背后的同一个思路
不接中性线的三相负载只对线电压有反应。因此在三相参考中加入同一个信号 v0,对负载没有任何影响,却会使桥臂电压整体上下移动。v0 的选择决定了波峰有多高、哪一相被钳位到母线、开关切换发生几次以及纹波如何分布。本页的所有方法都按照 Hava、Kerkman 和 Lipo 的分类,用零序信号来定义。
关于名称:这里的 DSVM 指不连续空间矢量调制,即下面的 DPWM 族。同一缩写也用于直接转矩控制(DTC)中的离散空间矢量调制(discrete space vector modulation),那是另一种技术,本页不涉及。
所有方法统一使用一个指标
本页使用 m = V1,peak / (V_dc/2),即相对于半母线电压的基波相电压。正弦-三角载波 PWM 在 m = 1 以内是线性的。加入合适零序分量的方法,包括三次谐波注入、SVPWM 以及所有 DPWM,都可线性到 2/√3 ≈ 1.155,此时线电压峰值恰好达到 V_dc。六步方波可达 4/π ≈ 1.273,但已不是 PWM。第二个指标 M = V1 / V1,六步 下,三者分别为 0.785、0.907 和 1。
连续方法:SPWM、三次谐波注入、SVPWM
正弦-三角载波 PWM 直接把每相参考与载波比较,最简单,但对直流母线的利用最低。注入幅值为基波六分之一的三次谐波可使波峰变平,线性范围扩展到 2/√3。SVPWM 用 v0 = −(v_max + v_min)/2 达到同样的极限,只需比较而无需 3θ 信号,并给出与对称空间矢量时序相同的开关序列(见 SVPWM 可视化讲解)。这三种方法在每个载波周期内每个桥臂都切换两次。
不连续方法(DPWM,也称 DSVM)
不连续方法选择 v0,使一相在每个电周期中有 120° 停留在母线上。钳位期间该桥臂不开关,因此在相同载波频率下切换次数减少三分之一;若保持平均开关次数相同,载波频率可提高到 1.5 倍。仿真确认六种变体每相钳位均为 120°,开关比例恰为 2/3。
开关损耗能减少多少,取决于钳位区相对于电流的位置。若损耗与换流电流成正比,DPWM1 在单位功率因数下、DPWM2 在滞后 30° 时、DPWM0 在超前 30° 时,损耗都降到连续 PWM 的一半;在 ±90° 附近,DPWM3 是该族中最好的。DPWMMAX 和 DPWMMIN 使上下管应力不均。DPWM0、DPWM1、DPWM2 是 Hava、Kerkman 和 Lipo 于 1998 年提出的广义 DPWM 的特例,后者随功率因数移动钳位区。
六步方波
六步方波以 180° 方波驱动每个桥臂,相电压基波为 4/π·V_dc/2,是两电平逆变器能输出的最大值。代价是低次谐波:5、7、11、13 次谐波以 V1/n 的幅值出现,线电压 THD 约为 31 %。需要在最高转速下用尽电压的驱动器,会经过过调制逐步过渡到六步方波,并接受该区间更大的电流纹波和转矩脉动。
谐波质量
畸变图是仿真结果而不是闭式。它使用线电压的加权 THD,√Σ(V_n/n)² / V1,该指标能反映感性负载中的电流纹波。载波频率相同时,不连续方法较差,因为被钳位的相放弃了开关。平均开关频率相同时,它们在高调制比下占优:本仿真中根据变体不同,约在 m = 0.8~0.87 以上,而在此以下 SVPWM 更好。三次谐波注入与 SVPWM 接近,SPWM 在高调制比下最差。
如何选择
SVPWM 或等效的 min–max 注入是通常的默认选择:线性范围完整,计算简单,全范围纹波良好。当开关损耗占主导、逆变器长时间工作在高调制比时,例如牵引和其他大功率驱动,会选择 DPWM;变体应与典型功率因数匹配,常见做法是在 DPWM 纹波较大的低调制比下切回 SVPWM。六步方波只在转速范围的顶端使用。三次谐波注入在数字控制器中主要具有历史意义。
参考文献
D. G. Holmes and T. A. Lipo, Pulse Width Modulation for Power Converters: Principles and Practice, IEEE Press / Wiley, 2003.
A. M. Hava, R. J. Kerkman and T. A. Lipo, "Simple analytical and graphical methods for carrier-based PWM-VSI drives," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 14, no. 1, January 1999. DOI 10.1109/63.737592.
A. M. Hava, R. J. Kerkman and T. A. Lipo, "A high-performance generalized discontinuous PWM algorithm," IEEE Transactions on Industry Applications, 1998. DOI 10.1109/28.720446.
零序定义依据上述论文。DPWM0、DPWM1、DPWM2 的开关损耗闭式由本页按同一线性损耗模型推导,并与数值积分对照;畸变曲线为本页自己的仿真结果。
动画严格按照本页给出的公式绘制。不同教材和软件库的约定各不相同,比较数值前请先确认所用代码的约定。