综述：脉宽调制技术对系统的影响

电力电子变换器通过开关的方式实现电能转换，这并不是一个理想的过程。在电能转换过程中器件和无源元件都承受对应的应力。同时由于开关动作在短时间尺度内完成，相当于在原有的系统中加入了宽频带的激励，对系统的影响在频域范围内也更加复杂。脉宽调制策略作为电能变换的执行机构，在各个方面对系统都具有重要的影响。对脉宽调制的改进和优化也必须基于对这些影响的正确理解。

以典型的两电平电压型变换器为例，图3-1所示为桥臂结构。在门极信号的驱动下，桥臂中点将产生与门极脉冲序列同步的电压脉冲序列。桥臂中的电力半导体器件在换流过程中也要承受对应的电压应力；同时在换流过程中，电力半导体内电流也在短时间尺度内发生突变。每次换流过程中电力半导体器件都会经历这样一个过程，并伴随载流子的复合过程，产生开关损耗，这个损耗会随着脉宽调制序列而不断累积。脉宽调制算法对系统的第一个重要影响就是开关损耗的累积。

图3-1 典型的电压型变换器桥臂(www.xing528.com)

在图3-1中，桥臂中点电压的特征是变换在正负直流母线电压之间近似的电压脉冲序列，而负载端电压则具有连续的性质。以电机驱动为例，负载端电压的主要成分是电机反电动势；以并网逆变器为例，负载端电压的主要成分是正弦电网电压。虽然如第2章所述，脉宽调制算法保证了每个开关周期内的平均电压与输出连续电压保持一致。每个开关周期内脉冲电压与负载端电压也存在明显的差别，因此在变换器与负载之间需要加入感性的解耦元件。脉冲电压与负载电压之差加在电感上，将产生电流纹波。由于电力电子变换器的开关特性，这种纹波是不可避免的。脉宽调制策略决定了电流纹波的产生源：电压差。对于电流型变换器，桥臂输出为脉冲电流的特性，纹波则主要为电压纹波。因此，脉宽调制算法对系统的第二个重要影响是电（流/压）纹波的特性。

图3-1中，由于桥臂中点的脉冲电压具有复杂的频率分量，系统电特性不再是只与负载基波分量有关，而是具有宽频带的特征。脉冲电压的高频分量将以电磁干扰（EMI）噪声的方式传导。EMI以传导方式的不同可以分为差模EMI和共模EMI两种。差模EMI在直流正负母线或者交流相间传导，传导回路是电气主回路；共模EMI是沿着直流母线或者交流母线同方向传播，通过系统的各种对地杂散参数传导入地，传导回路主要是电气杂散回路。EMI分量主要由两部分决定：一部分是脉冲的上升和下降，对应的时间尺度在微秒以下，导致EMI一般在MHz以上，这部分EMI主要是由电力半导体器件本身特性以及门极驱动决定的；另一部分则是由脉冲的组合方式决定，对应的时间尺度与开关频率紧密相关，导致EMI主要在开关频率的谐波频率上，一般在MHz以下，这部分EMI是由脉宽调制方法决定的。值得指出的是，共模EMI的噪声源是由所有相的脉宽调制算法共同决定的，相对差模EMI的噪声源更加复杂。因此，脉宽调制算法对系统的第三个重要影响是电磁干扰（EMI）噪声。

实际上，脉宽调制算法对系统的这三个主要影响，是脉宽调制算法的三个主要副作用，也是脉宽调制算法必须面对的问题。本章的3.2～3.4节将针对这三个部分进行具体介绍。