随机PWM的改进范例的介绍

在第2章中提到，传统的脉宽调制技术中有几个重要的自由度没有得到很好的应用。主要原因是过去对脉宽调制的主要研究集中在其基波和低次谐波的性能上，没有研究脉宽调制对于开关次数及其以上的频率分量的影响。本章中提出了PWM对于变换器性能的三个主要影响：开关损耗、电纹波和电磁干扰。针对这些性能的改善，就需要很好地利用PWM中可以利用的自由度。在下一章完成PWM对于电纹波预测的模型建立的基础上，将逐步介绍几种主要的基于预测模型的改进型PWM。本节中介绍一种最简单的改进型PWM：随机PWM，它不需要模型预测，但是也能在一定程度上改善系统性能。本节通过对随机PWM的介绍开始研究PWM对系统性能改进的第一个范例^[3-6]。

传统PWM策略都采用固定的开关频率，这样做比较简单，也利于电力电子变换器的设计，但却导致EMI噪声集中在开关频率的整数倍上，EMI噪声的峰值高，因此滤波器也需要针对这些缺点来设计。一个改进思路就是将开关频率随机分散，这样EMI噪声就会分布在更宽的频率范围从而使得噪声峰值有效降低。这种方法就是随机PWM（RPWM）。图3-8所示为不同PWM策略的电磁干扰比较示意图。采用定开关频率PWM，EMI的能量就集中在开关频率整数倍附近，能量集中导致EMI峰值高，容易超过EMI标准；采用随机PWM，能量将随机分布在频域内更广的范围，虽然总的EMI能量与定开关频率PWM类似，但是EMI峰值能得到有效降低，更容易满足EMI标准。

图3-8 不同PWM策略的电磁干扰比较示意图

a）定开关频率PWM b）随机PWM

随机PWM的实现如图3-9所示。在控制软件中设置一个随机数组rand[n]，n为一个足够大以保证数据随机分布的整数，rand[n]中每个数都是0～1之间随机分布的数。T_sn是标准的开关频率，为了保证开关频率的变化范围，设计系数λ。在每个开关周期内，根据图3-9中的方法，更新开关周期T_s，即更新载波的周期，与参考值比较产生对应的PWM信号，下一个开关周期从数组中选下一个数进行计算。这样每个开关周期的时间都按随机数组变化，实现了开关频率在可控范围内的随机变化，而EMI也会分布在频域内一个较广的范围而不再集中在某个频率的整数倍附近。

图3-9 随机PWM的实现(www.xing528.com)

本章用一个实际的应用范例来展示随机PWM的效果。图3-10是采用三种不同PWM方式的三电平维也纳型整流器的线电压、直流母线电压和相电流的试验波形比较。图3-10a和b分别采用了70kHz和40kHz的固定开关频率SVPWM，图3-10c采用了控制在55～70kHz的随机PWM。可以看出，三者在电压、电流波形上基本一致。分析对应的电压、电流的频谱得到的低次谐波时三者也基本类似，说明采用随机PWM并没有影响系统的电能质量。而三者的传导EMI比较结果如图3-11所示。采用70kHz或者40kHz的空间矢量PWM，EMI噪声集中在开关频率的整数倍，反映在EMI测量结果上就是噪声频谱振荡大；采用随机PWM，EMI测量结果振荡大大减小，EMI噪声更容易满足EMI标准。这个改进的范例证明了随机PWM在改善系统EMI上的有效性。

正是由于随机PWM在改善系统EMI上的效果，过去20年间有相当丰硕的研究成果。不过，随机PWM存在明显的问题。随机PWM抑制EMI的效果高度依赖于统计结果，而对于电流纹波和开关损耗则不可控制，可能导致开关损耗的增加和电流纹波峰值的增大。这些都是因为随机PWM没有基于系统的预测模型。在前言中提到的“先进”PWM的定义中，基于预测模型是先进PWM的一个重要特征，因此随机PWM只是一种改进的尝试，真正的基于模型预测的变开关频率PWM在后面章节将详细介绍。

图3-10 三种不同PWM对应的试验电压和电流波形

a）70kHz SVPWM b）40kHz SVPWM c）55～70kHz RPWM

图3-11 传导EMI的比较：固定开关频率SVPWM与随机PWM[6]