电力电子变换器的先进脉宽调制技术图书目录

出版说明

《电气工程新技术丛书》编委会

前言

第1章电力电子变换器与脉宽调制技术基础

1.1电力电子器件和电力电子变换器

1.2脉宽调制技术简介

1.3电力电子技术的发展与挑战

1.4小结

参考文献

第2章脉宽调制技术的原理

2.1空间矢量PWM

2.2载波比较PWM

2.3空间矢量PWM与载波比较PWM的关系

2.4PWM中的一些非理想因素

2.5PWM的数学分析方法

2.6小结

参考文献

第3章脉宽调制对系统的影响

3.1脉宽调制技术对系统影响综述

3.2PWM与开关损耗

3.3PWM与电纹波

3.4PWM与电磁干扰

3.5改进范例：随机PWM

3.6小结

参考文献

第4章电力电子变换器的电流纹波预测模型

4.1单相逆变器的电流纹波预测模型

4.2三相电压型变换器电流纹波预测：戴维南等效电路

4.3通用多相变换器电流纹波预测方法

4.4考虑电路不对称的电流纹波预测

4.5直流母线电流预测

4.6非理想条件对预测的影响及应对

4.7小结

参考文献

第5章模型预测PWM技术

5.1模型预测PWM

5.2变开关频率PWM的架构

5.3基于电流纹波峰值的变开关频率PWM（VSFPWM1）

5.4基于电流纹波有效值的变开关频率PWM（VSFPWM2）

5.5基于其他优化目标的变开关频率PWM

5.6脉冲分布的控制：移相PWM

5.7小结

参考文献

第6章复杂拓扑结构的先进PWM

6.1复杂拓扑结构变换器及其PWM简介

6.2并联逆变器和载波移相PWM

6.3多电平变换器的变开关频率PWM

6.4电流型变换器的PWM策略

6.5小结

参考文献

第7章改进共模噪声的PWM技术

7.1共模噪声问题简介

7.2改进PWM策略对共模电压的抑制

7.3共模回路分析和共模电流抑制方法

7.4复杂拓扑结构与PWM消除共模

电压的方法

7.4.1多电平变换器：零共模PWM

7.4.2多电平变换器零共模PWM的不足

7.4.3多电平变换器：零共模PWM 变开关频率

7.4.4并联变换器：载波移相

7.4.5并联变换器：零共模PWM

7.4.6并联零共模PWM的算法改进——环流抑制

7.4.7并联零共模PWM的死区补偿方法

7.5小结

参考文献

第8章先进PWM的软硬件实现

8.1仿真中先进PWM的实现

8.2DSP中PWM的发生原理

8.3改进PWM的实现

8.3.1改进的PWM——变开关频率PWM

8.3.2改进的PWM——载波移相PWM

8.3.3改进的PWM——单开关周期内前后半周期不同比较值的实现

8.4小结

参考文献

《电力电子变换器的先进脉宽调制技术》综合介绍了电力电子变换器的先进脉宽调制（PWM）技术的原理和应用。脉宽调制技术是电力电子变换器的核心技术，利用它可实现控制系统对变换器的控制输出。传统的脉宽调制技术主要关注对参考波形的合成逼近效果，而忽视了损耗、电流纹波和电磁干扰等影响，并且没有有效利用脉冲的自由度。基于模型预测的先进脉宽调制策略是本书的核心内容，通过建立PWM影响的预测模型，有效地利用脉冲的自由度实现控制和性能的优化。本书针对先进脉宽调制，研究了从简单到复杂的拓扑结构下的应用方法，并且针对共模电压抑制的问题专门进行了研究和介绍。之后，对先进脉宽调制的软硬件实现方法也进行了简述。

《电力电子变换器的先进脉宽调制技术》可以供电气工程专业的教师、研究生以及高年级本科生使用，也可以供从事电力电子变流技术研发的工程技术人员参考。

脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。

多数负载（无论是电感性负载还是电容性负载）需要的调制频率高于10Hz，通常调制频率为1kHz到200kHz之间。

许多微控制器内部都包含有PWM控制器。例如，Microchip公司的PIC16C67内含两个PWM控制器，每一个都可以选择接通时间和周期。占空比是接通时间与周期之比；调制频率为周期的倒数。执行PWM操作之前，这种微处理器要求在软件中完成以下工作：

1、设置提供调制方波的片上定时器/计数器的周期

2、 在PWM控制寄存器中设置接通时间

3、设置PWM输出的方向，这个输出是一个通用I/O管脚

4、启动定时器

5、使能PWM控制器

如今几乎所有市售的单片机都有PWM模块功能，若没有（如早期的8051），也可以利用定时器及GPIO口来实现。更为一般的PWM模块（如：TI的2000系列、AVR的Mega系列、TI的LM系列）控制流程为：

1、使能相关的模块（PWM模块以及对应管脚的GPIO模块）。

2、配置PWM模块的功能，具体有：

①：设置PWM定时器周期，该参数决定PWM波形的频率。

②：设置PWM定时器比较值，该参数决定PWM波形的占空比。

③：设置死区（deadband），为避免桥臂的直通，需要设置死区，一般单片机都有该功能。

④：设置故障处理情况，一般为故障是封锁输出，防止过流损坏功率管，故障一般有比较器或ADC或GPIO检测。

⑤：设定同步功能，该功能在多桥臂，即多PWM模块协调工作时尤为重要。

3、设置相应的中断，编写ISR，一般用于电压电流采样，计算下一个周期的占空比，更改占空比，这部分也会有PI控制的功能。

4、使PWM波形发生。

PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。

对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。

总之，PWM既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效技术。

随着电子技术的发展，出现了多种PWM技术，其中包括：

1）相电压控制PWM

2）脉宽PWM

3）随机PWM

4）SPWM（Sinusoidal PWM，正弦曲线PWM）

5）线电压控制PWM

在镍氢电池智能充电器中采用的脉宽PWM法，它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充电电流的目的。

模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。模拟信号与数字信号的区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内，例如在{0V,5V}这一集合中取值。

尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。其中一点就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重（如老式的家庭立体声设备）和昂贵。模拟电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比。模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。

通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。此外，许多微控制器和DSP已经在芯片上包含了PWM控制器，这使数字控制的实现变得更加容易。