脉宽调制（PWM）技术作为现代电力电子与自动化控制领域的核心基石，其通过调节信号脉冲的宽度来等效获得所需的模拟波形或控制功率输出，在工业应用中，常见的PWM控制技术多种多样，每种技术都有其独特的算法逻辑、适用场景及优缺点,以下将详细阐述几种最为常见且关键的PWM控制技术。
最为基础且应用最广泛的是正弦脉宽调制（SPWM）技术，SPWM技术的核心思想是冲量等效原理，即利用面积等效的方式，用一系列等幅不等宽的脉冲来等效正弦波，在具体实现上，通常将一个正弦波作为调制波，与一个高频三角波（或锯齿波）作为载波进行比较，当调制波大于载波时，输出高电平；反之输出低电平，这种技术分为单极性和双极性两种调制方式，SPWM的最大优点是其生成的电压波形中基波分量占比较大，且由于载波频率固定，其高次谐波分量主要集中在载波频率及其倍频附近，这使得后续的滤波器设计变得相对简单，传统的SPWM技术存在直流电压利用率不高的问题，其线性调制范围受限，通常只能达到直流母线电压的0.866倍左右，为了解决这一问题，工程上常引入三次谐波注入技术，虽然增加了算法复杂度,但显著提升了电压利用率。
空间矢量脉宽调制（SVPWM）是目前变频器和高性能电机驱动中应用最为先进的技术之一，与SPWM着眼于相电压的独立控制不同，SVPWM将逆变器和电机视为一个整体，从三相输出电压的整体空间磁场轨迹出发，其目标是利用逆变器的不同开关状态，使输出电压矢量逼近一个理想的圆形旋转磁场，SVPWM通过计算参考电压矢量所在的扇区，利用相邻的两个基本电压矢量和零矢量进行时间分配合成，相较于SPWM，SVPWM具有极高的直流电压利用率（比SPWM高约15%），且在相同的开关频率下，输出电流的谐波失真更小，转矩脉动更低,这使得SVPWM成为高性能伺服系统和电动汽车驱动控制的首选方案。
第三，电流滞环跟踪PWM（CHB-PWM）是一种基于电流闭环控制的动态调制技术，它不直接生成电压波形，而是将实际输出电流与指令电流进行比较，当实际电流超出指令电流设定的误差上限时，开关器件动作使电流减小；当低于下限时，开关器件动作使电流增加，这种控制方式类似于继电器特性，具有响应速度快、实现简单、不需要载波发生器等优点，由于它直接控制电流，因此能够很好地抵抗负载参数变化的干扰，其缺点也很明显：开关频率不固定，随负载变化和滞环宽度的不同而波动，这会导致频谱分布较宽，给滤波器设计带来困难,且可能引发随机的高频噪声。
第四，特定谐波消去PWM（SHE-PWM）是一种基于傅里叶级数分析的离线计算技术，该技术通过精心选择输出波形中特定的开关时刻（通常是波形的缺口位置），建立非线性方程组，以消除输出电压中特定次数的低次谐波（如5次、7次、11次等），这种方法的显著优势是可以在较低的开关频率下获得非常优质的输出波形，特别适用于大功率电力电子装置，如高压变频器，因为这些场合受限于器件损耗，开关频率不能太高，SHE-PWM的求解过程涉及复杂的超越方程组，通常需要离线计算并存表，且在过调制区域难以实现动态调整,因此多用于稳态运行工况。
第五，移相PWM（PS-PWM）技术主要应用于多电平变换器和模块化多电平换流器（MMC）中，在多模块级联的系统中，如果所有模块同时动作，会产生巨大的电压跳变和电磁干扰，PS-PWM通过将各个子模块的载波相位均匀错开，使得叠加后的输出波形台阶数增加，等效开关频率大幅提升，这种技术不仅能显著减小滤波器的体积，还能在不提高单个器件开关频率的前提下，获得极佳的输出波形质量，是高压直流输电（HVDC）和大型储能变流器的关键技术。
为了更直观地对比这些技术,以下表格总结了其主要特性：
| 控制技术 | 核心原理 | 优点 | 缺点 | 典型应用 |
|---|---|---|---|---|
| SPWM | 正弦波与三角波比较 | 算法简单，谐波特性固定，滤波容易 | 直流电压利用率低 | 通用变频器、UPS电源 |
| SVPWM | 磁场圆轨迹逼近 | 利用率高，动态响应好，谐波少 | 算法复杂，计算量大 | 电动汽车驱动、伺服系统 |
| 电流滞环 | 电流上下限比较 | 响应极快，鲁棒性强 | 开关频率不固定，噪声大 | 有源滤波器、电机电流环 |
| SHE-PWM | 谐波方程组求解 | 低频下消除特定谐波，效率高 | 计算复杂，动态性能差 | 高压变频器、大功率传动 |
| PS-PWM | 载波相位错开 | 等效频率高，EMI性能好 | 系统同步控制复杂 | MMC换流阀、级联H桥 |
不得不提的是随机PWM技术，传统的PWM技术其谐波能量集中在载波频率处，这会导致电机运行时产生刺耳的啸叫声，随机PWM通过随机改变载波频率或随机改变脉冲位置，将集中的谐波能量“涂抹”到一个较宽的频带内，虽然总的谐波失真（THD）可能没有降低，但由于频谱分散，消除了特定频率的尖锐噪声，改善了听觉舒适度,常用于家电和电梯驱动系统。
常见的PWM控制技术涵盖了从简单的电压比较到复杂的空间矢量合成，从单一的波形生成到特定的谐波抑制，在实际工程应用中，选择何种PWM技术，需要综合考虑系统的成本、硬件算力、功率等级、效率要求以及电磁兼容性（EMC）标准，随着数字信号处理器（DSP）和现场可编程门阵列（FPGA）性能的飞速提升，模型预测控制（MPC）与PWM结合的新型控制策略也正在逐渐从实验室走向工业应用,为PWM技术家族增添新的活力。
相关问答FAQs
为什么SVPWM的直流电压利用率比SPWM高？ SPWM技术主要关注的是相电压的控制，其相电压峰值受限于直流母线电压的一半，线电压幅值最大只能达到直流母线电压的0.866倍，而SVPWM技术引入了零序分量（三次谐波），使得三相电压的中性点发生偏移，从而能够充分利用直流母线电压，从几何角度看，SVPWM生成的电压矢量轨迹能够填满整个六边形空间，使得输出线电压幅值最大可以达到直流母线电压本身，因此其电压利用率比SPWM提高了约15.47%。
在电机控制中，开关频率越高越好吗？ 并非如此，虽然提高PWM的开关频率可以使输出电流波形更接近正弦波，减少高次谐波和转矩脉动，降低电机的噪声和振动，但这也带来了负面影响，开关频率越高，功率器件（如IGBT或MOSFET）的开关损耗（开通和关断损耗）会成比例增加，导致驱动器发热严重，效率降低，高频开关会产生更严重的电磁干扰（EMI）问题，增加系统屏蔽和滤波的成本，工程师通常需要在波形质量、效率和成本之间寻找平衡,常见工业变频器的开关频率通常设定在2kHz至16kHz之间。
