電力電子脈寬調(diào)制PWM：綠色能源的幕后英雄

作者簡介

本文是第二屆電力電子科普征文大賽的獲獎作品，來自河北工業(yè)大學裴玉碩所的投稿

在現(xiàn)代科技迅猛發(fā)展的今天，我們的生活變得越來越智能、節(jié)能和環(huán)保。而在這一切背后，有一種技術默默地發(fā)揮著重要作用——那就是脈寬調(diào)制（Pulse-width modulation,PWM）技術。雖然它可能不為大眾所熟知，但PWM技術在電力電子領域的應用卻深刻地影響了我們的日常生活。從家中的智能家電到高效的新能源系統(tǒng)，PWM技術正不斷改變我們的世界。讓我們一起深入探秘這項技術，了解它如何在我們生活的各個角落發(fā)揮作用。

脈寬調(diào)制技術概述

脈寬調(diào)制（PWM）是一種通過調(diào)節(jié)電信號的寬度來控制電力輸出的技術。它的基本原理是在固定頻率的周期性信號中調(diào)整“開”和“關”的時間比例，即“占空比”。通過改變占空比，可以調(diào)節(jié)輸出的電能，從而實現(xiàn)對電力設備的精確控制。

圖1. 調(diào)制信號與載波信號生成PWM驅動信號

PWM技術現(xiàn)實中的應用

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LED照明亮度調(diào)節(jié)

LED照明系統(tǒng)中，PWM技術用于調(diào)節(jié)燈光的亮度。通過改變PWM信號的占空比，LED燈可以實現(xiàn)從全亮到熄滅的平滑過渡。但是頻率若低于1250Hz、會明顯增加健康及加速視力衰退風險；頻率若高于3250Hz、則不會增加健康及加速視力衰退風險。這種方法不僅提高了照明效率，還能延長LED的使用壽命。

為了克服當前的挑戰(zhàn)和適應LED驅動器市場上廣泛的拓撲結構，英飛凌提供支持多種不同拓撲結構和功能特性的LED驅動IC。如超低成本LED driver ICs BCR401W/ BCR402W。

圖2. 英飛凌和日亞攜手推出業(yè)內(nèi)首款高清微型矩陣式LED解決方案

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電機控制

在電動汽車中，PWM技術用于控制電動機的速度和扭矩。通過調(diào)節(jié)PWM信號，電動機可以實現(xiàn)平穩(wěn)的加速和精確的速度控制，提供更好的駕駛體驗和能效。

在機器人系統(tǒng)中，PWM技術用于控制電動機的運動。通過精確的PWM調(diào)節(jié)，機器人可以實現(xiàn)靈活的運動控制，完成各種復雜的操作任務。

各種工業(yè)控制設備也廣泛使用PWM技術來調(diào)節(jié)電流和電壓，以實現(xiàn)對設備的精準控制和優(yōu)化生產(chǎn)效率。可以用于控制伺服機構。

英飛凌是電機控制解決方案的一站式商店，擁有廣泛的電機控制IC產(chǎn)品組合。探索從離散分割的到高度集成的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案的不同集成級別：

MOTIX? 驅動器： 適用于低電壓BDC和 BLDC應用的柵極驅動器，包括多MOSFET驅動、高達48V的電機柵極驅動器以及伺服/步進電機驅動器。

MOTIX? 橋： 用于小于300W的BDC電機驅動的完全集成的單半橋(novalithic?)、多半橋和全橋。

MOTIX? SBC： 集成電源、收發(fā)器和橋式驅動器，例如用于汽車BDC和BLDC應用的電機系統(tǒng)IC或用于工業(yè)BLDC電機控制的 MOTIX? 6EDL7141。

MOTIX? MCU： 嵌入式系統(tǒng)IC集成了Arm? Cortex?-M CPU、電源、LIN或CAN-FD收發(fā)器，以及驅動高達1KW的BDC和BLDC電機的橋式驅動器。

iMotion? 產(chǎn)品集成了工業(yè)和消費應用中控制高壓三相電機所需的所有硬件和軟件功能。

MOTIX? 軟件： 包括用于電機控制的嵌入式軟件庫、（復雜）設備驅動器和用于生產(chǎn)用途的底層驅動程序。

圖3. 電動汽車驅動電機應用與工業(yè)自動化機械臂

圖4. 三電平SVPWM空間矢量圖與馬鞍波調(diào)制信號

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電信

在電信使用上，脈沖寬度調(diào)制是一種信號調(diào)制的形式，其脈沖波的寬度對應到另一個特定資料會在傳送端被編碼，并于接收端解碼。不同長度的脈沖波(要傳遞的訊息本身)將會每隔固定的時間后被傳遞(載波的頻率)。

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能量的傳遞

在太陽能光伏系統(tǒng)中，PWM技術用于控制逆變器，將太陽能產(chǎn)生的直流電轉換為交流電。PWM技術可以精確調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓，確保光伏系統(tǒng)的能量轉換效率，并適應不同的光照條件。

圖5. 光伏發(fā)電系統(tǒng)

圖6. 英飛凌用于太陽能組串式逆變器的功率晶體管

風力發(fā)電系統(tǒng)中的發(fā)電機也使用PWM技術來控制電力輸出。PWM技術幫助調(diào)整風力發(fā)電機的轉速和電力輸出，實現(xiàn)更高效的能量轉換和穩(wěn)定的電力供應。

圖7. 風力發(fā)電風機

PWM技術的優(yōu)勢

（1）高效節(jié)能： PWM技術能夠通過快速開關控制減少能量損耗，從而提高整體能效。例如，在空調(diào)和LED燈中，PWM技術可以有效節(jié)省電力，降低能源消耗。

（2）精確控制： PWM技術允許對電力輸出進行精確調(diào)節(jié)，使設備能夠在各種工況下穩(wěn)定運行。例如，電動汽車中的電動機和工業(yè)機器人中的運動控制，都依賴PWM技術的精確控制來優(yōu)化性能。

（3）減少熱量產(chǎn)生： 由于PWM技術的開關狀態(tài)穩(wěn)定，功率損耗較少，從而減少了設備的發(fā)熱。這不僅延長了設備的使用壽命，也提高了系統(tǒng)的可靠性。

未來展望

隨著科技的不斷進步，PWM技術也在不斷發(fā)展。未來，PWM技術可能會在更多的應用領域發(fā)揮重要作用。例如，在智能家居和工業(yè)自動化中，先進的PWM控制算法可能會進一步提升系統(tǒng)的性能和效率。此外，隨著新能源技術的推廣，PWM技術在高效電力轉換和控制方面的作用將變得更加重要。

脈寬調(diào)制（PWM）技術作為電力電子技術的核心之一，正以其高效、精確和節(jié)能的特性，改變著我們的生活。從家中的智能家電到高效的新能源系統(tǒng)，PWM技術在各個領域的應用都展示了它的重要性和廣泛影響。通過了解PWM技術及其應用，我們不僅可以更好地認識這一幕后英雄，還能對未來科技的發(fā)展充滿期待。讓我們一起探索PWM技術的無限可能，為更加智能和綠色的未來貢獻力量。