PWM策略，提升共模电压抑制效果

图7-5 不同PWM下一个开关周期内的三相开关函数和对应的共模电压

a）SVPWM b）DPWMMAX c）DPWMMIN d）AZSPWM e）NSPWM

为了设计能改善共模电压的先进PWM策略，首先要分析普通PWM对共模电压的影响。以图7-2所示的最典型的直流供电下的逆变器驱动电机模型为例，通过载波比较的PWM模型，可以把最通用的空间矢量PWM（SVPWM）和不连续调制PWM（DPWM）方式下一个载波周期的开关函数和对应的共模电压展示在图7-5a、b和c中。其中SVPWM对应的是图7-5a的波形。由于三相开关函数中间对称，两侧T₀/4时间对应000矢量，中间T₀/2时间对应111矢量。而式（7-1）所示的共模电压计算中，000矢量代表各相电压均为-V_dc/2，因此共模电压为-V_dc/2；111矢量代表各相电压均为V_dc/2，因此共模电压为V_dc/2。中间100和110矢量对应的共模电压为-V_dc/6和V_dc/6。因此一个开关周期内的共模电压呈现四个不同值的对称阶梯状，幅值为V_dc/2，在零矢量时达到。图7-5b、c是最大值钳位和最小值钳位下的DPWM的开关函数与共模电压。与SVPWM类似，共模电压最大值V_dc/2与最小值-V_dc/2都在零矢量时达到，不同的是一个开关周期内，最大值钳位DPWM只有111矢量对应V_dc/2而最小值钳位DPWM只有000矢量对应-V_dc/2。可以看出，零矢量带来的共模电压是逆变器共模电压中幅值最大的，降低共模电压的主要思路就是如何避免使用零矢量。

在图7-5a、b和c中，零矢量出现的主要原因就是三相PWM采用统一对齐的方式，如果将占空比居中的那一相（图7-5中的b相）由中间对齐移相180°变为两侧对齐，就可以在两侧将000矢量变为010矢量，中间将111矢量变为101矢量，从而在整个开关周期内避开000和111这两个零矢量，将共模电压幅值由V_dc/2减为V_dc/6。对于SVPWM，这样的改变如图7-5d所示，对于最小值钳位DPWM，这样的改变如图7-5e所示。两者都可以有效地将共模电压幅值减为之前的1/3。

但是必须指出，不是任何情况下对DPWM的这种改进都可以实现共模电压下降到之前的1/3。以图7-5c所示的DPWM为例，当调制比m很小的情况下，即使将b相PWM从中间对齐改为两侧对齐，也有一段无法回避使用零矢量，如图7-6所示。即改进的DPWM对共模电压的抑制效果受到调制比的限制。

图7-6 低调制比下DPWM的改进不能减小共模电压幅值

文献[4-6]利用空间矢量的方法对这样的改进方法进行了详细的分析。实际上，图7-5载波比较中实现的改进共模电压的PWM都有对应的空间矢量解释。图7-7所示就是图7-5d、e这两种典型的改进型PWM的空间矢量解释。图7-7a所示是对SVPWM的改进，被命名为“动态零状态PWM”（Active Zero StatePWM，AZSPWM），即在矢量V_ref的合成中，不采用000和111这两个零矢量，而是采用相反方向两个矢量作用同样长时间来实现等效的“动态零矢量”。即图7-7a中用V₃（010）和V₆（101）这两个相反矢量来实现零矢量的效果。这样的效果和图7-5d的效果是一致的。图7-7b所示是对DPWM的改进，被命名为“相邻状态PWM”（Near State PWM，NSPWM），即在矢量V_ref的合成中，不仅通过V_ref所在扇区的两个相邻矢量（V₁和V₂）合成，而且引入相邻扇区的第三个矢量（V₃）来参与合成。这样在不依赖零矢量的基础上，也能求解得到唯一的三组作用时间，实现矢量的合成，从而回避开了零矢量的使用，其效果与图7-5e也是一致的。

图7-7 共模改进型PWM的空间矢量分析

a）AZSPWM b）NSPWM[4](www.xing528.com)

由于空间矢量与载波比较这两种实现方式具有等效性，以及载波比较在控制器软硬件中具有易实现性，本章采用载波比较作为改进共模电压的实现方式。图7-8所示为微控制器中实现AZSPWM和NSPWM这两种改进共模电压的PWM的实现原理。在控制器实现基本的占空比计算后，生成了正弦PWM（SPWM）。如第2章中所述，通过注入不同的共模调制函数可以将SPWM改变为SVPWM和DPWM。此时，根据三相占空比的长度比较，选择长度居中的那一相将载波移相180°，就可以将SVPWM和DPWM变为AZSPWM和NSPWM输出了。这样输出的共模电压就从V_dc/2下降为V_dc/6。

图7-8 改进共模电压的PWM实现原理

实验中，通过这种实现方法得到的AZSPWM和NSPWM对应的输出电压和共模电压局部放大如图7-9所示。采用AZSPWM和NSPWM后，占空比居中所对应的相的脉冲都移相了180°，实现了共模电压峰值削减为V_dc/6。

图7-9 各相输出电压与共模电压局部放大实验结果

a）AZSPWM b）NSPWM

采用一个整基波周期的实验结果，比较改进型PWM与传统PWM的共模电压，实验结果如图7-10所示。可以看出，AZSPWM相对于SVPWM，共模电压减小2/3；NSPWM相对于DPWM，共模电压也减小2/3。

图7-10 整基波周期内共模电压比较实验结果