電力電子脈寬調制PWM：綠色能源的幕后英雄

作者簡(jiǎn)介

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

在現代科技迅猛發(fā)展的今天，我們的生活變得越來(lái)越智能、節能和環(huán)保。而在這一切背后，有一種技術(shù)默默地發(fā)揮著(zhù)重要作用——那就是脈寬調制（Pulse-width modulation,PWM）技術(shù)。雖然它可能不為大眾所熟知，但PWM技術(shù)在電力電子領(lǐng)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，PWM技術(shù)正不斷改變我們的世界。讓我們一起深入探秘這項技術(shù)，了解它如何在我們生活的各個(gè)角落發(fā)揮作用。

脈寬調制技術(shù)概述

脈寬調制（PWM）是一種通過(guò)調節電信號的寬度來(lái)控制電力輸出的技術(shù)。它的基本原理是在固定頻率的周期性信號中調整“開(kāi)”和“關(guān)”的時(shí)間比例，即“占空比”。通過(guò)改變占空比，可以調節輸出的電能，從而實(shí)現對電力設備的精確控制。

圖1. 調制信號與載波信號生成PWM驅動(dòng)信號

PWM技術(shù)現實(shí)中的應用

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LED照明亮度調節

LED照明系統中，PWM技術(shù)用于調節燈光的亮度。通過(guò)改變PWM信號的占空比，LED燈可以實(shí)現從全亮到熄滅的平滑過(guò)渡。但是頻率若低于1250Hz、會(huì )明顯增加健康及加速視力衰退風(fēng)險；頻率若高于3250Hz、則不會(huì )增加健康及加速視力衰退風(fēng)險。這種方法不僅提高了照明效率，還能延長(cháng)LED的使用壽命。

為了克服當前的挑戰和適應LED驅動(dòng)器市場(chǎng)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(dòng)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(dòng)汽車(chē)中，PWM技術(shù)用于控制電動(dòng)機的速度和扭矩。通過(guò)調節PWM信號，電動(dòng)機可以實(shí)現平穩的加速和精確的速度控制，提供更好的駕駛體驗和能效。

在機器人系統中，PWM技術(shù)用于控制電動(dòng)機的運動(dòng)。通過(guò)精確的PWM調節，機器人可以實(shí)現靈活的運動(dòng)控制，完成各種復雜的操作任務(wù)。

各種工業(yè)控制設備也廣泛使用PWM技術(shù)來(lái)調節電流和電壓，以實(shí)現對設備的精準控制和優(yōu)化生產(chǎn)效率?？梢杂糜诳刂扑欧C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(SoC)解決方案的不同集成級別：

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

MOTIX? 橋： 用于小于300W的BDC電機驅動(dòng)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(dòng)器，例如用于汽車(chē)BDC和BLDC應用的電機系統IC或用于工業(yè)BLDC電機控制的 MOTIX? 6EDL7141。

MOTIX? MCU： 嵌入式系統IC集成了Arm? Cortex?-M CPU、電源、LIN或CAN-FD收發(fā)器，以及驅動(dòng)高達1KW的BDC和BLDC電機的橋式驅動(dòng)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(dòng)器和用于生產(chǎn)用途的底層驅動(dòng)程序。

圖3. 電動(dòng)汽車(chē)驅動(dòng)電機應用與工業(yè)自動(dòng)化機械臂

圖4. 三電平SVPWM空間矢量圖與馬鞍波調制信號

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電信

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

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能量的傳遞

在太陽(yáng)能光伏系統中，PWM技術(shù)用于控制逆變器，將太陽(yáng)能產(chǎn)生的直流電轉換為交流電。PWM技術(shù)可以精確調節逆變器的輸出電壓，確保光伏系統的能量轉換效率，并適應不同的光照條件。

圖5. 光伏發(fā)電系統

圖6. 英飛凌用于太陽(yáng)能組串式逆變器的功率晶體管

風(fēng)力發(fā)電系統中的發(fā)電機也使用PWM技術(shù)來(lái)控制電力輸出。PWM技術(shù)幫助調整風(fēng)力發(fā)電機的轉速和電力輸出，實(shí)現更高效的能量轉換和穩定的電力供應。

圖7. 風(fēng)力發(fā)電風(fēng)機

PWM技術(shù)的優(yōu)勢

（1）高效節能： PWM技術(shù)能夠通過(guò)快速開(kāi)關(guān)控制減少能量損耗，從而提高整體能效。例如，在空調和LED燈中，PWM技術(shù)可以有效節省電力，降低能源消耗。

（2）精確控制： PWM技術(shù)允許對電力輸出進(jìn)行精確調節，使設備能夠在各種工況下穩定運行。例如，電動(dòng)汽車(chē)中的電動(dòng)機和工業(yè)機器人中的運動(dòng)控制，都依賴(lài)PWM技術(shù)的精確控制來(lái)優(yōu)化性能。

（3）減少熱量產(chǎn)生： 由于PWM技術(shù)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)穩定，功率損耗較少，從而減少了設備的發(fā)熱。這不僅延長(cháng)了設備的使用壽命，也提高了系統的可靠性。

未來(lái)展望

隨著(zhù)科技的不斷進(jìn)步，PWM技術(shù)也在不斷發(fā)展。未來(lái)，PWM技術(shù)可能會(huì )在更多的應用領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。例如，在智能家居和工業(yè)自動(dòng)化中，先進(jìn)的PWM控制算法可能會(huì )進(jìn)一步提升系統的性能和效率。此外，隨著(zhù)新能源技術(shù)的推廣，PWM技術(shù)在高效電力轉換和控制方面的作用將變得更加重要。

脈寬調制（PWM）技術(shù)作為電力電子技術(shù)的核心之一，正以其高效、精確和節能的特性，改變著(zhù)我們的生活。從家中的智能家電到高效的新能源系統，PWM技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應用都展示了它的重要性和廣泛影響。通過(guò)了解PWM技術(shù)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(lái)科技的發(fā)展充滿(mǎn)期待。讓我們一起探索PWM技術(shù)的無(wú)限可能，為更加智能和綠色的未來(lái)貢獻力量。