引言：PWM技术在现代电力电子中的核心地位

脉宽调制（Pulse Width Modulation, PWM）技术是现代电力电子技术的基石，尤其在交流电压控制领域发挥着不可替代的作用。随着半导体技术的飞速发展，PWM控制器已经从简单的模拟电路演变为高度集成的数字控制系统，广泛应用于电机驱动、不间断电源（UPS）、可再生能源发电、家用电器等领域。

本文将从基础理论出发，深入剖析PWM交流电压控制器的工作原理、关键参数设计、控制策略，并通过详尽的实例展示其在实际工程中的应用，帮助读者全面掌握这一核心技术。

第一部分：PWM基础理论

1.1 PWM基本概念与工作原理

脉宽调制（PWM） 是一种通过改变脉冲宽度来控制输出电压或功率的技术。其核心思想是在固定的开关周期内，通过调节导通时间（Ton）与关断时间（Toff）的比例，即占空比（Duty Cycle），来等效控制输出电压的平均值。

1.1.1 PWM波形的数学表达

对于一个理想的PWM波形，其输出电压的平均值 \(V_{avg}\) 可以表示为：

\[V_{avg} = D \times V_{in}\]

其中：

  • \(D\) 是占空比，定义为导通时间与周期的比值：\(D = \frac{T_{on}}{T}\)
  • \(V_{in}\) 是输入直流电压
  • \(T\) 是PWM周期，\(T = \frac{1}{f_{sw}}\)，\(f_{sw}\) 为开关频率

1.1.2 交流PWM控制的特殊性

与直流PWM不同，交流电压控制需要输出电压的极性可变。这通常通过全桥逆变电路实现，采用双极性PWM或单极性PWM策略。

双极性PWM：在每个PWM周期内，输出电压在 \(+V_{in}\) 和 \(-V_{in}\) 之间切换。其输出电压的基波分量幅值为：

\[V_{ac\_rms} = \frac{V_{in}}{\sqrt{2}} \times \frac{M}{\sqrt{2}} = \frac{V_{in} \times M}{2}\]

其中 \(M\) 是调制比（Modulation Index），定义为参考正弦波幅值与三角载波幅值之比。

1.2 PWM的关键参数

  1. 开关频率（Switching Frequency）：决定了PWM波形的细腻程度和系统动态响应速度。频率越高，输出波形质量越好，但开关损耗也越大。
  2. 载波比（Carrier Ratio）：定义为载波频率与调制波频率之比。载波比越高，输出电压的谐波含量越低。
  3. 调制比（Modulation Index）：控制输出电压幅值的关键参数。

第二部分：PWM交流电压控制器的核心原理

2.1 交流PWM调制技术详解

2.1.1 正弦脉宽调制（SPWM）

SPWM是最经典的交流PWM技术，通过将正弦调制波与三角载波比较生成PWM信号。

SPWM生成原理：

  • 将频率为 \(f_m\) 的正弦波（调制波）与频率为 \(f_c\) 的三角波（载波）进行比较
  • 当正弦波 > 三角波时，输出高电平；反之输出低电平
  • 通过改变正弦波的幅值（调制比 \(M\)）来调节输出电压

SPWM的数学表达： 对于单相全桥逆变器，输出电压 \(v_o(t)\) 可表示为：

\[v_o(t) = M \cdot V_{in} \cdot \sin(\omega_m t) + \text{谐波分量}\]

其中 \(\omega_m = 2\pi f_m\) 为调制波角频率。

2.1.2 空间矢量脉宽调制（SVPWM）

SVPWM是三相系统中更先进的调制技术，通过将三相电压合成为空间矢量进行控制，具有更高的直流电压利用率（比SPWM高15.47%）和更优的谐波性能。

SVPWM基本原理：

  • 将三相电压表示为复平面上的空间矢量
  • 8个基本电压矢量（6个有效矢量+2个零矢量）构成矢量空间
  • 通过在一个PWM周期内组合这些矢量，合成任意期望的电压矢量

2.2 PWM交流电压控制的拓扑结构

2.2.1 单相全桥逆变器

      +Vdc
        |
      +---+
      |   |
      |   | Q1
      |   |
      +---+
        |
  Q2    |    Q3
        |
      +---+
      |   |
      |   | Q4
      |   |
      +---+
        |
      -Vdc

工作模式：

  • Q1/Q4导通：输出 \(+V_{dc}\)
  • Q2/Q3导通：输出 \(-V_{dc}\)
  • Q1/Q3或Q2/Q4导通：输出0（死区时间）

2.2.2 三相桥式逆变器

三相逆变器由三个相同的单相桥臂组成，每个桥臂输出一相电压。通过SVPWM或SPWM控制，可生成三相对称的交流电压。

2.3 调制策略对比

调制方式 电压利用率 谐波特性 实现复杂度 适用场景
SPWM 0.707Vdc 较好 简单 通用逆变器
SVPWM 0.816Vdc 优 较复杂 高性能电机驱动
THIPWM 0.816Vdc 优 复杂 特殊谐波抑制需求

第三部分：PWM控制器的硬件实现

3.1 模拟PWM控制器

早期的PWM控制器采用纯模拟电路实现，主要由三角波发生器、正弦波发生器和比较器组成。

电路结构：

  • 三角波发生器：使用运放构成的积分电路和施密特触发器
  • 正弦波发生器：文氏桥振荡器或DDS芯片
  • 比较器：高速比较器（如LM311）生成PWM信号

优点：响应快、成本低 缺点：参数漂移、灵活性差、难以实现复杂算法

3.2 数字PWM控制器

现代PWM控制器几乎全部采用数字实现，主要基于微控制器（MCU）、数字信号处理器（DSP）或现场可编程门阵列（FPGA）。

3.2.1 基于MCU的PWM实现

以STM32系列MCU为例，其高级定时器（TIM1/TIM8）可配置为PWM输出模式。

STM32 PWM配置代码示例（基于HAL库）：

#include "stm32f4xx_hal.h"

TIM_HandleTypeDef htim1;
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC;

void MX_TIM1_Init(void)
{
    TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0};
    TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};
    
    htim1.Instance = TIM1;
    htim1.Init.Prescaler = 0;  // 不分频
    htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim1.Init.Period = 1999;  // 周期 = (1999+1)/PWM频率
    htim1.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    htim1.Init.RepetitionCounter = 0;
    HAL_TIM_Base_Init(&htim1);
    
    // PWM通道配置
    sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
    sConfigOC.Pulse = 1000;    // 初始占空比50%
    sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
    sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
    sConfigOC.OCNPolarity = TIM_OCNPOLARITY_HIGH;
    sConfigOC.OCIdleState = TIM_OCIDLESTATE_RESET;
    sConfigOC.OCNIdleState = TIM_OCNIDLESTATE_RESET;
    
    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
}

// 动态调整占空比
void Set_PWM_Duty(uint16_t duty)
{
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, duty);
}

3.2.2 基于DSP的SPWM实现

DSP（如TI的TMS320F28335）具有强大的数学运算能力，适合实现复杂的SPWM算法。

TMS320F28335 SPWM实现代码：

#include "DSP28x_Project.h"

#define PWM_FREQ 20000.0f      // 20kHz开关频率
#define CARRIER_FREQ 50.0f     // 50Hz调制波频率
#define AMPLITUDE 0.9f         // 调制比
#define DEAD_TIME 2.0f         // 死区时间(us)

// 正弦表（256点）
float sin_table[256];
float sin_ptr = 0.0f;
float sin_inc = 0.0f;

void Init_Sin_Table(void)
{
    int i;
    for(i=0;0<256;i++)
        sin_table[i] = sin(2*3.1415926*i/256);
}

void Init_PWM(void)
{
    EALLOW;
    SysCtrlRegs.PCLKCR0.bit.TBCLKEN = 1;
    EDIS;
    
    // 配置PWM1
    EPwm1Regs.TBPRD = (Uint16)(150000000.0 / PWM_FREQ / 2); // 150MHz时钟
    EPwm1Regs.TBCTL.bit.CTRMODE = TB_COUNT_UPDOWN;
    EPwm1Regs.TBCTL.bit.PHSEN = TB_DISABLE;
    EPwm1Regs.TBCTL.bit.SYNCOSEL = TB_SYNC_DISABLE;
    
    // 比较值配置
    EPwm1Regs.CMPA.half.CMPA = EPwm1Regs.TBPRD / 2;
    
    // 动作配置
    EPwm1Regs.AQCTLA.bit.CAU = AQ_SET;    // CNT=CMPA时置高
    EPwm1Regs.AQCTLA.bit.CAD = AQ_CLEAR;  // CNT=CMPA时置低
    
    // 死区配置
    EPwm1Regs.DBRED = (Uint16)(150.0 * DEAD_TIME); // 150MHz时钟
    EPwm1Regs.DBFED = (Uint16)(150.0 * DEAD_TIME);
    EPwm1Regs.DBCTL.bit.OUT_MODE = DB_FULL_ENABLE;
    EPwm1Regs.DBCTL.bit.POLSEL = DB_ACTV_HIC;
}

// SPWM中断服务程序（周期更新）
__interrupt void EPWM1_IRQHandler(void)
{
    // 更新正弦指针
    sin_ptr += sin_inc;
    if(sin_ptr >= 256.0f) sin_ptr -= 256.0f;
    
    // 计算正弦值并映射到PWM比较值
    uint16_t sin_index = (uint16_t)sin_ptr;
    float sin_val = sin_table[sin_index];
    
    // 调制计算：中心对齐PWM
    float duty = 0.5f + (AMPLITUDE * sin_val) / 2.0f;
    uint16_t cmp_val = (uint16_t)(EPwm1Regs.TBPRD * duty);
    
    EPwm1Regs.CMPA.half.CMPA = cmp_val;
    
    // 清除中断标志
    EPwm1Regs.ETCLR.bit.INT = 1;
    PieCtrlRegs.PIEACK.all = PIEACK_GROUP3;
}

3.3 专用PWM控制器IC

对于简单应用，可使用专用PWM控制器IC，如：

  • TL494：经典PWM控制器，适用于开关电源
  • SG3525：增强型PWM控制器，带软启动和死区控制
  1. UCC28C4x：高速CMOS PWM控制器，适用于高频应用

第四部分：PWM交流电压控制的软件算法

4.1 SPWM算法实现

4.1.1 规则采样法

规则采样法是一种高效的SPWM波形生成方法，通过在采样点计算占空比，减少实时计算量。

算法步骤：

  1. 确定采样周期 \(T_s = \frac{1}{f_{sw}}\)
  2. 在每个采样点计算正弦值：\(sin(\omega t_k)\)
  3. 计算占空比：\(D_k = 0.5 + \frac{M}{2} \cdot sin(\omega t_k)\)
  4. 更新PWM比较寄存器

C语言实现：

// 规则采样SPWM生成
#define PWM_FREQ 20000.0f
#define FUND_FREQ 50.0f
#define MODULATION_INDEX 0.9f
#define DC_LINK_VOLTAGE 400.0f

typedef struct {
    float amplitude;      // 正弦波幅值
    float frequency;      // 正弦波频率
    float phase;          // 相位
    float sample_time;    // 采样时间
    float current_angle;  // 当前角度
} SPWM_Generator;

void SPWM_Update(SPWM_Generator *spwm, uint16_t *pwm_compare)
{
    // 更新角度
    spwm->current_angle += 2.0f * PI * spwm->frequency * spwm->sample_time;
    if(spwm->current_angle >= 2.0f * PI)
        spwm->current_angle -= 2.0f * PI;
    
    // 计算正弦值
    float sin_val = sin(spwm->current_angle + spwm->phase);
    
    // 计算占空比（中心对齐）
    float duty = 0.5f + (spwm->amplitude * sin_val) / 2.0f;
    
    // 限制占空比范围
    if(duty > 0.95f) duty = 0.95f;
    if(duty < 0.05f) duty = 0.05f;
    
    // 转换为PWM比较值（假设PWM周期计数为2000）
    *pwm_compare = (uint16_t)(2000.0f * duty);
}

4.1.2 自然采样法与规则采样法对比

| 方法 | 计算复杂度 | 谐波性能 | 实时性要求 | 适用性 | | — | — | —2. | — | — | | 自然采样 | 高（需解方程） | 最优 | 高 | 硬件实现 | | 规则采样 | 低（线性计算） | 较好 | 低 | 数字实现 |

4.2 SVPWM算法实现

SVPWM的实现需要计算参考电压矢量、扇区判断、作用时间计算和开关序列生成。

4.2.1 SVPWM基本步骤

  1. Clarke变换：将三相电压 \(V_a, V_b, V_c\) 转换为 \(\alpha-\beta\) 坐标系
  2. 扇区判断：确定参考矢量所在的扇区
  3. 时间计算：计算相邻矢量的作用时间 \(T_1, T_2\)
  4. 开关序列生成：确定矢量的切换顺序

4.2.2 SVPWM的C语言实现

#include <math.h>

#define SQRT3 1.73205080757f
#define PI 3.14159265359f

// 三相电压结构体
typedef struct {
    float Va;  // A相电压
    float Vb;  // B相电压
    float Vc;  // C相电压
} ThreePhaseVoltage;

// αβ坐标系
typedef struct {
    float alpha;
    float beta;
} AlphaBeta;

// SVPWM输出结构体
typedef struct {
    uint8_t sector;      // 扇区号（1-6）
    float T1;            // 主矢量作用时间
    float T2;            // 次矢量作用时间
    float T0;            // 零矢量作用时间
    uint16_t cmp_a;      // A相比较值
    uint16_t cmp_b;      // B相比较值
    uint16_t cmp_c;      // C相比较值
} SVPWM_Output;

// Clarke变换
AlphaBeta Clarke_Transform(ThreePhaseVoltage v)
{
    AlphaBeta ab;
    ab.alpha = (2.0f/3.0f) * (v.Va - 0.5f*v.Vb - 0.5f*v.Vc);
    ab.beta = (2.0f/3.0f) * (SQRT3/2.0f * v.Vb - SQRT3/2.0f * v.Vc);
    return ab;
}

// 扇区判断
uint8_t Sector_Determination(AlphaBeta v)
{
    float theta = atan2f(v.beta, v.alpha) * 180.0f / PI;
    if(theta < 0) theta += 360.0f;
    
    return (uint8_t)(theta / 60.0f) + 1;
}

// 计算作用时间
void Calculate_Times(AlphaBeta v, uint8_t sector, float *T1, float *T2, float *T0)
{
    float Vref = sqrtf(v.alpha*v.alpha + v.beta*v.beta);
    float T = 0.02f;  // PWM周期20ms
    
    // 扇区1：V1(100)和V2(110)
    if(sector == 1) {
        *T1 = T * (v.alpha / Vref) * (2.0f/SQRT3);
        *T2 = T * (-v.alpha/SQRT3 + v.beta) * (2.0f/SQRT3);
    }
    // 其他扇区计算类似...
    // 为简洁省略，实际实现需完整6个扇区
    
    *T0 = T - (*T1 + *T2);
    if(*T0 < 0) *T0 = 0;  // 过调制处理
}

// SVPWM主函数
SVPWM_Output SVPWM_Calculate(ThreePhaseVoltage v_ref, float dc_voltage)
{
    SVPWM_Output output;
    AlphaBeta ab = Clarke_Transform(v_ref);
    
    // 归一化到直流母线电压
    ab.alpha /= dc_voltage;
    ab.beta /= dc_voltage;
    
    output.sector = Sector_Determination(ab);
    Calculate_Times(ab, output.sector, &output.T1, &output.T2, &output.T0);
    
    // 生成三相PWM比较值（中心对齐）
    // 根据扇区和作用时间计算各相占空比
    // 此处为简化示例，实际需完整实现
    
    return output;
}

4.3 闭环控制算法

PWM交流电压控制器通常需要闭环控制以维持输出电压稳定。常用算法包括：

4.3.1 PID控制器

PID控制公式：

\[u(t) = K_p e(t) + K_i \int e(t)dt + K_d \frac{de(t)}{dt}\]

数字PID实现：

typedef struct {
    float Kp, Ki, Kd;
    float integral;
    float prev_error;
    float output_limit;
} PID_Controller;

float PID_Update(PID_Controller *pid, float error, float dt)
{
    // 积分项
    pid->integral += error * dt;
    
    // 微分项
    float derivative = (error - pid->prev_error) / dt;
    
    // PID输出
    float output = pid->Kp * error + pid->Ki * pid->integral + pid->Kd * derivative;
    
    // 抗饱和处理
    if(output > pid->output_limit) {
        output = pid->output_limit;
        pid->integral -= error * dt;  // 抗积分饱和
    }
    else if(output < -pid->output_limit) {
        output = -pid->output_limit;
        pid->integral -= error * dt;
    }
    
    pid->prev_error = error;
    return output;
}

4.3.2 重复控制（Repetitive Control）

对于周期性干扰（如整流器负载），重复控制能提供无限大的开环增益，实现无静差跟踪。

重复控制器结构： $\(u(k) = u(k-N) + Q(z) \cdot e(k)\)$

其中 \(N = f_s / f_0\)，\(f_s\) 为采样频率，\(f_0\) 为基波频率。

第五部分：实际应用案例分析

5.1 案例1：单相UPS不间断电源

系统要求：

  • 输入：220V AC市电 + 电池（24V/48V）
  • 输出：220V AC/50Hz，纯正弦波
  • 功率：1kVA
  • 效率：>90%

硬件架构：

市电输入 → 整流器 → DC母线 → 逆变器 → 交流输出
                ↓
              电池充电器
                ↓
              电池组

控制策略：

  1. 市电正常时：整流器工作，同时给电池充电；逆变器关闭
  2. 市电异常时：电池通过逆变器输出正弦波
  3. 锁相环（PLL）：确保逆变器输出与市电同步，实现无缝切换

关键代码片段：

// 锁相环实现（基于dq变换）
typedef struct {
    float theta;          // 输出角度
    float freq;           // 频率
    float Kp;             // 比例增益
    float Ki;             // 积分增益
    float integral;       // 积分项
} PLL_Controller;

void PLL_Update(PLL_Controller *pll, float Va, float Vb)
{
    // Clarke变换
    float alpha = (2.0f/3.0f)*(Va - 0.5f*Vb);
    float beta = (2.0f/3.0f)*(SQRT3/2.0f*Vb);
    
    // Park变换（使用当前角度）
    float Vd = alpha * cosf(pll->theta) + beta * sinf(pll->theta);
    float Vq = -alpha * sinf(pll->theta) + beta * cosf(pll->theta);
    
    // 锁相误差（Vq应为0）
    float error = -Vq;
    
    // PI调节器
    pll->integral += error * 0.0001f;  // 100us采样
    float freq_dev = pll->Kp * error + pll->Ki * pll->integral;
    
    // 更新频率和角度
    pll->freq = 50.0f + freq_dev;
    pll->theta += 2.0f * PI * pll->freq * 0.0001f;
    
    if(pll->theta >= 2.0f * PI)
        pll->theta -= 2.0f * PI;
}

5.2 案例2：交流电机变频驱动器（VFD）

系统要求：

  • 输入：380V 三相交流
  • 输出：0-380V，0-100Hz可调
  • 控制模式：V/f控制、矢量控制
  • 功能：软启动、过载保护、节能运行

硬件架构：

380V AC → 整流桥 → DC母线 → IGBT逆变器 → 电机
                ↓
              制动电阻（能量回馈）

V/f控制实现：

// V/f曲线参数
#define V_F_RATIO 7.6f  // 380V/50Hz
#define FREQ_MIN 0.5f   // 最低频率
#define VOLT_MIN 3.8f   // 最低电压（提升电压）

typedef struct {
    float target_freq;    // 目标频率
    float current_freq;   // 当前频率
    float current_voltage; // 当前电压
    float accel_time;     // 加速时间
    float decel_time;     // 减速时间
} VFD_Control;

void VFD_Update(VFD_Control *vfd, float dt)
{
    // 频率斜坡生成
    if(vfd->target_freq > vfd->current_freq) {
        vfd->current_freq += dt / vfd->accel_time * (vfd->target_freq - vfd->current_freq);
        if(vfd->current_freq > vfd->target_freq)
            vfd->current_freq = vfd->target_freq;
    }
    else if(vfd->target_freq < vfd->current_freq) {
        vfd->current_freq -= dt / vfd->decel_time * (vfd->current_freq - vfd->target_freq);
        if(vfd->current_freq < vfd->target_freq)
            vfd->current_freq = vfd->target_freq;
    }
    
    // V/f曲线计算（带提升）
    if(vfd->current_freq < FREQ_MIN) {
        vfd->current_voltage = VOLT_MIN;
    } else {
        vfd->current_voltage = V_F_RATIO * vfd->current_freq;
        // 电压提升（低频时）
        if(vfd->current_freq < 10.0f) {
            vfd->current_voltage += 5.0f;
        }
    }
    
    // 限制最大电压
    if(vfd->current_voltage > 380.0f)
        vfd->current_voltage = 380.0f;
}

5.3 案例3：光伏逆变器

系统要求：

  • 输入：光伏板DC 200-500V
  • 输出：220V AC/50Hz，并网
  • 功能：MPPT（最大功率点跟踪）、孤岛检测、防逆流

MPPT算法（扰动观察法）：

typedef struct {
    float voltage;
    float current;
    float power;
    float prev_power;
    float perturbation;  // 扰动步长
    float voltage_step;  // 电压调整步长
} MPPT_Controller;

void MPPT_Update(MPPT_Controller *mppt)
{
    // 计算当前功率
    mppt->power = mppt->voltage * mppt->current;
    
    // 扰动观察法
    if(mppt->power > mppt->prev_power) {
        // 功率增加，继续同方向扰动
        if(mppt->voltage_step > 0)
            mppt->voltage += mppt->perturbation;
        else
            mppt->voltage -= mppt->perturbation;
    } else {
        // 功率减小，反向扰动
        mppt->voltage_step = -mppt->voltage_step;
        mppt->voltage += mppt->voltage_step;
    }
    
    // 更新历史值
    mppt->prev_power = mppt->power;
    
    // 限制电压范围
    if(mppt->voltage > 500.0f) mppt->voltage = 500.0f;
    if(mppt->voltage < 200.0f) mppt->voltage = 200.0f;
}

第六部分：高级主题与前沿技术

6.1 多电平PWM技术

多电平PWM通过多个直流电平合成阶梯波，显著降低谐波和dv/dt。

二极管钳位型三电平逆变器：

  • 每个桥臂有4个开关管
  • 输出电平：+Vdc, 0, -Vdc
  • 谐波性能优于两电平

6.2 模型预测控制（MPC）

MPC通过系统模型预测未来行为，优化开关状态选择，具有更快的动态响应。

6.3 SiC/GaN器件的应用

碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）器件支持更高开关频率（>100kHz），使PWM控制器可以：

  • 使用更小的无源元件
  • 提高功率密度
  • 减少谐波含量

第七部分：设计与调试指南

7.1 关键参数设计

7.1.1 开关频率选择

选择原则：

  • 音频噪声：>20kHz避免可闻噪声
  • 效率：频率越高，开关损耗越大
  • 波形质量：频率越高，谐波越少
  • 成本：高频需要更贵的器件

推荐值：

  • 电机驱动：5-10kHz
  • UPS：15-20kHz
  • 光伏逆变器：20-50kHz
  • 高频电源：>50kHz

7.1.2 死区时间设计

死区时间计算公式：

\[T_{dead} = t_{d(off)} + t_{d(on)} + t_{margin}\]

其中：

  • \(t_{d(off)}\)：开关管关断延迟
  • \(t_{d(on)}\)：开关管导通延迟
  • \(t_{margin}\)：安全裕量（通常取1-2μs）

死区补偿：

死区时间会导致输出电压跌落，需要进行补偿：

\[V_{comp} = V_{ref} + \frac{T_{dead} \times f_{sw} \times V_{dc}}{\pi} \times \text{sign}(I_{out})\]

7.2 EMI滤波器设计

PWM逆变器的输出含有大量高频谐波，需要LC滤波器。

滤波器设计步骤：

  1. 确定截止频率：\(f_c = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}\)
  2. 通常取 \(f_c = \frac{f_{sw}}{10} \sim \frac{f_{sw}}{5}\)
  3. 计算电感：\(L = \frac{R}{2\pi f_c Q}\)，Q取0.5-1
  4. 计算电容：\(C = \frac{1}{(2\pi f_c)^2 L}\)

代码示例：

void Design_LC_Filter(float f_sw, float R_load, float *L, float *C)
{
    float f_cutoff = f_sw / 10.0f;  // 截止频率取开关频率的1/10
    float Q = 0.707f;               //  Butterworth响应
    
    // 计算电感
    *L = R_load / (2.0f * PI * f_cutoff * Q);
    
    // 计算电容
    *C = 1.0f / ((2.0f * PI * f_cutoff) * (2.0f * PI * f_cutoff) * (*L));
    
    // 限制电容值（避免谐振）
    if(*C > 10e-6f) *C = 10e-6f;  // 最大10μF
}

7.3 调试技巧

  1. 使用示波器观察PWM波形：检查死区时间、边沿斜率
  2. 频谱分析：使用FFT分析谐波含量
  3. 热成像仪：检查功率器件温度分布
  4. 环路分析仪：测量控制环路增益和相位裕度

第八部分：常见问题与解决方案

8.1 输出电压波形畸变

原因：

  • 死区时间补偿不当
  • 直流母线电压波动
  • 负载非线性

解决方案：

  • 实现自适应死区补偿
  • 增加母线电容或PFC电路
  • 采用重复控制或谐波补偿

1.2 功率器件过热

原因：

  • 开关频率过高
  • 驱动不足
  • 散热不良

解决方案：

  • 优化开关频率
  • 增强驱动电路（使用专用驱动IC如IR2110）
  • 改善散热设计（散热片、风扇）

8.3 电磁干扰（EMI）

原因：

  • 高dv/dt和di/dt
  • 地线设计不当
  • 缺少滤波

解决方案：

  • 使用软恢复器件
  • 优化PCB布局（减小回路面积）
  • 增加EMI滤波器

结论

PWM交流电压控制器是现代电力电子技术的核心，其设计涉及电力电子、控制理论、嵌入式系统等多个领域。从基础的SPWM到先进的SVPWM，从模拟电路到数字控制，PWM技术不断发展，为高效能量转换提供了坚实的技术支撑。

掌握PWM技术需要：

  1. 扎实的理论基础：理解调制原理和控制算法
  2. 丰富的实践经验：通过实际项目积累调试经验
  3. 持续学习：关注SiC/GaN等新技术和先进控制策略

随着新能源、电动汽车、智能制造的发展，PWM技术将继续演进，向着更高效率、更高功率密度、更智能化的方向发展。希望本文能为您的学习和工作提供有价值的参考。

附录：常用资源

  • 书籍：《电力电子技术》、《PWM与电力电子》
  • 标准：IEEE 519-2014（谐波标准）
  • 仿真工具：MATLAB/Simulink、PSIM、PLECS
  • 开源项目：OpenBLDC、VESC（电动滑板车控制器）# PWM交流电压控制器原理与应用详解 从基础到实践全面解析电压调节技术

引言：PWM技术在现代电力电子中的核心地位

脉宽调制（Pulse Width Modulation, PWM）技术是现代电力电子技术的基石，尤其在交流电压控制领域发挥着不可替代的作用。随着半导体技术的飞速发展，PWM控制器已经从简单的模拟电路演变为高度集成的数字控制系统，广泛应用于电机驱动、不间断电源（UPS）、可再生能源发电、家用电器等领域。

本文将从基础理论出发，深入剖析PWM交流电压控制器的工作原理、关键参数设计、控制策略，并通过详尽的实例展示其在实际工程中的应用，帮助读者全面掌握这一核心技术。

第一部分：PWM基础理论

1.1 PWM基本概念与工作原理

脉宽调制（PWM） 是一种通过改变脉冲宽度来控制输出电压或功率的技术。其核心思想是在固定的开关周期内，通过调节导通时间（Ton）与关断时间（Toff）的比例，即占空比（Duty Cycle），来等效控制输出电压的平均值。

1.1.1 PWM波形的数学表达

对于一个理想的PWM波形，其输出电压的平均值 \(V_{avg}\) 可以表示为：

\[V_{avg} = D \times V_{in}\]

其中：

  • \(D\) 是占空比，定义为导通时间与周期的比值：\(D = \frac{T_{on}}{T}\)
  • \(V_{in}\) 是输入直流电压
  • \(T\) 是PWM周期，\(T = \frac{1}{f_{sw}}\)，\(f_{sw}\) 为开关频率

1.1.2 交流PWM控制的特殊性

与直流PWM不同，交流电压控制需要输出电压的极性可变。这通常通过全桥逆变电路实现，采用双极性PWM或单极性PWM策略。

双极性PWM：在每个PWM周期内，输出电压在 \(+V_{in}\) 和 \(-V_{in}\) 之间切换。其输出电压的基波分量幅值为：

\[V_{ac\_rms} = \frac{V_{in}}{\sqrt{2}} \times \frac{M}{\sqrt{2}} = \frac{V_{in} \times M}{2}\]

其中 \(M\) 是调制比（Modulation Index），定义为参考正弦波幅值与三角载波幅值之比。

1.2 PWM的关键参数

  1. 开关频率（Switching Frequency）：决定了PWM波形的细腻程度和系统动态响应速度。频率越高，输出波形质量越好，但开关损耗也越大。
  2. 载波比（Carrier Ratio）：定义为载波频率与调制波频率之比。载波比越高，输出电压的谐波含量越低。
  3. 调制比（Modulation Index）：控制输出电压幅值的关键参数。

第二部分：PWM交流电压控制器的核心原理

2.1 交流PWM调制技术详解

2.1.1 正弦脉宽调制（SPWM）

SPWM是最经典的交流PWM技术，通过将正弦调制波与三角载波比较生成PWM信号。

SPWM生成原理：

  • 将频率为 \(f_m\) 的正弦波（调制波）与频率为 \(f_c\) 的三角波（载波）进行比较
  • 当正弦波 > 三角波时，输出高电平；反之输出低电平
  • 通过改变正弦波的幅值（调制比 \(M\)）来调节输出电压

SPWM的数学表达： 对于单相全桥逆变器，输出电压 \(v_o(t)\) 可表示为：

\[v_o(t) = M \cdot V_{in} \cdot \sin(\omega_m t) + \text{谐波分量}\]

其中 \(\omega_m = 2\pi f_m\) 为调制波角频率。

2.1.2 空间矢量脉宽调制（SVPWM）

SVPWM是三相系统中更先进的调制技术，通过将三相电压合成为空间矢量进行控制，具有更高的直流电压利用率（比SPWM高15.47%）和更优的谐波性能。

SVPWM基本原理：

  • 将三相电压表示为复平面上的空间矢量
  • 8个基本电压矢量（6个有效矢量+2个零矢量）构成矢量空间
  • 通过在一个PWM周期内组合这些矢量，合成任意期望的电压矢量

2.2 PWM交流电压控制的拓扑结构

2.2.1 单相全桥逆变器

      +Vdc
        |
      +---+
      |   |
      |   | Q1
      |   |
      +---+
        |
  Q2    |    Q3
        |
      +---+
      |   |
      |   | Q4
      |   |
      +---+
        |
      -Vdc

工作模式：

  • Q1/Q4导通：输出 \(+V_{dc}\)
  • Q2/Q3导通：输出 \(-V_{dc}\)
  • Q1/Q3或Q2/Q4导通：输出0（死区时间）

2.2.2 三相桥式逆变器

三相逆变器由三个相同的单相桥臂组成，每个桥臂输出一相电压。通过SVPWM或SPWM控制，可生成三相对称的交流电压。

2.3 调制策略对比

调制方式 电压利用率 谐波特性 实现复杂度 适用场景
SPWM 0.707Vdc 较好 简单 通用逆变器
SVPWM 0.816Vdc 优 较复杂 高性能电机驱动
THIPWM 0.816Vdc 优 复杂 特殊谐波抑制需求

第三部分：PWM控制器的硬件实现

3.1 模拟PWM控制器

早期的PWM控制器采用纯模拟电路实现，主要由三角波发生器、正弦波发生器和比较器组成。

电路结构：

  • 三角波发生器：使用运放构成的积分电路和施密特触发器
  • 正弦波发生器：文氏桥振荡器或DDS芯片
  • 比较器：高速比较器（如LM311）生成PWM信号

优点：响应快、成本低 缺点：参数漂移、灵活性差、难以实现复杂算法

3.2 数字PWM控制器

现代PWM控制器几乎全部采用数字实现，主要基于微控制器（MCU）、数字信号处理器（DSP）或现场可编程门阵列（FPGA）。

3.2.1 基于MCU的PWM实现

以STM32系列MCU为例，其高级定时器（TIM1/TIM8）可配置为PWM输出模式。

STM32 PWM配置代码示例（基于HAL库）：

#include "stm32f4xx_hal.h"

TIM_HandleTypeDef htim1;
TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC;

void MX_TIM1_Init(void)
{
    TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0};
    TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};
    
    htim1.Instance = TIM1;
    htim1.Init.Prescaler = 0;  // 不分频
    htim1.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim1.Init.Period = 1999;  // 周期 = (1999+1)/PWM频率
    htim1.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    htim1.Init.RepetitionCounter = 0;
    HAL_TIM_Base_Init(&htim1);
    
    // PWM通道配置
    sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
    sConfigOC.Pulse = 1000;    // 初始占空比50%
    sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;
    sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;
    sConfigOC.OCNPolarity = TIM_OCNPOLARITY_HIGH;
    sConfigOC.OCIdleState = TIM_OCIDLESTATE_RESET;
    sConfigOC.OCNIdleState = TIM_OCNIDLESTATE_RESET;
    
    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim1, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
}

// 动态调整占空比
void Set_PWM_Duty(uint16_t duty)
{
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, duty);
}

3.2.2 基于DSP的SPWM实现

DSP（如TI的TMS320F28335）具有强大的数学运算能力，适合实现复杂的SPWM算法。

TMS320F28335 SPWM实现代码：

#include "DSP28x_Project.h"

#define PWM_FREQ 20000.0f      // 20kHz开关频率
#define CARRIER_FREQ 50.0f     // 50Hz调制波频率
#define AMPLITUDE 0.9f         // 调制比
#define DEAD_TIME 2.0f         // 死区时间(us)

// 正弦表（256点）
float sin_table[256];
float sin_ptr = 0.0f;
float sin_inc = 0.0f;

void Init_Sin_Table(void)
{
    int i;
    for(i=0;0<256;i++)
        sin_table[i] = sin(2*3.1415926*i/256);
}

void Init_PWM(void)
{
    EALLOW;
    SysCtrlRegs.PCLKCR0.bit.TBCLKEN = 1;
    EDIS;
    
    // 配置PWM1
    EPwm1Regs.TBPRD = (Uint16)(150000000.0 / PWM_FREQ / 2); // 150MHz时钟
    EPwm1Regs.TBCTL.bit.CTRMODE = TB_COUNT_UPDOWN;
    EPwm1Regs.TBCTL.bit.PHSEN = TB_DISABLE;
    EPwm1Regs.TBCTL.bit.SYNCOSEL = TB_SYNC_DISABLE;
    
    // 比较值配置
    EPwm1Regs.CMPA.half.CMPA = EPwm1Regs.TBPRD / 2;
    
    // 动作配置
    EPwm1Regs.AQCTLA.bit.CAU = AQ_SET;    // CNT=CMPA时置高
    EPwm1Regs.AQCTLA.bit.CAD = AQ_CLEAR;  // CNT=CMPA时置低
    
    // 死区配置
    EPwm1Regs.DBRED = (Uint16)(150.0 * DEAD_TIME); // 150MHz时钟
    EPwm1Regs.DBFED = (Uint16)(150.0 * DEAD_TIME);
    EPwm1Regs.DBCTL.bit.OUT_MODE = DB_FULL_ENABLE;
    EPwm1Regs.DBCTL.bit.POLSEL = DB_ACTV_HIC;
}

// SPWM中断服务程序（周期更新）
__interrupt void EPWM1_IRQHandler(void)
{
    // 更新正弦指针
    sin_ptr += sin_inc;
    if(sin_ptr >= 256.0f) sin_ptr -= 256.0f;
    
    // 计算正弦值并映射到PWM比较值
    uint16_t sin_index = (uint16_t)sin_ptr;
    float sin_val = sin_table[sin_index];
    
    // 调制计算：中心对齐PWM
    float duty = 0.5f + (AMPLITUDE * sin_val) / 2.0f;
    uint16_t cmp_val = (uint16_t)(EPwm1Regs.TBPRD * duty);
    
    EPwm1Regs.CMPA.half.CMPA = cmp_val;
    
    // 清除中断标志
    EPwm1Regs.ETCLR.bit.INT = 1;
    PieCtrlRegs.PIEACK.all = PIEACK_GROUP3;
}

3.3 专用PWM控制器IC

对于简单应用，可使用专用PWM控制器IC，如：

  • TL494：经典PWM控制器，适用于开关电源
  • SG3525：增强型PWM控制器，带软启动和死区控制
  1. UCC28C4x：高速CMOS PWM控制器，适用于高频应用

第四部分：PWM交流电压控制的软件算法

4.1 SPWM算法实现

4.1.1 规则采样法

规则采样法是一种高效的SPWM波形生成方法，通过在采样点计算占空比，减少实时计算量。

算法步骤：

  1. 确定采样周期 \(T_s = \frac{1}{f_{sw}}\)
  2. 在每个采样点计算正弦值：\(sin(\omega t_k)\)
  3. 计算占空比：\(D_k = 0.5 + \frac{M}{2} \cdot sin(\omega t_k)\)
  4. 更新PWM比较寄存器

C语言实现：

// 规则采样SPWM生成
#define PWM_FREQ 20000.0f
#define FUND_FREQ 50.0f
#define MODULATION_INDEX 0.9f
#define DC_LINK_VOLTAGE 400.0f

typedef struct {
    float amplitude;      // 正弦波幅值
    float frequency;      // 正弦波频率
    float phase;          // 相位
    float sample_time;    // 采样时间
    float current_angle;  // 当前角度
} SPWM_Generator;

void SPWM_Update(SPWM_Generator *spwm, uint16_t *pwm_compare)
{
    // 更新角度
    spwm->current_angle += 2.0f * PI * spwm->frequency * spwm->sample_time;
    if(spwm->current_angle >= 2.0f * PI)
        spwm->current_angle -= 2.0f * PI;
    
    // 计算正弦值
    float sin_val = sin(spwm->current_angle + spwm->phase);
    
    // 计算占空比（中心对齐）
    float duty = 0.5f + (spwm->amplitude * sin_val) / 2.0f;
    
    // 限制占空比范围
    if(duty > 0.95f) duty = 0.95f;
    if(duty < 0.05f) duty = 0.05f;
    
    // 转换为PWM比较值（假设PWM周期计数为2000）
    *pwm_compare = (uint16_t)(2000.0f * duty);
}

4.1.2 自然采样法与规则采样法对比

方法 计算复杂度 谐波性能 实时性要求 适用性
自然采样 高（需解方程） 最优 高 硬件实现
规则采样 低（线性计算） 较好 低 数字实现

4.2 SVPWM算法实现

SVPWM的实现需要计算参考电压矢量、扇区判断、作用时间计算和开关序列生成。

4.2.1 SVPWM基本步骤

  1. Clarke变换：将三相电压 \(V_a, V_b, V_c\) 转换为 \(\alpha-\beta\) 坐标系
  2. 扇区判断：确定参考矢量所在的扇区
  3. 时间计算：计算相邻矢量的作用时间 \(T_1, T_2\)
  4. 开关序列生成：确定矢量的切换顺序

4.2.2 SVPWM的C语言实现

#include <math.h>

#define SQRT3 1.73205080757f
#define PI 3.14159265359f

// 三相电压结构体
typedef struct {
    float Va;  // A相电压
    float Vb;  // B相电压
    float Vc;  // C相电压
} ThreePhaseVoltage;

// αβ坐标系
typedef struct {
    float alpha;
    float beta;
} AlphaBeta;

// SVPWM输出结构体
typedef struct {
    uint8_t sector;      // 扇区号（1-6）
    float T1;            // 主矢量作用时间
    float T2;            // 次矢量作用时间
    float T0;            // 零矢量作用时间
    uint16_t cmp_a;      // A相比较值
    uint16_t cmp_b;      // B相比较值
    uint16_t cmp_c;      // C相比较值
} SVPWM_Output;

// Clarke变换
AlphaBeta Clarke_Transform(ThreePhaseVoltage v)
{
    AlphaBeta ab;
    ab.alpha = (2.0f/3.0f) * (v.Va - 0.5f*v.Vb - 0.5f*v.Vc);
    ab.beta = (2.0f/3.0f) * (SQRT3/2.0f*v.Vb - SQRT3/2.0f*v.Vc);
    return ab;
}

// 扇区判断
uint8_t Sector_Determination(AlphaBeta v)
{
    float theta = atan2f(v.beta, v.alpha) * 180.0f / PI;
    if(theta < 0) theta += 360.0f;
    
    return (uint8_t)(theta / 60.0f) + 1;
}

// 计算作用时间
void Calculate_Times(AlphaBeta v, uint8_t sector, float *T1, float *T2, float *T0)
{
    float Vref = sqrtf(v.alpha*v.alpha + v.beta*v.beta);
    float T = 0.02f;  // PWM周期20ms
    
    // 扇区1：V1(100)和V2(110)
    if(sector == 1) {
        *T1 = T * (v.alpha / Vref) * (2.0f/SQRT3);
        *T2 = T * (-v.alpha/SQRT3 + v.beta) * (2.0f/SQRT3);
    }
    // 其他扇区计算类似...
    // 为简洁省略，实际实现需完整6个扇区
    
    *T0 = T - (*T1 + *T2);
    if(*T0 < 0) *T0 = 0;  // 过调制处理
}

// SVPWM主函数
SVPWM_Output SVPWM_Calculate(ThreePhaseVoltage v_ref, float dc_voltage)
{
    SVPWM_Output output;
    AlphaBeta ab = Clarke_Transform(v_ref);
    
    // 归一化到直流母线电压
    ab.alpha /= dc_voltage;
    ab.beta /= dc_voltage;
    
    output.sector = Sector_Determination(ab);
    Calculate_Times(ab, output.sector, &output.T1, &output.T2, &output.T0);
    
    // 生成三相PWM比较值（中心对齐）
    // 根据扇区和作用时间计算各相占空比
    // 此处为简化示例，实际需完整实现
    
    return output;
}

4.3 闭环控制算法

PWM交流电压控制器通常需要闭环控制以维持输出电压稳定。常用算法包括：

4.3.1 PID控制器

PID控制公式：

\[u(t) = K_p e(t) + K_i \int e(t)dt + K_d \frac{de(t)}{dt}\]

数字PID实现：

typedef struct {
    float Kp, Ki, Kd;
    float integral;
    float prev_error;
    float output_limit;
} PID_Controller;

float PID_Update(PID_Controller *pid, float error, float dt)
{
    // 积分项
    pid->integral += error * dt;
    
    // 微分项
    float derivative = (error - pid->prev_error) / dt;
    
    // PID输出
    float output = pid->Kp * error + pid->Ki * pid->integral + pid->Kd * derivative;
    
    // 抗饱和处理
    if(output > pid->output_limit) {
        output = pid->output_limit;
        pid->integral -= error * dt;  // 抗积分饱和
    }
    else if(output < -pid->output_limit) {
        output = -pid->output_limit;
        pid->integral -= error * dt;
    }
    
    pid->prev_error = error;
    return output;
}

4.3.2 重复控制（Repetitive Control）

对于周期性干扰（如整流器负载），重复控制能提供无限大的开环增益，实现无静差跟踪。

重复控制器结构： $\(u(k) = u(k-N) + Q(z) \cdot e(k)\)$

其中 \(N = f_s / f_0\)，\(f_s\) 为采样频率，\(f_0\) 为基波频率。

第五部分：实际应用案例分析

5.1 案例1：单相UPS不间断电源

系统要求：

  • 输入：220V AC市电 + 电池（24V/48V）
  • 输出：220V AC/50Hz，纯正弦波
  • 功率：1kVA
  • 效率：>90%

硬件架构：

市电输入 → 整流器 → DC母线 → 逆变器 → 交流输出
                ↓
              电池充电器
                ↓
              电池组

控制策略：

  1. 市电正常时：整流器工作，同时给电池充电；逆变器关闭
  2. 市电异常时：电池通过逆变器输出正弦波
  3. 锁相环（PLL）：确保逆变器输出与市电同步，实现无缝切换

关键代码片段：

// 锁相环实现（基于dq变换）
typedef struct {
    float theta;          // 输出角度
    float freq;           // 频率
    float Kp;             // 比例增益
    float Ki;             // 积分增益
    float integral;       // 积分项
} PLL_Controller;

void PLL_Update(PLL_Controller *pll, float Va, float Vb)
{
    // Clarke变换
    float alpha = (2.0f/3.0f)*(Va - 0.5f*Vb);
    float beta = (2.0f/3.0f)*(SQRT3/2.0f*Vb);
    
    // Park变换（使用当前角度）
    float Vd = alpha * cosf(pll->theta) + beta * sinf(pll->theta);
    float Vq = -alpha * sinf(pll->theta) + beta * cosf(pll->theta);
    
    // 锁相误差（Vq应为0）
    float error = -Vq;
    
    // PI调节器
    pll->integral += error * 0.0001f;  // 100us采样
    float freq_dev = pll->Kp * error + pll->Ki * pll->integral;
    
    // 更新频率和角度
    pll->freq = 50.0f + freq_dev;
    pll->theta += 2.0f * PI * pll->freq * 0.0001f;
    
    if(pll->theta >= 2.0f * PI)
        pll->theta -= 2.0f * PI;
}

5.2 案例2：交流电机变频驱动器（VFD）

系统要求：

  • 输入：380V 三相交流
  • 输出：0-380V，0-100Hz可调
  • 控制模式：V/f控制、矢量控制
  • 功能：软启动、过载保护、节能运行

硬件架构：

380V AC → 整流桥 → DC母线 → IGBT逆变器 → 电机
                ↓
              制动电阻（能量回馈）

V/f控制实现：

// V/f曲线参数
#define V_F_RATIO 7.6f  // 380V/50Hz
#define FREQ_MIN 0.5f   // 最低频率
#define VOLT_MIN 3.8f   // 最低电压（提升电压）

typedef struct {
    float target_freq;    // 目标频率
    float current_freq;   // 当前频率
    float current_voltage; // 当前电压
    float accel_time;     // 加速时间
    float decel_time;     // 减速时间
} VFD_Control;

void VFD_Update(VFD_Control *vfd, float dt)
{
    // 频率斜坡生成
    if(vfd->target_freq > vfd->current_freq) {
        vfd->current_freq += dt / vfd->accel_time * (vfd->target_freq - vfd->current_freq);
        if(vfd->current_freq > vfd->target_freq)
            vfd->current_freq = vfd->target_freq;
    }
    else if(vfd->target_freq < vfd->current_freq) {
        vfd->current_freq -= dt / vfd->decel_time * (vfd->current_freq - vfd->target_freq);
        if(vfd->current_freq < vfd->target_freq)
            vfd->current_freq = vfd->target_freq;
    }
    
    // V/f曲线计算（带提升）
    if(vfd->current_freq < FREQ_MIN) {
        vfd->current_voltage = VOLT_MIN;
    } else {
        vfd->current_voltage = V_F_RATIO * vfd->current_freq;
        // 电压提升（低频时）
        if(vfd->current_freq < 10.0f) {
            vfd->current_voltage += 5.0f;
        }
    }
    
    // 限制最大电压
    if(vfd->current_voltage > 380.0f)
        vfd->current_voltage = 380.0f;
}

5.3 案例3：光伏逆变器

系统要求：

  • 输入：光伏板DC 200-500V
  • 输出：220V AC/50Hz，并网
  • 功能：MPPT（最大功率点跟踪）、孤岛检测、防逆流

MPPT算法（扰动观察法）：

typedef struct {
    float voltage;
    float current;
    float power;
    float prev_power;
    float perturbation;  // 扰动步长
    float voltage_step;  // 电压调整步长
} MPPT_Controller;

void MPPT_Update(MPPT_Controller *mppt)
{
    // 计算当前功率
    mppt->power = mppt->voltage * mppt->current;
    
    // 扰动观察法
    if(mppt->power > mppt->prev_power) {
        // 功率增加，继续同方向扰动
        if(mppt->voltage_step > 0)
            mppt->voltage += mppt->perturbation;
        else
            mppt->voltage -= mppt->perturbation;
    } else {
        // 功率减小，反向扰动
        mppt->voltage_step = -mppt->voltage_step;
        mppt->voltage += mppt->voltage_step;
    }
    
    // 更新历史值
    mppt->prev_power = mppt->power;
    
    // 限制电压范围
    if(mppt->voltage > 500.0f) mppt->voltage = 500.0f;
    if(mppt->voltage < 200.0f) mppt->voltage = 200.0f;
}

第六部分：高级主题与前沿技术

6.1 多电平PWM技术

多电平PWM通过多个直流电平合成阶梯波，显著降低谐波和dv/dt。

二极管钳位型三电平逆变器：

  • 每个桥臂有4个开关管
  • 输出电平：+Vdc, 0, -Vdc
  • 谐波性能优于两电平

6.2 模型预测控制（MPC）

MPC通过系统模型预测未来行为，优化开关状态选择，具有更快的动态响应。

6.3 SiC/GaN器件的应用

碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）器件支持更高开关频率（>100kHz），使PWM控制器可以：

  • 使用更小的无源元件
  • 提高功率密度
  • 减少谐波含量

第七部分：设计与调试指南

7.1 关键参数设计

7.1.1 开关频率选择

选择原则：

  • 音频噪声：>20kHz避免可闻噪声
  • 效率：频率越高，开关损耗越大
  • 波形质量：频率越高，谐波越少
  • 成本：高频需要更贵的器件

推荐值：

  • 电机驱动：5-10kHz
  • UPS：15-20kHz
  • 光伏逆变器：20-50kHz
  • 高频电源：>50kHz

7.1.2 死区时间设计

死区时间计算公式：

\[T_{dead} = t_{d(off)} + t_{d(on)} + t_{margin}\]

其中：

  • \(t_{d(off)}\)：开关管关断延迟
  • \(t_{d(on)}\)：开关管导通延迟
  • \(t_{margin}\)：安全裕量（通常取1-2μs）

死区补偿：

死区时间会导致输出电压跌落，需要进行补偿：

\[V_{comp} = V_{ref} + \frac{T_{dead} \times f_{sw} \times V_{dc}}{\pi} \times \text{sign}(I_{out})\]

7.2 EMI滤波器设计

PWM逆变器的输出含有大量高频谐波，需要LC滤波器。

滤波器设计步骤：

  1. 确定截止频率：\(f_c = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}\)
  2. 通常取 \(f_c = \frac{f_{sw}}{10} \sim \frac{f_{sw}}{5}\)
  3. 计算电感：\(L = \frac{R}{2\pi f_c Q}\)，Q取0.5-1
  4. 计算电容：\(C = \frac{1}{(2\pi f_c)^2 L}\)

代码示例：

void Design_LC_Filter(float f_sw, float R_load, float *L, float *C)
{
    float f_cutoff = f_sw / 10.0f;  // 截止频率取开关频率的1/10
    float Q = 0.707f;               //  Butterworth响应
    
    // 计算电感
    *L = R_load / (2.0f * PI * f_cutoff * Q);
    
    // 计算电容
    *C = 1.0f / ((2.0f * PI * f_cutoff) * (2.0f * PI * f_cutoff) * (*L));
    
    // 限制电容值（避免谐振）
    if(*C > 10e-6f) *C = 10e-6f;  // 最大10μF
}

7.3 调试技巧

  1. 使用示波器观察PWM波形：检查死区时间、边沿斜率
  2. 频谱分析：使用FFT分析谐波含量
  3. 热成像仪：检查功率器件温度分布
  4. 环路分析仪：测量控制环路增益和相位裕度

第八部分：常见问题与解决方案

8.1 输出电压波形畸变

原因：

  • 死区时间补偿不当
  • 直流母线电压波动
  • 负载非线性

解决方案：

  • 实现自适应死区补偿
  • 增加母线电容或PFC电路
  • 采用重复控制或谐波补偿

8.2 功率器件过热

原因：

  • 开关频率过高
  • 驱动不足
  • 散热不良

解决方案：

  • 优化开关频率
  • 增强驱动电路（使用专用驱动IC如IR2110）
  • 改善散热设计（散热片、风扇）

8.3 电磁干扰（EMI）

原因：

  • 高dv/dt和di/dt
  • 地线设计不当
  • 缺少滤波

解决方案：

  • 使用软恢复器件
  • 优化PCB布局（减小回路面积）
  • 增加EMI滤波器

结论

PWM交流电压控制器是现代电力电子技术的核心，其设计涉及电力电子、控制理论、嵌入式系统等多个领域。从基础的SPWM到先进的SVPWM，从模拟电路到数字控制，PWM技术不断发展，为高效能量转换提供了坚实的技术支撑。

掌握PWM技术需要：

  1. 扎实的理论基础：理解调制原理和控制算法
  2. 丰富的实践经验：通过实际项目积累调试经验
  3. 持续学习：关注SiC/GaN等新技术和先进控制策略

随着新能源、电动汽车、智能制造的发展，PWM技术将继续演进，向着更高效率、更高功率密度、更智能化的方向发展。希望本文能为您的学习和工作提供有价值的参考。

附录：常用资源

  • 书籍：《电力电子技术》、《PWM与电力电子》
  • 标准：IEEE 519-2014（谐波标准）
  • 仿真工具：MATLAB/Simulink、PSIM、PLECS
  • 开源项目：OpenBLDC、VESC（电动滑板车控制器）