電力電子脈寬調制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，來自河北工業大學裴玉碩所的投稿

在現代科技迅猛發展的今天，我們的生活變得越來越智能、節能和環保。而在這一切背后，有一種技術默默地發揮著重要作用——那就是脈寬調制（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，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揮作用。

脈寬調制技術概述

脈寬調制（PWM）是一種通過調節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整“開”和“關”的時間比例，即“占空比”。通過改變占空比，可以調節輸出的電能，從而實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驅動信號

PWM技術現實中的應用

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LED照明亮度調節

LED照明系統中，PWM技術用于調節燈光的亮度。通過改變PWM信號的占空比，LED燈可以實現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

在電動汽車中，PWM技術用于控制電動機的速度和扭矩。通過調節PWM信號，電動機可以實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技術用于控制電動機的運動。通過精確的PWM調節，機器人可以實現靈活的運動控制，完成各種復雜的操作任務。

各種工業控制設備也廣泛使用PWM技術來調節電流和電壓，以實現對設備的精準控制和優化生產效率。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、收發器和橋式驅動器，例如用于汽車BDC和BLDC應用的電機系統IC或用于工業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收發器，以及驅動高達1KW的BDC和BLDC電機的橋式驅動器。

iMotion? 產品集成了工業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用途的底層驅動程序。

圖3. 電動汽車驅動電機應用與工業自動化機械臂

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

在太陽能光伏系統中，PWM技術用于控制逆變器，將太陽能產生的直流電轉換為交流電。PWM技術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. 光伏發電系統

圖6. 英飛凌用于太陽能組串式逆變器的功率晶體管

風力發電系統中的發電機也使用PWM技術來控制電力輸出。PWM技術幫助調整風力發電機的轉速和電力輸出，實現更高效的能量轉換和穩定的電力供應。

圖7. 風力發電風機

PWM技術的優勢

（1）高效節能： 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，在空調和LED燈中，PWM技術可以有效節省電力，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節，使設備能夠在各種工況下穩定運行。例如，電動汽車中的電動機和工業機器人中的運動控制，都依賴PWM技術的精確控制來優化性能。

（3）減少熱量產生： 由于PWM技術的開關狀態穩定，功率損耗較少，從而減少了設備的發熱。這不僅延長了設備的使用壽命，也提高了系統的可靠性。

未來展望

隨著科技的不斷進步，PWM技術也在不斷發展。未來，PWM技術可能會在更多的應用領域發揮重要作用。例如，在智能家居和工業自動化中，先進的PWM控制算法可能會進一步提升系統的性能和效率。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，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。