パルス幅変調とは？わかりやすく解説

パルス幅変調（パルスはばへんちょう、英語: pulse width modulation、PWM）とは変調方法の一つであり、パルス波のデューティ比を変化させて変調すること。

制御工学、電子工学などにおいて、デューティ比を変化させる手法。
シンセサイザーで、パルス波のデューティ比を変化させること。

パルス幅変調の式

パルス幅変調の数学的扱いは次のようになる^[1]。簡単のため、入力信号として正弦波 $\;v(t)=v\sin \omega t\;$

チョッパ制御におけるPWMの例

高周波分巻式を除くチョッパ制御の場合、パルスの周波数は一定であり、パルスの幅だけを変化させることで平均電圧を可変とする。パルス幅が狭い場合は平均電圧が下がり、パルス幅が広いときは平均電圧が上がる。例えば次のパルスまでを10等分したとして、ON:OFFを2:8とすれば元の電圧の2/10つまり1/5になり、8:2なら8/10=4/5の電圧が得られる。100%の電圧が必要なときは単にONのままにするが、チョッパ装置そのものも抵抗となるため、それを短絡して直接負荷に流すこともある。

インバータ

詳細は「インバータ」を参照

マイコンにより、スイッチング素子のゲート電極に信号を流すタイミングを決めるためには、搬送波(もしくはキャリア)と呼ばれる三角波と、基本波(もしくは信号波)と呼ばれる正弦波を用いて、PWMで制御するインバータが一般的である^[4]。ゲート電極に信号を流すゲートドライブが搬送波と基本波の交点を検出し、4個（三相交流では6個）のスイッチング素子をオン／オフする。すると、右図のようなパルス（黄色い矩形）が得られ、その平均電圧（赤い線）が疑似正弦波交流になる。

これ以外にも信号を流すタイミングを決める方法はあるがここでは割愛する。

上記は2レベルインバーターである。2レベルというのは、パルスの電圧として100%、0%の2つを使っているという意味である。100%、50%、0%の3つの出力電圧を使うインバーターを3レベルインバータという。このようなインバータをマルチレベルインバータと称する。

脚注

^ 初等的な信号変調の教科書にならどの本でも書いてある。例えば、(F.R.コナー 1985)などを参照。
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[1] 初等的な信号変調の教科書にならどの本でも書いてある。例えば、(F.R.コナー 1985)などを参照。

[2] $\;x\;$
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パルスはば‐へんちょう〔‐ヘンテウ〕【パルス幅変調】