电压型、电流型变换器中PWM的关键设计

由于电力电子变换器不是理想的电压源或者电流源，而是离散化的脉冲电压源或者电流源，输出的电压和电流与参考值存在明显差异，输出电压和电流纹波是必然的结果。以电压型变换器为例，图3-3所示是电压型变换器的桥臂及其负载。在桥臂端口的电压是由PWM得到的电压脉冲序列，而负载电压是连续值，如电机的反电动势或者并网逆变器的网侧电压。根据伏秒平衡的原则，脉冲序列的平均值等于负载电压的平均值，但是在每个开关周期，脉冲电压V_s与输出平均电压V_a有明显的差别。这个电压差加在输出电感上就产生了电流纹波。这个电流纹波将影响系统的振动噪声和电气特性，一般会给予限制。

电感的电流变化率di/dt与电感两端的电压成正比。由于开关组合的脉冲电压与负载电压之差加在电感上，每一段电压在电感上产生近似线性变化的电流纹波，组成折线状的电感电流。在理解了这个原理后，电流纹波就可以有效地进行分析和预测。对于简单的单相变换器，开关状态简单，电流纹波也容易预测。但是对于三相以及更多相的变换器，电流纹波被每一相的开关动作所影响，原理复杂。对于负载连接方法不同的变换器，电流纹波也会有所不同。本书第4章就以这个原理介绍电流纹波的预测方法。

图3-3 典型的电压型变换器桥臂与负载

电压型变换器输出端的脉冲电压产生电流纹波，与之对应的电流型变换器的原理则有所不同。图3-4为典型的电流型变换器与负载的连接图。直流母线电感保证了直流电流的连续性，通过三相桥臂的开关，在三相输出上表现为脉冲电流序列。三相输出电容上的电压为连续正弦电压。由于负载的三相电流为连续电流，变换器输出脉冲电流与负载电流之差将为输出电容充电，在三相输出正弦电压上叠加电压纹波。因此，PWM给系统带来的电纹波不仅可以是电压型变换器中的电流纹波，也可以是电流型变换器中的电压纹波。

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图3-4 典型的电流型变换器与负载

另外，PWM不仅影响交流侧的电纹波，还影响直流侧的电纹波。图3-5所示是一个典型的三相电压型变换器的三相交流电流与直流母线电流i_dc的关系。每相中桥臂上管开通时，对应的相电流注入正直流母线。因此，直流母线电流满足式（3-3）的关系。S_a、S_b和S_c是三相的开关函数，在1和0之间切换。因此，直流母线电流是被PWM斩波得到的脉冲电流序列，直接由PWM决定。而且直流母线电流的频率影响了直流母线电容的设计以及储能电池的可靠性等。综上所述，PWM的设计是一个关键。

图3-5 电压型变换器直流电流的分析

i_dc=S_ai_a+S_bi_b+S_ci_c （3-3）