脉冲宽度调制(PWM)技术
在电力电子变流器控制系统中，对于控制电路的要求往往是除能够控制负载的加电与断电外，还应该能够控制加载到负载上的电压高低及功率大小。

在大功率电力电子电路中，控制加载至负载上电压及功率的实用方法就是脉冲宽度调制(pulse width modulation, PWM)。

1. 面积等效原理
在控制理论中，有一个重要的原理，即冲量等效原理：大小、波形不相同的窄脉冲变量(冲量)作用在具有惯性的环节上时，只要这些变量对时间的积分相等，其作用的效果将基本相同。

这里所说的效果基本相同是指惯性环节的输出响应波形基本相同。

例如，下图1示出的三个窄脉冲电压波形分别为矩形波、三角波和正弦波，但这二个窄脉冲电压对时间的积分相等，或者说它们的面积相等。

当这三个窄脉冲分别作用在只有惯性的同一环节上时，其输出响应基本相同。

因此，冲量等效原理也可以称为面积等效原理。

从数学角度进行分析，对上图1所示的三个窄脉冲电压波形进行傅里叶变换，则其低频段的特性非常相近，仅在高频段有所不同，而高频段对于具有惯性负载的电路影响非常小。

由此进一步证明了面积等效原理的正确性。

2. 脉冲宽度调制技术
依据面积等效原理，在电路中可以利用低端电源开关或高端电源开关，以一定频率的导通和截止连续切换，使电源电压U i以一系列等幅脉冲(或称为矩形波)的形式加载到负载上，加载在负载上的电源电压Uo波形如图2所示。

图2所示的矩形波的电压平均值：
此式表明在一个脉冲周期内，电压的平均值与脉冲的占空比是成正比的，于是，可以通过改变脉冲的占空比来调整加载到负载上的电压大小。

当占空比小时，加载到负载上的平均电压就低，即加载到负载上的功率小；而占空比大时，加载到负载上的平均电压就高，加载到负载上的功率大。

这种通过等幅脉冲调节负载平均电压及功率的方法称为脉冲宽度调制，也称为斩波控制。

采用脉冲宽度调制方式为负载供电，由于供电电压是脉动的，势必会产生出各种谐波。

为了明确脉冲宽度调制技术对负载产生的影响，且考虑此分析结果便于以后章节引用，可将图2所示的等幅脉冲序列描述为
式中，G(t)为开关函数，其波形如图3所示。

在此式中，第一项DUi是等幅脉冲序列的直流成分，也即输出电压的平均值。

可见，输出电
压的平均值是随脉冲占空比D的变化而变化的，占空比D小，输出电压平均值就低，占空比D大，输出电压平均值就高。

但要注意的是，电压平均值与电压有效值是不同的，在电压幅值为Ui，脉冲占空比为D时，电压平均值为DUi，电压有效值为√DUi。

上式中第二项是等幅脉冲序列中所包含的谐波成分，它表明等幅脉冲序列中存在各次谐波，其基波的频率等于等幅脉冲序列的频率，或者说等于开关函数G(t)的频率，以后依次为二倍频、三倍频、……当开关函数G(t)的频率选得比较高时，这些谐波很容易被滤除。

脉冲宽度调制产生的输出电压中存在的谐波会对负载产生影响。

但大多数负载对于谐波有抑制作用，如白炽灯泡在脉冲频率为几十赫时，人眼便感觉不到谐波引起的闪烁；电动机的绕组中存在电感，本身便对频率较高的谐波有抑制作用，在脉冲频率为几百赫时，电机的运转基本上无抖动现象。

这样的负载在使用PWM方式进行功率调节时，开关电路的切换频率只要等于或略大于负载的频率要求，就可以收到比较好的效果，追求过高的脉冲频率对于这类负载没有太多的实际意义。

同时开关频率越高，开关元件在开关过程中产生的动态损耗就会越大，不利于电路的效率。

对于对谐波比较敏感的负载，可将脉宽调制的开关频率选得比较高，这将使谐波的频率比较高，通过一些滤波元件可方便地将谐波滤除。

还有些负载本身对脉冲的频率就有较高的要求，如开关电源的高频变压器，脉冲的频率越高，变压器的传输效率就超高，这意味着在传输同样功率的前提下，脉冲的频率越高，变压器的体积就可越小。

这类负载对于脉宽调制电路的频率有较高的要求。

脉冲宽度调制技术在功率调节电路中得以广泛的应用，其主要原因在于采用脉冲宽度
调制方法控制负载的功率时，控制电路仅工作于开关状态，控制器件的功耗很低，非常易于实现。

尤其是大功率负载，无论在电源的转换效率上，还是在系统的简易程度上，采用脉冲宽度调制方式进行功率调节均是首选的。

脉冲宽度调制技术对于开关电路的工作速度有比较高的要求，这由两个因索决定：一是脉冲的频率，显然，脉冲的频率越高，要求开关电路的工作速度越快。

二是脉冲的占空比，在脉冲的占空比很小时或脉冲的占空比很大时，如图4所示，两次开关动作的时间间隔很短，要求开关电路行足够快的切换速度。

开关电路的工作频率与使用的开关器件有很大关系，目前，小功率脉冲宽度调制电路的工作频率可做到1MHz以上，但对于大功率电路，功率器件的开关工作频率则相对较低，双极型功率三极管GTR只能达到几千赫，IGBT器件可达到几十千赫，速度最高的功率MOSFET 在大功率条件下也仅能达到二百千赫左右。

3. 脉冲宽度调制的基本控制技术
脉冲宽度调制电路的基本形式如图5所示。

电路中最主要的部分是一个锯齿波或三角波发生器及一个电压比较器。

锯齿波或三角波的频率决定了产生的脉冲调制波的频率。

利用电压比较器对输入的调节电压与锯齿波或三角波电压相比较，当输入的调节电压大于锯齿波或三角波电压时，电压比较器输出高电平，当输入的调节电压小于锯齿波或三角波电压时，电压比较器输出低电平。

脉冲宽度调制的电压波形如图5(b)所示。

由图可见，随着输入调节电压高低的变化，就可调制出宽度不同的脉冲信号。

输入的调节电压升高，输出的脉冲宽度信号就变宽，脉冲的占空比升高；输入的调节电压降低，输出的脉冲宽度信号就变窄，脉冲的占空比降低。

这种脉冲宽度调制方式称为正向调制方式。

将利用正向调制方式产生的脉冲宽
度信号控制开关电路，就可通过调节输入调节电压的高低，改变加载至负载的电压波形占空比，也即改变加载至负载的电压平均值。

上述的脉冲宽度调制方式主要是采用模拟电路实现的。

由于模拟电路的抗干扰能力比较弱，电路的精度也比较低，因此，目前在很多领域采用数字方式的脉冲宽度调制，即利用数字电路、单片机和其他微控制器实现脉冲宽度调制。

采用数字方式的脉冲宽度调制无论在精度上还是在抗干扰能力上均强于模拟方式。

如果将图5(a)所示电路的电压比较器的正负输入端反接，就可得图6(a)所示电路。

此电路的脉冲宽度调制情况如图6(b)所示。

由图可见，随着输入的调节电压升高，输出的脉冲宽度信号将变窄，脉冲的占空比降低；输入的调节电压降低，输出的脉冲宽度信号反而变宽，脉冲的占空比升高。

这种脉冲宽度调制方式称为负向调制方式。

负向脉冲宽度调制方式一般用于输出电压需要自动稳定的系统。

可将输出到负载上的电压反馈回输入端作为调节电压，当负载电压升高时，电路自动使输出的脉冲宽度信号变窄，降低负载上的电压；当负载电压降低时，电路又自动使输出的脉冲宽度信号变宽，提升负载上的电压。

于是，负载上的电压将得以稳定。