PWM脉宽调制技术是一种通过调整脉冲信号的宽度来控制平均输出电压或电流的电子控制方法，其核心在于利用数字信号对模拟电路进行有效控制，具有高效、灵活、精确等优点，在现代电力电子、电机控制、照明调节等领域得到广泛应用，该技术的基本原理是通过改变脉冲周期内高电平持续时间（即脉宽）与周期的比值（占空比），从而实现对输出信号平均值的控制，在一个固定周期T的脉冲信号中，若高电平持续时间为t，则占空比D=t/T，当占空比从0%变化到100%时，输出平均电压可在0到最大值之间线性调节，这种控制方式避免了传统模拟调节中电阻发热大、效率低等问题。
PWM技术的实现依赖于特定的硬件电路和软件算法，硬件方面，通常采用比较器、定时器或专用PWM控制器芯片，如微控制器（MCU）中的PWM模块，以MCU为例，其内部定时器可配置为PWM模式，通过自动重载计数器与比较寄存器的值匹配来生成脉冲信号，当计数器值小于比较寄存器值时输出高电平，反之输出低电平，通过动态调整比较寄存器的值即可改变占空比，软件算法则涉及对占空比的实时计算和更新，在闭环控制系统中，还需结合传感器反馈信号（如电流、速度、位置等）通过PID等控制算法动态优化PWM输出,以达到精确控制目标。
根据调制信号和载波信号的关系，PWM技术可分为多种类型，以满足不同应用场景的需求,常见分类如下表所示：
| 分类方式 | 类型 | 特点 | 典型应用 |
|---|---|---|---|
| 载波信号类型 | 正弦PWM（SPWM） | 载波为三角波，调制信号为正弦波，输出脉冲宽度按正弦规律变化 | 逆变器、电机调速 |
| 方波PWM | 载波为方波，调制信号为直流或低频信号，实现简单 | 直流电源、简单电机控制 | |
| 调制信号与载波关系 | 异步PWM | 调制信号频率与载波频率无关，谐波成分复杂 | 开关电源、DC-DC变换器 |
| 同步PWM | 调制信号频率与载波频率成整数倍关系，谐波抑制效果好 | 高精度电机控制、并网逆变器 | |
| 输出电平数量 | 双极性PWM | 输出包含正负电平，可双向控制电流 | 交流电机驱动、H桥电路 |
| 单极性PWM | 输出仅有正电平或零电平，开关损耗较低 | 直流电机控制、 Buck/Boost变换器 |
在电机控制领域，PWM技术是实现精确调速的关键，在直流电机控制中，通过调整PWM占空比可改变电机两端的平均电压，从而控制转速；在交流电机矢量控制中，SPWM技术可生成等效正弦波的电压波形，实现电机转矩和磁场的解耦控制，提升动态响应性能，在电源变换领域，PWM技术广泛应用于开关电源，通过控制开关管的导通与关断时间，实现电压升降或极性变换，相比线性电源，其效率可提升至90%以上，且体积更小、重量更轻，在LED照明调光、温度控制、音频放大等场景，PWM技术也因其高效率、高精度和无噪音调节等优势成为首选方案。
PWM技术的性能优化主要围绕谐波抑制、动态响应和效率提升展开，谐波问题可通过提高载波频率、采用多电平PWM或空间矢量PWM（SVPWM）技术改善，例如SVPWM通过合成空间电压矢量，可使谐波含量降低30%以上，同时提高直流电压利用率，动态响应优化依赖于控制算法的改进，如模糊PID、神经网络自适应算法等，可减少负载突变时的调节时间，效率提升方面，零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS）等软开关技术与PWM结合，可降低开关损耗,适用于高频大功率场合。
PWM技术应用也面临挑战，高频开关可能导致电磁干扰（EMI），需通过合理的PCB布局、滤波电路设计（如LC滤波器）和屏蔽措施来抑制；开关管的开关损耗随频率升高而增加，需在开关频率和效率之间进行权衡，随着宽禁带半导体（如GaN、SiC）的发展，PWM技术将向更高频率（MHz级）、更高效率、更小体积方向演进，同时在新能源汽车、智能电网、工业4.0等领域的应用将更加深入。
相关问答FAQs
Q1：PWM技术中的占空比与输出电压的关系是什么？
A1：占空比是指脉冲信号高电平持续时间与周期的比值（D=t/T），在PWM控制中，输出平均电压与占空比成正比，即Vout=D×Vmax（Vmax为输入电压或电源电压），当占空比为50%时，输出平均电压为最大值的一半；占空比为0%时，输出电压为0；占空比为100%时，输出电压等于最大值，通过线性调节占空比,可实现对输出电压的精确控制。
Q2：为什么SPWM技术在逆变器中应用广泛？
A2：SPWM（正弦脉宽调制）技术通过将正弦调制信号与三角载波信号比较，生成脉冲宽度按正弦规律变化的PWM波形，这种波形的基波分量接近理想正弦波，可有效降低谐波含量，减少电机损耗和电磁干扰，SPWM技术易于实现数字化控制，动态响应快，且可通过调制比灵活调节输出电压幅值，因此在交流电机驱动、并网逆变器等需要高质量正弦波输出的场合得到广泛应用。
