基于电流纹波有效值的变开关频率PWM（VSFPWM2）优化方案

基于电流纹波峰值的变开关频率PWM很好地利用了电流纹波分布不均的特点，能够同时实现开关频率和EMI的减小。在很多应用场合，对电流纹波的要求并不是峰值，而是有效值，即考虑电流纹波对系统的欧姆损耗而定义了电流纹波有效值的要求。和基于电流纹波峰值的变开关频率PWM不同，若电流纹波的要求是基于长时间尺度的有效值，变开关频率PWM虽然可以实现开关频率变化，但是平均开关频率相对固定开关频率PWM的下降是很有限的，即开关损耗的减小将不再明显。但是此时，仍然可以设计基于电流纹波有效值的变开关频率PWM，在保证电流纹波有效值的基础上，实现EMI的减小。相对于随机PWM，这样的变开关频率PWM对电流纹波的限制更好。

图5-17所示是基于电流纹波有效值的变开关频率PWM控制框图。和图5-8类似，首先通过闭环控制得到三相输出的占空比d_a、d_b和d_c，输入到基于定开关周期T_sN的电流纹波预测模块。与图5-8不同的是，预测得到的不再是电流纹波在这个开关周期的峰值，而是基于折线电流纹波的方均根值，即有效值I_ra、I_rb和I_rc。然后对这三相的电流纹波有效值再求一次方均根值，得到三相电流纹波的平均有效值I_{rms_ave}，送入开关周期更新模块。根据电流纹波有效值的要求更新开关周期T_s，使三相电流纹波的平均有效值等于要求的电流纹波有效值I_{rms_require}。

图5-17 基于电流纹波有效值的变开关频率PWM控制框图

同5.2节中的仿真条件，电流纹波有效值要求设置为1A。采用固定开关频率PWM的逆变器需要开关频率为16.1kHz，采用图5-17所示的基于电流纹波有效值的变开关频率PWM的开关频率如图5-18所示，在13.2～18.3kHz之间变化。可以看出，在平均开关频率上，基于电流纹波有效值的变开关频率PWM和固定开关频率PWM相比并没有明显优势，对开关损耗的改变也很有限。但是很好地控制了三相电流纹波有效值接近1A的要求。这时，变开关频率在EMI抑制上仍可以发挥优势，如图5-19所示，EMI噪声峰值实现了10dB以上的衰减。

图5-18 基于电流纹波有效值的变开关频率PWM的开关频率仿真结果(www.xing528.com)

图5-19 基于电流纹波有效值的变开关频率PWM的EMI仿真结果比较

不论是基于电流纹波峰值还是基于电流纹波有效值的VSFPWM都可以有效地降低EMI在频域的振荡，从而减小EMI的峰值。在EMI标准的要求下，等效于降低了EMI衰减的需求。图5-20所示是VSFPWM和CSPFWM对滤波的影响对比。以一个LC滤波器为例，理想状态下滤波器可以认为在转折频率f_c以上呈40dB/dec的衰减。根据EMI衰减需求，可以设计对应的转折频率f_c。虽然VSFPWM和CSFPWM相比，平均衰减需求没有明显变化，但是最大衰减需求得到了抑制，因此VSFPWM所设计的LC滤波器的转折频率f_c2可以大于CSFPWM所设计的LC滤波器的转折频率f_c1。由于这两种情况下其他参数是一致的，较大的转折频率可以得到较小的滤波器体积和重量，从而提高了系统的功率密度。

图5-20 VSFPWM与CSFPWM对滤波器的影响