷，即自然采樣法。其優點是所得SPWM波形最接近正弦波。但由于三角波與正弦波交點有任意性，脈沖中心在一個周期內不等距，從而脈寬表達式是一個超越方程，計算繁瑣，難以實時控制。

(2)規則采樣法規則采樣法是一種應用較廣的工程實用方法。一般采用三角波作為載波。其原理就是用三角波對正弦波進行采樣得到階梯波，再以階梯波與三角波的交點時刻控制開關器件的通斷，從而實現SPWM法。當三角波只在其頂點(或底點)位置對正弦波進行采樣時，由階梯波與三角波的交點所確定的脈寬，在一個載波周期(即采樣周期)內的位置是對稱的，這種方法稱為對稱規則采樣。當三角波既在其頂點又在底點時刻對正弦波進行采樣時，由階梯波與三角波的交點所確定的脈寬，在一個載波周期(為采樣周期的2倍)內的位置一般并不對稱，這種方法稱為非對稱規則采樣。規則采樣法是對自然采樣法的改進，其主要優點是計算簡單，便于在線實時運算，其中非對稱規則采樣法因階數多而更接近正弦。其缺點是直流電壓利用率較低，線性控制范圍較小。兩方法均適用于同步調制方式。

4)低次諧波消去法低次諧波消去法是以消去PWM波形中某些主要的低次諧波為目的的方法。其原理是對輸出電壓波形按傅氏級數展開，表示為u(棕t)=An sin(n棕t)，首先確定基波分量A1的值，再令兩個不同的An=0，就可以建立三個方程，聯立求解得A1，A2及A3，這樣就可以消去兩個頻率的諧波。該方法雖然可以很好地消除所指定的低次諧波。但是，剩余未消去的較低次諧波的幅值可能會相當大，而且同樣存在計算復雜的缺點。該方法同樣只適用于同步的調制方法。

1.3 線電壓控制PWM

主要包括馬鞍形波和三角波比較法，也就是諧波注入PWM 方式(HIPWM)，其原理是在正弦波中加入一定比例的三次諧波，調制信號便呈現出馬鞍形，而且幅值明顯降低，于是在調制信號的幅值不超過載波幅值的情況下，可以使基波幅值超過三角波幅值，提高了直流電壓利用率。在三相無中線系統中，由于三次諧波電流無通路，所以三個線電壓和線電流中均不含三次諧波。除了可以注入三次諧波以外，還可以注入其他3倍頻于正弦波信號的其他波形，這些信號都不會影響線電壓。這是因為，經過PWM調制后，逆變電路輸出的相電壓也必然包含相應的3倍頻于正弦波信號的諧波，但在合成線電壓時，各相電壓中的這些諧波將互相抵消，從而使線電壓仍為正弦波。

1.4 電流控制PWM

電流控制PWM 的基本思想是把希望輸出的電流波形作為指令信號，把實際的電流波形作為反饋信號，通過兩者瞬時值的比較來決定各開關器件的通斷，使實際輸出隨指令信號的改變而改變。其實現方案主要有以下3種。

1)滯環比較法[4] 一種帶反饋的PWM 控制方式，即每相電流反饋信號與電流給定值經滯環比較器，得出相應橋臂開關器件的開關狀態，使得實際電流跟蹤給定電流的變化。該方法的優點是電路簡單，動態性能好，輸出電壓不含特定頻率的諧波分量。其缺點是開關頻率不固定造成較為嚴重的噪音，和其他方法相比，在同一開關頻率下輸出電流中所含的諧波較多。

2)三角波比較法與SPWM法中的三角波比較方式不同，這里是把指令電流與實際輸出電流進行比較，求出偏差電流，通過放大器放大后再和三角波進行比較，產生PWM波。此時開關頻率一定，因而克服了滯環比較法頻率不固定的缺點。但是，這種方式的電流響應不如滯環比較法快。

3)預測電流控制法[6] 在每個調節周期開始，根據實際電流誤差，負載參數及其他負載變量，來預測電流誤差矢量趨勢，因此，下一個調節周期由PWM產生的電壓矢量必將減小所預測的誤差。該方法的優點是，若給調節器除誤差外更多的信息，則可獲得比較快速、準確的響應。目前，這類調節器的局限性是響應速度及過程模型系數參數的準確性。

1.5 空間電壓矢量控制PWM

空間電壓矢量控制PWM(SVPWM)也叫磁通正弦PWM法。它以三相波形整體生成效果為前提，以逼近電機氣隙的理想圓形旋轉磁場軌跡為目的，用逆變器不同的開關模式所產生的實際磁通去逼近基準圓磁通，由它們的比較結果決定逆變器的開關，形成PWM 波形。此法從電動機的角度出發，把逆變器和電機看作一個整體，以內切多邊形逼近圓的方式進行控制，使電機獲得幅值恒定的圓形磁場(正弦磁通)。

具體方法又分為磁通開環式和磁通閉環式。磁通開環法用兩個非零矢量和一個零矢量合成一個等效的電壓矢量，若采樣時間足夠小，可合成任意電壓矢量。此法輸出電壓比正弦波調制時提高15%，諧波電流有效值之和接近最小。磁通閉環式引入磁通反饋，控制磁通的大小和變化的速度，在比較估算磁通和給定磁通后，根據誤差決定產生下一個電壓失量，形成PWM波形。這種方法克服了磁通開環法的不足，解決了電機低速時，定子電阻影響大的問題，減小了電機的脈動和噪音，但由于未引入轉矩的調節，系統性能沒有得到根本性的改善。

1.6 失量控制PWM

矢量控制也稱磁場定向控制，其原理是將異步電動機在三相坐標系下的定子電流Ia、Ib及Ic，通過三相/兩相變換，等效成兩相靜止坐標系下的交流電流Ia1 及Ib1 ，再通過按轉子磁場定向旋轉變換，等效成同步旋轉坐標下的直流電流Im1及It1(Im1相當于直流電動機的勵磁電流;It1相當于與轉矩成正比的電樞電流)，然后模仿對直流電動機的控制方法，實現對交流電動機的控制。其實質是將交流電動機等效為直流電動機，分別對速度、磁場兩個分量進行獨立控制。通過控制轉子磁鏈，然后分解定子電流而獲得轉矩和磁場兩個分量，經坐標變換，實現正交或解耦控制。

但是，由于轉子磁鏈難以準確觀測，以及矢量變換的復雜性，使得實際控制效果往往難以達到理論分析的效果，這是矢量控制技術在實踐上的不足。此外，它必須直接或間接地得到轉子磁鏈在空間上的位置才能實現定子電流解耦控制，在這種矢量控制系統中需要配置轉子位置或速度傳感器，這顯然給許多應用場合帶來不便。

1.7 直接轉矩控制PWM

1985 年德國魯爾大學Depenbrock 教授首先提出直接轉矩控制理論(Direct Torque Control，簡稱DTC)。直接轉矩控制與矢量控制不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉矩，而是把轉矩直接作為被控量來控制，它也不需要解耦電機模型，而是在靜止的坐標系中計算電機磁通和轉矩的實際值，然后，經磁鏈和轉矩的Band-Band 控制產生PWM信號對逆變器的開關狀態進行最佳控制，從而在很大程度上解決了上述矢量控制的不足，能方便地實現無速度傳感器的控制，有很快的轉矩響應速度和很高的速度及轉矩控制精度，并以新穎的控制思想、簡潔明了的系統結構、優良的動靜態性能得到了迅速發展。直接轉矩控制也存在缺點，如逆變器開關頻率的提高有限制。

1.8 非線性控制PWM

單周控制法又稱積分復位控制(Integration Re原set Control，簡稱IRC)，是一種新型非線性控制技術，其基本思想是控制開關占空比，在每個周期使開關變量的平均值與控制參考電壓相等或成一定比例。該技術同時具有調制和控制的雙重性，通過復位開關、積分器、觸發電路、比較器達到跟蹤指令信號的目的。單周控制器由控制器、比較器、積分器及時鐘組成，其中控制器可以是RS 觸發器，其控制原理如圖1所示。圖中K可以是任何物理開關，也可是其他可轉化為開關變量形式的抽象信號。

傳統的PWM 逆變電路中，單周控制在控制電路中不需要誤差綜合，它能在一個周期內自動消除穩態、瞬態誤差，使前一周期的誤差不會帶到下一周期。雖然硬件電路較復雜，但其克服了傳統的PWM控制方法的不足，適用于各種脈寬調制軟開關逆變器，具有反應快、開關頻率恒定、魯棒性強等優點，此外，單周控制還能優化系統響應、減小畸變和抑制電源干擾，是一種很有前途的控制方法。

1.9 諧振軟開關PWM

電力電子器件硬開關大的開關電壓電流應力以及高的du/dt和di/dt限制了開關器件工作頻率的提高，而高頻化是電力電子的主要發展趨勢之一，它能使變換器體積減小、重量減輕、成本下降、性能提高，特別當開關頻率在18 kHz以上時，噪聲已超過人類聽覺范圍，使無噪聲傳動系統成為可能。諧振軟開關PWM的基本思想是在常規PWM變換器拓撲的基礎上，附加一個諧振網絡，諧振網絡一般由諧振電感、諧振電容和功率開關組成。開關轉換時，諧振網絡工作使電力電子器件在開關點上實現軟開關過程，諧振過程極短，基本不影響PWM技術的實現。從而既保持了PWM技術的特點，又實現了軟開關技術。但由于諧振網絡在電路中的存在必然會產生諧振損耗，并使電路受固有問題的影響，從而限制了該方法的應用。

2 系統統計和工作原理

圖2給出了系統主電路和控制電路框圖，交流輸入電壓(500 Hz/220 V)經過整流橋整流后，得到一個直流電壓。DC/AC 變換采用全橋變換電路，通過控制電路控制其逆變電路的導通時間，過流保護采用快速熔斷器，過電壓保護采用由電流互感器和電壓比較器LM324構成的過電壓檢測電路。

2.1 SG3524的功能及引腳

SG3524是雙端輸出式脈寬調制器，工作頻率高于100 kHz，工作溫度為0~70 益，適宜構成100~500 W中功率推挽輸出開關電源。SG3524采用DIP-16型封裝，管腳排列和內部結構如圖3所示。