前言

脈寬調制（PWM）技術是電力電子變換器中的核心技術，是電力電子系統的控制器對功率單元最重要的輸出。用流行的說法，電力電子系統在PWM信號發出之前的控制都是“比特世界”的控制，直到PWM信號發出，控制理論才與真實的系統實現了接口。或者說，PWM是控制系統中的執行環節，大部分控制對象的控制都是通過PWM實現的。

理想的電能變換控制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，模擬電子技術里的線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“等面積”準則），實現脈沖對連續參考波形的等效。所謂“脈寬調制”指的就是調節脈沖寬度，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歷史的新興學科中，PWM又是一門“古老”的分支。PWM技術起源于通信工程中的調制原理，隨著20世紀中后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為代表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了。以空間矢量合成和載波比較為兩大分支的PWM技術已經寫進了教科書。尤其是2003年Holmes和Lipo兩位教授的專著《Pulse Width Modulation for Power Converters：Principle and Practice》一書的出版，作者系統介紹了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，大家都認為PWM的主要問題都已經被解決了。

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，就讀到了Holmes和Lipo教授剛剛出版的專著。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，才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）直接發出對應的脈沖。這個過程中，PWM對于系統的附帶影響是不被考慮的。但是PWM實現過程中會給系統帶來明顯的副作用：開關損耗會隨著PWM累積；PWM帶來電流紋波和畸變；PWM給系統注入的高頻激勵會帶來電磁干擾（EMI）的問題等。因為缺乏對這些影響的理解，開環控制下的PWM并沒有實現對它們的最優化控制。

而在實現PWM的合成過程中，使用了很多“潛規則”，比如：脈沖是對稱分布的，各相脈沖中間是對齊的，開關頻率/周期是固定的。在保證脈沖與參考波形伏秒平衡的情況下，這些潛規則的應用并不是必需的。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，而忽略了關注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”，利用脈沖的新自由度來優化系統性能成了一個重要的課題。但是要用好這些自由度來改善系統性能，首先必須理解PWM對系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，是最適合預測和實時控制的。基于這個思路，筆者和筆者的同事們經過一系列的工作，建立起了電力電子變換器的紋波預測模型，以及基于此的模型預測PWM的理論架構，并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，本質上是利用了PWM對其影響的預測模型，實時地利用脈沖自由度來改善系統性能的脈寬調制方法。它的本質還是脈寬調制技術，是通過脈沖序列來逼近/合成參考波形。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的方法都是從頻域出發，即研究脈沖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制。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。

斗膽起“先進PWM”這個名稱，并不代表筆者認為之前的PWM技術“落后”。正是在前人工作基礎上，筆者才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”的工作都是基于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了，“先進PWM”的空間也更大了。將這些工作整合起來，就成為這本書的主體。

構思這本書，是2012年年初我博士畢業后，在美國聯合技術公司工作時，在我租住的康涅狄格州曼徹斯特一間小閣樓里開始的。不過在企業的工作使我的學術理想冬眠了幾年，在聯合技術公司工作三年半，一直都沒有提筆。感謝國家和湖北省的海外人才計劃，讓我在2015年有機會從工業界回到學術界。重新開始學術生活幾個月，就接到了機械工業出版社的約書信，重新喚醒了我寫這本書的想法，于是從頭開始撰寫這本書。因為在美國學習工作八年，這方面的工作沒有留下任何中文積累，這本書真的是一個字一個字敲出來的。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出來，甚至沒開始做。在寫這本書的兩年多時間里，很多新的成果才被做出來，也使這本書的內容比剛剛規劃的時候更豐富了些。

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了先進PWM這個領域。本書的核心內容，可以追溯到2010年秋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合技術公司的老板，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。回國任教后，華中科技大學的很多老師也給予我很多幫助，特別要感謝的是曲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）的王汝錫博士討論中得到靈感的，在這里一并致謝。

最后要感謝我的學生們，他們不僅參與了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了本書的很多章節。他們是沈澤微、陳嘉楠、李橋、韓尋、張野馳、王翰祥、方志浩、鄒天杰、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了全書。

這是我學術生涯出版的第一本書，疏漏在所難免，歡迎廣大讀者和專家學者批評指正。

編者