前言

脉宽调制（PWM）技术是电力电子变换器中的核心技术，是电力电子系统的控制器对功率单元最重要的输出。用流行的说法，电力电子系统在PWM信号发出之前的控制都是“比特世界”的控制，直到PWM信号发出，控制理论才与真实的系统实现了接口。或者说，PWM是控制系统中的执行环节，大部分控制对象的控制都是通过PWM实现的。

理想的电能变换控制就是希望任意的信号波形都能够被直接放大为大功率波形，模拟电子技术里的线性放大器就能实现这个目的。但是在中大功率的应用中，连续的参考波形是无法直接转换为大功率（电压或者电流）波形的。PWM的核心原理就是通过伏秒平衡（或者叫作“等面积”准则），实现脉冲对连续参考波形的等效。所谓“脉宽调制”指的就是调节脉冲宽度，实现对不同参考波形的等效。

然而，在电力电子这个仅有半个世纪历史的新兴学科中，PWM又是一门“古老”的分支。PWM技术起源于通信工程中的调制原理，随着20世纪中后期电力电子器件的应用，PWM技术在功率变换领域得到应用和发展。到以IGBT和MOSFET为代表的全控型高速开关器件广泛应用的世纪之交，PWM已经是一门很成熟的理论了。以空间矢量合成和载波比较为两大分支的PWM技术已经写进了教科书。尤其是2003年Holmes和Lipo两位教授的专著《Pulse Width Modulation for Power Converters：Principle and Practice》一书的出版，作者系统介绍了用完备的数学工具分析各类电能变换中的PWM原理和应用。可以说，大家都认为PWM的主要问题都已经被解决了。

笔者正是在那个时期开始学习电力电子和电力传动这门学科的，也有幸在刚刚学习PWM的时候，就读到了Holmes和Lipo教授刚刚出版的专著。但是随着深入的学习，尤其是在美国攻读博士学位时期参与一些科研项目时，渐渐发现过去PWM技术的一些局限性，才开始探索突破这些局限的方法。

过去实现PWM的时候主要采用一个开环的过程：输入参考波形（参考矢量）给PWM模块，根据参考波形（参考矢量）直接发出对应的脉冲。这个过程中，PWM对于系统的附带影响是不被考虑的。但是PWM实现过程中会给系统带来明显的副作用：开关损耗会随着PWM累积；PWM带来电流纹波和畸变；PWM给系统注入的高频激励会带来电磁干扰（EMI）的问题等。因为缺乏对这些影响的理解，开环控制下的PWM并没有实现对它们的最优化控制。

而在实现PWM的合成过程中，使用了很多“潜规则”，比如：脉冲是对称分布的，各相脉冲中间是对齐的，开关频率/周期是固定的。在保证脉冲与参考波形伏秒平衡的情况下，这些潜规则的应用并不是必需的。应用这些潜规则是因为过去主要关注PWM的基本性能，即对参考波形的逼近效果，而忽略了关注PWM带来的副作用的影响。随着对电能变换的品质要求越来越高，人们也越来越多地开始关注损耗、纹波和EMI，如何突破这些“潜规则”，利用脉冲的新自由度来优化系统性能成了一个重要的课题。但是要用好这些自由度来改善系统性能，首先必须理解PWM对系统这些性能的影响模型，能够通过预测的方法实时地利用PWM的自由度，最终实现“闭环”PWM，最优地利用PWM在每个开关周期的自由度。在PWM的几个影响中，纹波是与PWM同步的，是最适合预测和实时控制的。基于这个思路，笔者和笔者的同事们经过一系列的工作，建立起了电力电子变换器的纹波预测模型，以及基于此的模型预测PWM的理论架构，并推广到不同的拓扑和应用。

模型预测PWM，或者是本书中所称的“先进”PWM中的核心方法，本质上是利用了PWM对其影响的预测模型，实时地利用脉冲自由度来改善系统性能的脉宽调制方法。它的本质还是脉宽调制技术，是通过脉冲序列来逼近/合成参考波形。但是因为预测模型的帮助，它可以有效地利用PWM的自由度来优化性能，本质上是一个“闭环”的PWM方法。

包括Holmes和Lipo教授的专著在内，很多研究PWM的方法都是从频域出发，即研究脉冲序列的频域响应来评估PWM的性能。但是频域方法的主要缺点是无法实时地预测和进行控制。模型预测PWM技术是从时域的预测方法入手来实时改善性能。时域的预测方法是模型预测PWM的核心思路。

斗胆起“先进PWM”这个名称，并不代表笔者认为之前的PWM技术“落后”。正是在前人工作基础上，笔者才能够和同行们一起逐渐找到利用PWM自由度的方法。最开始建立“先进PWM”的工作都是基于最常用的三相两电平变换器。而随着变换器拓扑结构的复杂化，可以利用的自由度更多了，“先进PWM”的空间也更大了。将这些工作整合起来，就成为这本书的主体。

构思这本书，是2012年年初我博士毕业后，在美国联合技术公司工作时，在我租住的康涅狄格州曼彻斯特一间小阁楼里开始的。不过在企业的工作使我的学术理想冬眠了几年，在联合技术公司工作三年半，一直都没有提笔。感谢国家和湖北省的海外人才计划，让我在2015年有机会从工业界回到学术界。重新开始学术生活几个月，就接到了机械工业出版社的约书信，重新唤醒了我写这本书的想法，于是从头开始撰写这本书。因为在美国学习工作八年，这方面的工作没有留下任何中文积累，这本书真的是一个字一个字敲出来的。而写这本书也是一个再创新的过程，书中很多章节，实际上在开始写的时候还没有做出来，甚至没开始做。在写这本书的两年多时间里，很多新的成果才被做出来，也使这本书的内容比刚刚规划的时候更丰富了些。

这本书能完成，要感谢很多人。首先是我的博士生导师王飞（Fred Wang）教授，是他在弗吉尼亚理工大学和田纳西大学的指导让我进入了先进PWM这个领域。本书的核心内容，可以追溯到2010年秋天我刚刚转学到田纳西大学的时候和他的那几次讨论。另外要感谢我在美国联合技术公司的老板，Vladimir Blasko博士，他是本书中提到的载波比较PWM与空间矢量PWM统一理论的创立者之一，和他工作的三年半让我受益匪浅。我也要感谢我的硕士生导师赵争鸣教授等清华老师对我的培养。回国任教后，华中科技大学的很多老师也给予我很多帮助，特别要感谢的是曲荣海教授的帮助和支持。模型预测PWM的最初概念也是在和我的博士同学，现在美国通用电气公司全球研究中心（纽约州）的王汝锡博士讨论中得到灵感的，在这里一并致谢。

最后要感谢我的学生们，他们不仅参与了这本书的绘图和校对等具体工作，而且有很多同学的研究成果直接贡献给了本书的很多章节。他们是沈泽微、陈嘉楠、李桥、韩寻、张野驰、王翰祥、方志浩、邹天杰、俞学初等。

另外，感谢北方工业大学的张永昌教授百忙之中帮助审阅了全书。

这是我学术生涯出版的第一本书，疏漏在所难免，欢迎广大读者和专家学者批评指正。

编者