PWM（脈沖寬度調制）是用脈沖來輸出模擬信號的一種技術，其通過對一系列脈沖的寬度進行調制，以產生等效的目標波形，廣泛應用于測量、通信、開關電源、電機控制等領域。本文將對PWM技術的基本控制原理以及常見的電路應用進行分享。

一、PWM基本控制原理

1、理論基礎

面積等效原理：沖量相等而形狀不同的窄脈沖作用在具有慣性的環節上時，其作用效果基本相同。其中“沖量”是指窄脈沖的面積，而“效果基本相同”是指環節的輸出響應波形基本相同。

將圖中所示電壓窄脈沖，分別作用在一階慣性環節（下圖(a)）上，各窄脈沖的輸出電流i(t)響應波形如下圖（b）所示。

可以看出在最初暫態時，它們的響應波形略有差別，但后續的響應波形則完全一致。

所施加的脈沖越窄，輸出響應的波形差異越小。如果周期性地施加上述脈沖，則響應也是周期性的。用傅里葉級數進行響應信號分解后可知，響應在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。

2、控制原理

基于面積等效原理，PWM通過對一系列脈沖寬度進行調制，產生與目標波形脈沖沖量相等的窄脈沖波形，從而實現目標波形（含形狀和幅值）的等效。

這里以常用的正弦半波等效為例進行調制過程介紹：

首先，將正弦半波均等分割成N個相連的寬度相等幅值不同的脈沖。然后，用N個等幅不等寬的矩形脈沖對其進行代替，矩形脈沖的中點與相應正弦波脈沖的中點重合，且兩者面積（沖量）相等。

這樣，即可獲得與正弦半波等效的一系列PWM波形——SPWM波形，SPWM波形的脈沖寬度按正弦規律變化。

除了正弦波外，PWM技術還可對直流以及非正弦交流等波形進行等效，其基本原理與SPWM控制相同，都是基于面積等效原理。

二、PWM技術應用

PWM斬波電路與PWM逆變電路是PWM技術的最典型的兩種電路應用。

目前，實際應用的逆變電路中絕大部分是PWM型，而在直流電動機調速中PWM斬波電路得到了廣泛應用。此外，基于PWM技術的斬控式交流調壓電路和矩陣式變頻電路在交流-交流變換領域中均有應用。

下面對典型的直流斬波電路以及PWM逆變電路進行介紹。

1、直流斬波電路

常用的直流斬波電路有：Buck電路、Boost電路、Buck-Boost電路、Cuk斬波電路以及Sepic斬波電路等。

這里以Buck直流斬波電路為例進行講解，電路結構如下圖所示：

圖中：V為全控型器件，D為續流二極管。

當器件處于導通狀態時，電源向負載供電，并給電容充電，二極管電壓VD=Vin；當器件處于關斷狀態時，電容給負載供電，二極管電壓近似為0。

若周期性的給開關器件開通與關斷信號，輸出電壓波形如右圖所示。電源在導通時間ton內被接通，在關斷時間T- ton內被截斷，因此也稱為斬波。

輸出電壓的平均值為：

可見，直流斬波電路可以通過調節開關器件的開通與關斷時間，從而調節輸出電壓平均值，獲得所需的直流電壓波形。

2、PWM逆變電路

常用的PWM逆變電路控制方法有計算法與調制法兩種。其中，計算法過程繁瑣且當輸出正弦波形變化時需要重新進行計算，因此常用調制法進行PWM逆變電路控制。

下面對單相橋式逆變電路的SPWM調制過程以及三相橋式逆變電路的SVPWM調制過程進行講解。

▍單相橋式逆變電路

將期望的輸出信號作為調制信號，采用等腰三角波或鋸齒波作為載波信號，以兩種信號的交點控制開關器件的通斷，將得到一系列寬度正比于信號波幅值的PWM脈沖。

具體調制過程如下：

在調制信號ur正半周時：

開關器件V1保持導通，V2與V3保持關斷，V4根據調制波與載波之間的關系交替導通。

當|Ur|＞|Uc|時，V4開通，負載電壓Uo=Ud；當|Ur|＜|Uc|時，V4關斷，負載電流將通過二極管D3續流，此時負載電壓Uo=0。輸出電壓Uo為0和Ud電平交替的波形。

在調制信號ur負半周時：

開關器件V2保持導通，V1與V4保持關斷，V3根據調制波與載波之間的關系交替導通。

當|Ur|＞|Uc|時，V3開通，負載電壓Uo=-Ud；當|Ur|＜|Uc|時，V3關斷，D4續流，此時負載電壓Uo=0。輸出電壓Uo為0和-Ud電平交替的波形。

在調制信號波ur一個整周期內，逆變器輸出的PWM波形由±Ud和0三種電平構成。

▍三相橋式逆變電路

除了上述的SPWM正弦脈沖寬度調制技術外，SVPWM空間矢量脈寬調制技術在電機控制領域中也十分常用。

SPWM是通過在電機定子中通入相位互差120°的正弦波，從而在空間上產生一個旋轉磁動勢帶動轉子旋轉。而SVPWM的則是通過設置開關管的通斷在電機中形成一個旋轉的電壓矢量，從而產生一個旋轉的磁動勢。

SVPWM的具體實施方法如下：

電路由六個開關器件構成，上下管為一組形成三個半橋電路，同一半橋的上下橋臂不能同時導通或斷開。

定義上橋臂導通，下橋臂關斷時狀態為1，上橋臂關斷，下橋臂導通時狀態為0，則可以得到8種電壓狀態（000、100、110、010、011、001、101、111）。其中，000與111為零矢量，其他六種為非零電壓矢量，將空間電壓矢量圖劃分為6個扇區。

SVPWM的實現過程中：

首先，根據轉子的位置和采集的電流數據來確定需要給定的Uα和Uβ值，接著確定由Uα和Uβ合成的電壓U所處的扇區。

然后，根據確定的扇區選擇合成電壓U所需的電壓矢量（U1~U6），并依據矢量合成的關系計算出開關器件的保持時間。

最后，根據這些計算結果控制開關器件的通斷，以實現預期的電壓U輸出。

三、常用拓撲調制方式

若將PWM控制技術應用于不同的電力拓撲，控制信號的調制方式會有所差異。

常用的調制方式包括：移相調制、脈沖頻率調制、脈沖寬度調制、單極性倍頻調制和雙極性調制等，這些調制方式在PPEC數字電源控制芯片中均有成熟的封裝可直接應用，為數字電源研發提供了高效、穩定、可靠的解決方案。

接下來我們對部分常用電力拓撲的調制方式進行介紹：

▍移相全橋拓撲：采用移相調制方式，通過調節橋臂開關器件PWM信號的相位差（即移相角），改變原邊輸出電壓占空比，從達到調節輸出電壓的目的。

▍LC串聯諧振拓撲：采用脈沖頻率調制方式，通過控制PWM信號的頻率fs實現輸出電壓的調節。在實際應用中常工作于0~0.5倍諧振頻率fr模式以及開關頻率fs高于諧振頻率fr模式。

▍LLC諧振拓撲：常采用脈沖頻率調制方式，通過控制PWM信號的頻率fs實現輸出電壓的調節。變換器常工作于欠諧振模式、準諧振模式及過諧振模式。

▍逆變/整流拓撲：常采用單極倍頻調制及雙極性調制方式。單極倍頻調制采用兩個基波信號（ug、-ug）與載波信號交截得到兩個調制信號，兩個信號相互作用產生單極倍頻調制信號。雙極性調制信號由一個基波與載波交截產生，其波形在半個基波周期內有正有負。

▍buck-boost拓撲：常采用脈沖寬度調制（PWM）及脈沖頻率調制（PFM）方式。PWM采用恒定的開關頻率，通過調節脈沖寬度(占空比)的方法來實現輸出電壓調節。PFM通過調節開關頻率以實現輸出電壓調節。

PWM技術的基本控制原理以及常見的電路應用就分享到這里了。需要注意的是，盡管PWM控制技術簡化了電力變換過程，具有穩定性好、效率高、可靠性高等優點，但PWM技術的實現對開關器件的要求較高且電路噪聲較大。因此，在應用中大家要根據實際需求選擇合適的控制方式。