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1
什么是 PWM？
PWM(Pulse Width Modulation)，即脉冲宽度调制。
脉宽调制的方法很多，主要分类如下：
②根据调制脉冲的极性，可以分为：单极性脉宽调制和双极性脉宽调制
单极性 PWM 是指在半个周期内载波只在一个方向变换，所得 PWM 波形也只在一个方向变化，而双极性 PWM 是指在半个周期内载波在两个方向变化，所得 PWM 波形也在两个方向变化。
③根据载波信号和基波信号频率之间的关系，可以分为：同步脉宽调制和异步脉宽调制
（下面会进行详细介绍）
2
PWM 基本原理
PWM 控制的重要理论依据：
在采样控制理论中有一个重要结论：冲量(脉冲的面积)相等而形状不同窄脉冲，分别加在具有惯性环节的输入端，其输出响应波形基本相同，也就是说，尽管脉冲形状不同，但只要脉冲面积相等，其作用的效果基本相同。
如下图所示：
一个正弦半波完全可以用等幅不等宽的脉冲列来等效，但必须做到正弦半波所等分的 6 块阴影面积与相对应的 6 个脉冲列的阴影面积相等，其作用的效果就基本相同。对于正弦波的负半周，用同样方法得到。
01
单相桥式 PWM 变频电路工作原理
基本电路拓扑如下图所示
设负载为电感性，控制方法可以有单极性与双极性两种。
单极性 PWM 控制：按照 PWM 控制的基本原理，如果给定了正弦波频率、幅值和半个周期内的脉冲个数，PWM 波形各脉冲的宽度和间隔就可以准确地计算出来。依据计算结果来控制逆变电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的 PWM 波形。但是这种计算很繁琐，较为实用的方法是采用调制控制，如下图所示：
把所希望输出的正弦波作为调制信号 ur，把接受调制的等腰三角形波作为载波信号 uc，对逆变桥 VT1~VT4 的控制方法如下。
①当 ur 正半周时，让 VT1 一直保持通态，VT2 保持断态。在 ur 与 uc 正极性三角波交点处控制 VT4 的通断，在 ur>uc 各区间，控制 VT4 为通态，输出负载电压 uo=UD。在 ur<uc 各区间，控制 VT4 为断态，输出负载电压 uo=0，此时负载电流可以经过 VD3 与 VT1 续流。
②当 ur 负半周时，让 VT2 一直保持通态，VT1 保持断态，在 ur 和 uc 负极性三角波交点处控制 VT3 的通断。在 ur＜uc 各区间，控制 VT3 为通态，输出负载电压 uo=-UD。在 ur＞uc 各区间，控制 VT3 为断态，输出负载电压 uo=0，此时负载电流可以经过 VD4 与 VT2 续流。
由于在这种控制方式中的 PWM 波形只能在一个方向变化，故称为单极性 PWM 控制方式。
双极性 PWM 控制：调制信号 ur 仍然是正弦波，而载波信号 uc 改为正负 2 个方向变化的等腰三角形，如下图所示：
对逆变桥 VT1~VT4 的控制方法如下：
①在 ur 正半周，当 ur＞uc 的各区间，给 VT1 和 VT4 导通信号，而给 VT2 和 VT3 关断信号，输出负载电压 uo=UD。在 ur＜uc 的各区间，给 VT2 和 VT3 导通信号，而给 VT1 和 VT4 关断信号，输出负载电压 uo=-UD。这样逆变电路输出的 uo 为 2 个方向变化等幅不等宽的脉冲列。
②在 ur 负半周，当 ur＜uc 的各区间，给 VT2 和 VT3 导通信号，而给 VT1 和 VT4 关断信号，输出负载电压 uo=-UD。当 ur＞uc 的各区间，给 VT2 和 VT4 导通信号，而给 VT2 和 VT3 关断信号，输出负载电压 uo=UD。
双极性 PWM 控制输出 uo 波形为 2 个方向变化等幅不等宽的脉冲列。同一半桥上下 2 个桥臂晶体管的驱动信号极性恰好相反，处于互补工作方式。
02
三相桥式 PWM 变频电路工作原理
基本电路拓扑如下图所示
设负载为感性，从电路结构上看，三相桥式 PWM 变频电路只能选用双极性控制方式，其工作原理如下：
三相调制信号 urU、urV 和 urW 为相位依次相差 120°的正弦波，而三相载波信号是公用一个正负方向变化的三角形波 uc。U、V 和 W 相自关断开关器件的控制方法相同，现以 U 相为例：在 urU＞uc 的各区间，给上桥臂电力晶体管 VT1 以导通驱动信号，而给下桥臂 VT4 以关断信号，于是 U 相输出电压相对直流电源 UD 中性点 N'为 uUN'＝UD/2。在 urU＜uc 的各区间，给 VT1 以关断信号，VT4 为导通信号，输出电压 uUN'=−UD/2。下图所示的 uUN'波型就是三相桥式 PWM 逆变电路，U 相输出的波形（相对 N'点）。
其他两相的控制原理与 U 相相同。在双极性 PWM 控制方式，理论上要求同一相上下 2 桥臂的开关管驱动信号相反，但实际上，为了避免上下桥臂同时导通，需要在两桥臂切换间加上一个延迟时间，这个延迟时间就是我们常说的死区时间。由于此延迟会给输出 PWM 波形带来偏离正弦波的不利影响，所以在保证安全可靠换流前提下，死区时间应尽可能取小。
3
PWM 逆变电路的调制控制方式
在 PWM 电路中，载波频率 fc 与调制信号频率 fr 之比称为载波比，即 N=fc/fr。根据载波和调制信号波是否同步，PWM 逆变电路有异步调制和同步调制两种控制方式。
01 异步调制
当载波比 N 不是 3 的整数倍时，载波与调制信号波就存在不同步的调制，就是异步调制。如 fc=10fr，载波比 N=10，不是 3 的倍数。在异步调制控制方式中，通常 fc 固定不变，逆变输出电压频率的调节是通过改变 fr 的大小来实现的，所以载波比 N 也随时跟着变化，就难以同步。
异步调制控制方式的特点：
①控制相对简单；
②在调制信号的半个周期内，输出脉冲的个数不固定，脉冲相位也不固定，正负半周的脉冲不对称，而且半周期前后 1/4 周期的脉冲也不对称，输出波形就偏离了正弦波；
③载波比 N 越大，半周期内调制的 PWM 波形脉冲数就越多，正负半周不对称和半周内前后 1/4 周期脉冲不对称的影响越小，输出波形越接近正弦波。所以在采用异步调制控制方式时，要尽量提高载波频率 fc，使不对称的影响尽量减小，输出波形更接近正弦波。
02 同步调制
在三相逆变电路中，当载波比 N 是 3 的整数倍时，载波与调制信号波能同步调制。下图给出 N=9 时的同步调制控制时的三相 PWM 波形：
在同步调制控制方式中，通常保持载波比 N 不变，若要增高逆变输出电压的频率，必须同时增高 fc 和 fr，保持载波比 N 不变，保持同步调制不变。
同步调制控制方式的特点：
①控制相对较复杂，通常采用微机控制；
②在调制信号的半个周期内，输出脉冲的个数是固定不变的，脉冲相位也是固定的。正负半周的脉冲对称，而且半个周期脉冲排列也是左右对称的，输出波形等效于正弦。
但是，当逆变电路要求输出频率 fo 很低时，由于半周期内输出脉冲的个数不变，所以由 PWM 调制而产生 fo 附近的谐波频率也相应很低，这种低频谐波不易滤除，而且会对三相异步电机造成不利影响，例如电动机噪声变大、震动加大等。为了克服同步调制控制方式低频段的缺点，通常采用"分段同步调制"的方法，即把逆变电路的输出频率范围划分成若干个频率段，每个频率段内都保持载波比为恒定，而不同频率段所取的载波比不同。
a. 在输出高频率段时，取较小的载波比，这样载波频率不至于过高，能在功率开关器件所允许的频率范围内；
b. 在输出频率为低频率段时，取较大的载波比，这样载波频率不至于过低，谐波频率也较高且幅值也小，也易于滤除，从而减小了对异步电动机的不利影响。
这样看来，同步调制方式效果比异步调制方式好，但同步调制控制方式较为复杂，一般由微机进行控制。
有的电路在输出低频率段时采用异步调制方式，而在输出高频率段时换成同步调制控制方式，这种综合调制控制方式，其效果和分段同步调制方式相接近。
今天我们就聊聊以上有关 PWM 的基本概念和原理，正在的实际使用中需要考虑到很多细节，明天我们继续聊~
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