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編輯推薦

適讀人群 ：電氣工程專業、自動化專業
《電力電子變換器的先進脈寬調製技術》核心內容是基於模型預測的先進脈寬調製策略，突破瞭傳統的脈寬調製技術的局限性。
對先進脈寬調製的軟硬件實現方法進行瞭介紹，有助於讀者將本書內容付諸於實踐。
內容介紹翔實透徹，並給齣瞭大量的仿真實例，方便讀者學習參考。

內容簡介

《電力電子變換器的先進脈寬調製技術》綜閤介紹瞭電力電子變換器的先進脈寬調製（PWM）技術的原理和應用。脈寬調製技術是電力電子變換器的核心技術，利用它可實現控製係統對變換器的控製輸齣。傳統的脈寬調製技術主要關注對參考波形的閤成逼近效果，而忽視瞭損耗、電流紋波和電磁乾擾等影響，並且沒有有效利用脈衝的自由度。基於模型預測的先進脈寬調製策略是本書的核心內容，通過建立PWM影響的預測模型，有效地利用脈衝的自由度實現控製和性能的優化。本書針對先進脈寬調製，研究瞭從簡單到復雜的拓撲結構下的應用方法，並且針對共模電壓抑製的問題專門進行瞭研究和介紹。之後，對先進脈寬調製的軟硬件實現方法也進行瞭簡述。
《電力電子變換器的先進脈寬調製技術》可以供電氣工程專業的教師、研究生以及高年級本科生使用，也可以供從事電力電子變流技術研發的工程技術人員參考。

目錄

齣版說明
《電氣工程新技術叢書》編委會
前言
第1章電力電子變換器與脈寬調製技術基礎
1.1電力電子器件和電力電子變換器
1.2脈寬調製技術簡介
1.3電力電子技術的發展與挑戰
1.4小結
參考文獻
第2章脈寬調製技術的原理
2.1空間矢量PWM
2.2載波比較PWM
2.3空間矢量PWM與載波比較PWM的關係
2.4PWM中的一些非理想因素
2.5PWM的數學分析方法
2.6小結
參考文獻
第3章脈寬調製對係統的影響
3.1脈寬調製技術對係統影響綜述
3.2PWM與開關損耗
3.3PWM與電紋波
3.4PWM與電磁乾擾
3.5改進範例：隨機PWM
3.6小結
參考文獻
第4章電力電子變換器的電流紋波預測模型
4.1單相逆變器的電流紋波預測模型
4.2三相電壓型變換器電流紋波預測：戴維南等效電路
4.3通用多相變換器電流紋波預測方法
4.4考慮電路不對稱的電流紋波預測
4.5直流母綫電流預測
4.6非理想條件對預測的影響及應對
4.7小結
參考文獻
第5章模型預測PWM技術
5.1模型預測PWM
5.2變開關頻率PWM的架構
5.3基於電流紋波峰值的變開關頻率PWM（VSFPWM1）
5.4基於電流紋波有效值的變開關頻率PWM（VSFPWM2）
5.5基於其他優化目標的變開關頻率PWM
5.6脈衝分布的控製：移相PWM
5.7小結
參考文獻
第6章復雜拓撲結構的先進PWM
6.1復雜拓撲結構變換器及其PWM簡介
6.2並聯逆變器和載波移相PWM
6.3多電平變換器的變開關頻率PWM
6.4電流型變換器的PWM策略
6.5小結
參考文獻
第7章改進共模噪聲的PWM技術
7.1共模噪聲問題簡介
7.2改進PWM策略對共模電壓的抑製
7.3共模迴路分析和共模電流抑製方法
7.4復雜拓撲結構與PWM消除共模
電壓的方法
7.4.1多電平變換器：零共模PWM
7.4.2多電平變換器零共模PWM的不足
7.4.3多電平變換器：零共模PWM+變開關頻率
7.4.4並聯變換器：載波移相
7.4.5並聯變換器：零共模PWM
7.4.6並聯零共模PWM的算法改進——環流抑製
7.4.7並聯零共模PWM的死區補償方法
7.5小結
參考文獻
第8章先進PWM的軟硬件實現
8.1仿真中先進PWM的實現
8.2DSP中PWM的發生原理
8.3改進PWM的實現
8.3.1改進的PWM——變開關頻率PWM
8.3.2改進的PWM——載波移相PWM
8.3.3改進的PWM——單開關周期內前後半周期不同比較值的實現
8.4小結
參考文獻

前言/序言

脈寬調製（PWM）技術是電力電子變換器中的核心技術，是電力電子係統的控製器對功率單元最重要的輸齣。用流行的說法，電力電子係統在PWM信號發齣之前的控製都是“比特世界”的控製，直到PWM信號發齣，控製理論纔與真實的係統實現瞭接口。或者說，PWM是控製係統中的執行環節，大部分控製對象的控製都是通過PWM實現的。
理想的電能變換控製就是希望任意的信號波形都能夠被直接放大為大功率波形，模擬電子技術裏的綫性放大器就能實現這個目的。但是在中大功率的應用中，連續的參考波形是無法直接轉換為大功率（電壓或者電流）波形的。PWM的核心原理就是通過伏秒平衡（或者叫作“等麵積”準則），實現脈衝對連續參考波形的等效。所謂“脈寬調製”指的就是調節脈衝寬度，實現對不同參考波形的等效。
然而，在電力電子這個僅有半個世紀曆史的新興學科中，PWM又是一門“古老”的分支。PWM技術起源於通信工程中的調製原理，隨著20世紀中後期電力電子器件的應用，PWM技術在功率變換領域得到應用和發展。到以IGBT和MOSFET為代錶的全控型高速開關器件廣泛應用的世紀之交，PWM已經是一門很成熟的理論瞭。以空間矢量閤成和載波比較為兩大分支的PWM技術已經寫進瞭教科書。尤其是2003年Holmes和Lipo兩位教授的專著《Pulse Width Modulation for Power Converters: Principle and Practice》一書的齣版，作者係統介紹瞭用完備的數學工具分析各類電能變換中的PWM原理和應用。可以說，大傢都認為PWM的主要問題都已經被解決瞭。
筆者正是在那個時期開始學習電力電子和電力傳動這門學科的，也有幸在剛剛學習PWM的時候，就讀到瞭Holmes和Lipo教授剛剛齣版的專著。但是隨著深入的學習，尤其是在美國攻讀博士學位時期參與一些科研項目時，漸漸發現過去PWM技術的一些局限性，纔開始探索突破這些局限的方法。
過去實現PWM的時候主要采用一個開環的過程：輸入參考波形（參考矢量）給PWM模塊，根據參考波形（參考矢量）直接發齣對應的脈衝。這個過程中，PWM對於係統的附帶影響是不被考慮的。但是PWM實現過程中會給係統帶來明顯的副作用：開關損耗會隨著PWM纍積；PWM帶來電流紋波和畸變；PWM給係統注入的高頻激勵會帶來電磁乾擾（EMI）的問題等。因為缺乏對這些影響的理解，開環控製下的PWM並沒有實現對它們的最優化控製。
而在實現PWM的閤成過程中，使用瞭很多“潛規則”，比如：脈衝是對稱分布的，各相脈衝中間是對齊的，開關頻率/周期是固定的。在保證脈衝與參考波形伏秒平衡的情況下，這些潛規則的應用並不是必需的。應用這些潛規則是因為過去主要關注PWM的基本性能，即對參考波形的逼近效果，而忽略瞭關注PWM帶來的副作用的影響。隨著對電能變換的品質要求越來越高，人們也越來越多地開始關注損耗、紋波和EMI，如何突破這些“潛規則”，利用脈衝的新自由度來優化係統性能成瞭一個重要的課題。但是要用好這些自由度來改善係統性能，首先必須理解PWM對係統這些性能的影響模型，能夠通過預測的方法實時地利用PWM的自由度，最終實現“閉環”PWM，最優地利用PWM在每個開關周期的自由度。在PWM的幾個影響中，紋波是與PWM同步的，是最適閤預測和實時控製的。基於這個思路，筆者和筆者的同事們經過一係列的工作，建立起瞭電力電子變換器的紋波預測模型，以及基於此的模型預測PWM的理論架構，並推廣到不同的拓撲和應用。
模型預測PWM，或者是本書中所稱的“先進”PWM中的核心方法，本質上是利用瞭PWM對其影響的預測模型，實時地利用脈衝自由度來改善係統性能的脈寬調製方法。它的本質還是脈寬調製技術，是通過脈衝序列來逼近/閤成參考波形。但是因為預測模型的幫助，它可以有效地利用PWM的自由度來優化性能，本質上是一個“閉環”的PWM方法。
包括Holmes和Lipo教授的專著在內，很多研究PWM的方法都是從頻域齣發，即研究脈衝序列的頻域響應來評估PWM的性能。但是頻域方法的主要缺點是無法實時地預測和進行控製。模型預測PWM技術是從時域的預測方法入手來實時改善性能。時域的預測方法是模型預測PWM的核心思路。
鬥膽起“先進PWM”這個名稱，並不代錶筆者認為之前的PWM技術“落後”。正是在前人工作基礎上，筆者纔能夠和同行們一起逐漸找到利用PWM自由度的方法。最開始建立“先進PWM”的工作都是基於最常用的三相兩電平變換器。而隨著變換器拓撲結構的復雜化，可以利用的自由度更多瞭，“先進PWM”的空間也更大瞭。將這些工作整閤起來，就成為這本書的主體。
構思這本書，是2012年初我博士畢業後，在美國聯閤技術公司工作時，在我租住的康涅狄格州曼徹斯特一間小閣樓裏開始的。不過在企業的工作使我的學術理想鼕眠瞭幾年，在聯閤技術公司工作三年半，一直都沒有提筆。感謝國傢和湖北省的海外人纔計劃，讓我在2015年有機會從工業界迴到學術界。重新開始學術生活幾個月，就接到瞭機械工業齣版社的約書信，重新喚醒瞭我寫這本書的想法，於是從頭開始撰寫這本書。因為在美國學習工作八年，這方麵的工作沒有留下任何中文積纍，這本書真的是一個字一個字敲齣來的。而寫這本書也是一個再創新的過程，書中很多章節，實際上在開始寫的時候還沒有做齣來，甚至沒開始做。在寫這本書的兩年多時間裏，很多新的成果纔被做齣來，也使這本書的內容比剛剛規劃的時候更豐富瞭些。
這本書能完成，要感謝很多人。首先是我的博士生導師王飛（Fred Wang）教授，是他在弗吉尼亞理工大學和田納西大學的指導讓我進入瞭先進PWM這個領域。本書的核心內容，可以追溯到2010年鞦天我剛剛轉學到田納西大學的時候和他的那幾次討論。另外要感謝我在美國聯閤技術公司的老闆，Vladimir Blasko博士，他是本書中提到的載波比較PWM與空間矢量PWM統一理論的創立者之一，和他工作的三年半讓我受益匪淺。我也要感謝我的碩士生導師趙爭鳴教授等清華老師對我的培養。迴國任教後，華中科技大學的很多老師也給予我很多幫助，特彆要感謝的是麯榮海教授的幫助和支持。模型預測PWM的最初概念也是在和我的博士同學，現在美國通用電氣公司全球研究中心（紐約州）的王汝锡博士討論中得到靈感的，在這裏一並緻謝。
最後要感謝我的學生們，他們不僅參與瞭這本書的繪圖和校對等具體工作，而且有很多同學的研究成果直接貢獻給瞭本書的很多章節。他們是瀋澤微、陳嘉楠、李橋、韓尋、張野馳、王翰祥、方誌浩、鄒天傑、俞學初等。
另外，感謝北方工業大學的張永昌教授百忙之中幫助審閱瞭全書。
這是我學術生涯齣版的第一本書，疏漏在所難免，歡迎廣大讀者和專傢學者批評指正。
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