PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）是一种通过调整脉冲序列的占空比来控制平均电压或电流的技术，其核心思想是：在一个固定的周期内，通过改变高电平（或低电平）的持续时间（即脉冲宽度），来改变输出信号的平均值。
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PWM技术种类繁多,可以从不同角度进行分类，最常见的分类方式是根据载波信号和调制信号的关系来划分，主要包括以下几种：
按调制原理分类（最核心的分类）
这是理解PWM技术差异最关键的方式。
正弦脉宽调制
SPWM是应用最广泛、最重要的一种PWM技术，尤其是在交流电机控制、不间断电源和逆变器等领域。
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原理：
（图片来源网络，侵删）- 载波信号：一个高频的等腰三角波（或锯齿波）。
- 调制信号：一个低频的正弦波（期望输出的波形）。
- 调制过程：将正弦波与三角波进行比较，在任意时刻，如果正弦波的瞬时值大于三角波的瞬时值，则输出高电平；反之，则输出低电平。
- 结果：生成了一系列脉冲宽度按正弦规律变化的PWM波，这些脉冲的“面积”与正弦波的瞬时值成正比，经过低通滤波后，可以得到平滑的正弦波输出。
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特点：
- 优点：输出波形非常接近正弦波，谐波含量少，滤波器设计简单，效率高。
- 缺点：计算和实现相对复杂（尤其是在数字控制器中）。
- 应用：交流电机变频调速、UPS、逆变器、光伏并网逆变器等。
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示意图：
想象一条平滑的正弦曲线（调制波）在一条频率更高、振幅固定的三角波（载波）上下波动，它们相交的点，就决定了PWM脉冲的边沿，正弦波的峰值处，脉冲最宽；过零点处，脉冲最窄。
空间矢量脉宽调制
SVPWM是另一种在电机驱动领域（尤其是三相永磁同步电机和无刷直流电机）非常高效的调制技术，可以看作是SPWM的一种优化。
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原理：
- 它不直接使用正弦波和三角波进行比较,而是基于电机定子磁链圆轨迹的概念。
- 它将三相逆变器桥臂的8种开关状态（6个有效矢量和2个零矢量）映射到复平面上。
- 通过在一个开关周期内,合成出期望的电压矢量，并合理分配不同基本电压矢量的作用时间，来产生逼近圆形的磁链轨迹。
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特点：
- 优点：
- 直流母线电压利用率更高：比SPWM高约15.5%，这意味着在相同的母线电压下，可以输出更大的相电压。
- 电流谐波更小：电机相电流的波形更接近正弦波，转矩脉动更小。
- 计算更直接：与电机控制中的磁场定向控制算法结合更紧密。
- 缺点：算法比SPWM更复杂，理解起来需要一定的电机和矢量空间知识。
- 应用：高性能三相电机驱动、电动汽车、工业机器人等。
- 优点：
基于谐波的PWM技术
这类技术旨在通过特定的开关策略,主动消除或削弱某些特定的低次谐波，从而简化滤波器设计。
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原理：
- 它不是简单地用一个正弦波去调制,而是预先计算出一系列特定的脉冲开关时刻。
- 这些开关时刻的安排使得PWM波频谱中,某些特定的低次谐波（如5次、7次、11次、13次等）的幅值为零。
- 最著名的例子是特定谐波消除PWM，通过求解非线性方程组来确定开关角。
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特点：
- 优点：可以精确消除特定谐波，降低滤波器成本和体积。
- 缺点：开关角度依赖于输出基波幅值和频率，计算非常复杂，动态响应慢。
- 应用：主要用于大功率、对波形质量要求极高的场合，如大功率变频器、高压直流输电。
电流控制PWM
这类技术的控制目标是直接控制输出电流的波形,而不是电压。
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原理：
- 它采用双闭环控制,外环是速度环或位置环，内环是电流环。
- 它会实时检测负载电流,并将其与一个参考电流（如正弦波）进行比较。
- 根据电流误差,通过滞环比较器或瞬时值比较器来生成PWM信号，强制实际电流快速跟踪参考电流。
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常见子类：
- 滞环电流控制：设定一个电流误差带，当实际电流超出上限时，关断开关；当低于下限时，导通开关，控制简单，响应快，但开关频率不固定。
- 瞬时值比较控制：使用一个固定的载波（如三角波）与电流误差信号进行比较，生成PWM，开关频率固定，但电流跟踪的动态性能略逊于滞环控制。
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特点：
- 优点：对负载变化不敏感，动态响应极快，过流保护能力强。
- 缺点：滞环控制开关频率不固定，可能产生音频噪声；瞬时值控制算法相对复杂。
- 应用：对动态性能要求极高的场合，如交流伺服系统、开关磁阻电机控制。
按载波类型分类
这是一个更基础的分类维度,很多技术都基于此。
对称PWM
- 原理：在一个PWM周期内，脉冲的中心线与周期的中心线重合，脉冲的前后沿相对于中心点是对称的。
- 特点：输出波形中的偶次谐波被有效抑制，谐波特性较好。
- 应用：这是最常用的一种方式，SPWM和SVPWM通常都采用对称PWM。
不对称PWM
- 原理：脉冲的中心线与周期的中心线不重合，脉冲的前沿或后沿在相邻的周期内会发生偏移。
- 特点：可以提供更高的开关频率，从而获得更好的动态响应和更小的电流纹波。
- 应用：对动态性能要求更高的场合。
相位交错PWM
- 原理：将多个PWM逆变器（如两个或三个）的载波信号进行相位错开（一个0°，另一个180°）。
- 特点：输入输出电流的纹波频率翻倍，而单个开关器件的开关频率不变，这大大减小了滤波器的体积和损耗。
- 应用：大功率电源、电动汽车充电桩、光伏逆变器等，以减小电流纹波和提高功率密度。
按输出电平数分类
这主要取决于逆变器的拓扑结构。
两电平PWM
- 原理：最基本的形式，每个桥臂只有两种输出状态：+Vdc/2 或 -Vdc/2。
- 特点：结构简单，控制方便。
- 应用：绝大多数中小功率的变频器和电机驱动。
多电平PWM
- 原理：通过更复杂的拓扑（如二极管钳位型、电容钳位型、H桥级联型），使每个桥臂能输出三种或更多种电平（如 -Vdc/2, 0, +Vdc/2）。
- 特点：
- 输出电压阶梯更多,波形更接近正弦波，谐波含量极低。
- 器件承受的电压应力更小,适用于高压大功率应用。
- 应用：高压电机驱动、电网STATCOM、大功率UPS等。
总结与对比
| 技术名称 | 核心原理 | 优点 | 缺点 | 主要应用领域 |
|---|---|---|---|---|
| SPWM | 正弦波与三角波比较，脉冲宽度按正弦规律变化 | 输出波形好，谐波少，应用最广泛 | 计算相对复杂，电压利用率一般 | 通用变频器、UPS、逆变器 |
| SVPWM | 矢量合成，逼近圆形磁链轨迹 | 电压利用率高，电流谐波小，转矩脉动小 | 算法复杂，理解门槛高 | 高性能电机驱动、电动汽车 |
| HEPWM | 预设开关角，消除特定谐波 | 可精确消除谐波，简化滤波 | 计算极其复杂，动态响应差 | 大功率、高要求变频器 |
| 电流控制PWM | 直接控制电流波形跟踪参考值 | 动态响应快，抗负载扰动能力强 | 滞环控制频率不固定 | 伺服系统、开关磁阻电机 |
| 两电平PWM | 每个桥臂输出两种电平 | 结构简单，成本低 | 谐波相对较大，不适合高压 | 中小功率通用场合 |
| 多电平PWM | 每个桥臂输出多种电平 | 波形质量极高，适合高压大功率 | 拓扑复杂，成本高，控制难 | 高压电机、电网补偿 |
选择哪种PWM技术,取决于具体的应用需求，如功率等级、成本要求、动态性能指标、输出波形质量等，在现代电力电子和电机控制领域，SPWM和SVPWM是绝对的主流。
