PWM

脉宽调制 (PWM)

外文名	Pulse Width Modulation
核心参数	占空比 (Duty Cycle)、频率 (Frequency)
物理基础	面积等效原理
关联硬件	IGBT、MOSFET、DSP/MCU

脉宽调制（PWM）是一种通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效获得所需波形（含形状和幅值）的控制技术。在变频器、直流电源及 LED 驱动中，PWM 是调节功率输出最有效且主流的手段。

核心原理

PWM 的数学基础是面积等效原理：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。

• 占空比 (Duty Cycle)： 脉冲导通时间 $t_{on}$ 与整个周期 $T$ 的比值。

$D=\frac{t_{on}}{T}\times 100\mathrm{\%}$

• 等效电压： 输出的平均电压 $V_{out}=V_{dc}\times D$。

常用调制方式

1. SPWM (正弦脉宽调制)： 将参考正弦波与高频三角载波进行比较，产生的脉冲序列其占空比按正弦规律变化。
2. SVPWM (电压空间矢量调制)： 相比 SPWM，其直流电压利用率更高（提升约 15%），在高功率变频器中应用极广。

PWM 与电磁兼容 (EMC)

PWM 是变频器系统中最主要的骚扰源来源：

1. 频谱特性

PWM 信号在频域上表现为丰富的谐波。其主要干扰集中在：

• 开关频率及其倍频： 通常在 2kHz - 20kHz 左右，主要影响低频传导干扰。
• 上升/下降沿产生的射频噪声： 功率器件（如 IGBT）极高的 $dv/dt$ 会通过寄生电容耦合，产生 150kHz - 30MHz 甚至更高频段的骚扰。

2. 抑制策略

• 随机 PWM (RPWM)： 通过扰动开关频率，使干扰能量从窄带谱线分散到宽带背景中，从而降低在测试频率点上的峰值。
• 驱动电阻调节： 增大栅极驱动电阻可以减缓开关速度，降低 $dv/dt$，但这会以增加开关损耗为代价。

工程应用

在您负责的 **50kW 热泵功率控制** 中，PWM 的设计需权衡以下因素：

• 载波频率选择： 频率越高，电流纹波越小，电动机噪声越低；但变频器发热越重，EMC 越难通过。
• 死区时间 (Dead-band)： 为了防止上下桥臂直通，必须在 PWM 逻辑中设置死区，但这会引入输出电压的非线性失真。

参见

• 变频器
• IGBT
• PFC
• 采样定理（PWM 采样同步问题）