Inverter Modulation

I. Introduction

逆变器作为电机控制的执行器，将电池储能转换为电机动力，实现电控算法和软件的”比特”控制高响应、全工况、高效率的”瓦特”。电机电磁控制器和调制算法是逆变器软件的核心。

20世纪70年代后，随着功率半导体硬件的成熟，调制技术也逐步收敛，形成了PWM和Programmed两大类别。在三相交流电机控制领域，主要有以下广泛应用的调制算法，

i. SVPWM: Space Vector PWM

三相(两电平)逆变器的默认调制方式，其线性区间在$\ MI \in \lbrack 0,\ 0.907\rbrack\ $。

ii. DPWM: Discontinuous PWM

仅使用一种0矢量，即某一相电压被钳位到正母线或负母线电压上，但不影响三相基频电流的调频调幅，从而理论上降低33%的开关损耗。

DPWM60的$\ 60^{o}\ $钳位区间在端电压幅值峰值附近，适合高功率因数负载，如永磁同步电机，其在大电流高调制比下节能显著；

DPWM30的钳位区间拆成两个$\ 30^{o}\ $并向两边偏移至驼峰处，通常仅用作过调制区的过度方法。

iii. 6-Step: 方波控制

基频周期内仅6次开关动作，可输出MI=1的不可变电压幅值，仅能调相，且包含大量$\ 6k \pm 1\ $次谐波。

iv. P-PWM: Programmed PWM

又名SHE-PWM (Selective Harmonic Elimination)或Optimal-PWM，其在6-Step基础上通过”挖槽”来改变基频幅值，或消除特定低频谐波。其发波模式仅能离线计算并在线查表使用，动态响应较差，与6-Step配合使用。

II. 自适应变频调制

调制模块的设计有三个自由度，1) 调制算法{SVPWM, DPWM60, P-PWM, 6-Step}, 2) 开关频率与更新方式, 3) 过调制上限。

同时，调制模块作为逆变器硬件的核心驱动逻辑，其直接与几乎所有的电控和电驱性能相关：

1) 电流控制环性能: 如控制频率、带宽(响应速度)，高转速下的饱和控制等；

2) 谐波和NVH: PWM方式造成高频载波谐波与噪音，而过调制区间引入基频谐波与噪音；同时谐波注入需要足够的载波比和电压余量支持；

3) 温度与效率: 不同的参数选择有不同的电压幅值和谐波表现，因此其直接决定了损耗在逆变器各个器件、电机转子、定子等环节上的分配，进而决定了如何估计部件温升，和整机效率；

4) 电驱性能边界: 电流控制器和调制模块的协同设计，直接决定了最高转速、最高功率、堵转峰值等极限性能；

5) 降额保护: 若逆变器或电机温度过高，如何调整参数以延长功率输出，需在不同指标间协同Trade Off.

6) …

因此，围绕上述目标，需依据整车工况和性能需求，设计一套逻辑和标定数据，决定如何选择{$\ stModl,\ \ f_{swt},\ MI_{Max}$}。

III. 抖频优化

PWM类调制方式会带来高频载波谐波，直接造成了相关频率的NVH，以及母线电流纹波。不同车型和工况对NVH有性能要求，而母线电流纹波则涉及到了电容设计、电池安全、轴电流腐蚀、母线部件NVH等系统。

抖频(Spectrum Spread)将单一频率的谐波峰值及能量，通过随机变频的方式抖动到附近的区间内，听觉近似白噪音，可极大减小单一高频噪音的不舒适感。因此抖频相关的设计，如随机数生成、可变粗糙度、分布形式等，需协同物理传递路径和最终需求，协同定义。

IV. 主动热平衡

整车弹射起步需要堵转时达到峰值扭矩，输出时长需尽可能长以达到最佳体验。然而，在堵转的电流环路中，电流最大的某相的上下桥臂，会分别出现二极管或开关管过热，且上下桥臂温升不均衡，因此，主动热平衡协同调制算法、器件温度估计、损耗平衡算法和电流控制器，主动分配电流带来的损耗，减少绝对损耗和不平衡现象，可显著提高堵转峰值扭矩的时长。

V. 低载波比高速控制

高转速时载波比低于24，动态性能减弱；调制系数进入过调制区间，引入基频谐波；调制方法逐步从PWM过度到P-PWM和6-Step；电压能力接近饱和。

在上述挑战下，如何确保调制参数的平稳过度，电流控制器稳定性、抗饱和能力，电流工作点的轨迹等，是高转速鲁棒控制的核心设计。