SPWM逆變電源輸出諧波分析及抑制方法研究

徐順剛，許建平，曹太強

(1. 西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 成都 610031; 2. 重慶師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院 重慶 沙坪壩區(qū) 400047)

電力電子技術(shù)的發(fā)展使得采用正弦脈寬調(diào)制(SPWM)的逆變電源得到了廣泛的應(yīng)用，如變頻器、不間斷電源(UPS)等。在SPWM逆變電源中采用高速半導(dǎo)體開關(guān)器件(如IGBT、MOSFET等)可以加快逆變電源的動態(tài)響應(yīng)速度，減小逆變電源的體積[1-4]。

然而，采用高速半導(dǎo)體開關(guān)器件的逆變電源在負載端存在有dv/dt和di/dt的高頻諧波分量。由于逆變電路中存在電感和電容器件，開關(guān)器件和電路布線也存在雜散電感和雜散電容，dv/dt會通過電容產(chǎn)生脈沖電流，而di/dt則會通過電感產(chǎn)生脈沖電壓。另外，具有di/dt的電流環(huán)路是一個輻射源，它將向空間輻射電磁場，從而在逆變電源工作時對周圍設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾(EMI)[3-4]。大量研究表明，在采用脈寬調(diào)制的供電系統(tǒng)中，高頻諧波中的dv/dt會產(chǎn)生嚴重的共模電磁干擾[5-7]，di/dt則會產(chǎn)生嚴重的差模電磁干擾[8-9]。雖然高頻諧波產(chǎn)生電磁干擾的機理目前并不完全清楚，但普遍認為高頻諧波中dv/dt和di/dt是產(chǎn)生電磁干擾的主要原因，并且dv/dt和di/dt越大，設(shè)備的電磁輻射能量越強，對其他設(shè)備的干擾也越大[10-12]。

因此，對SPWM逆變電源中高頻諧波的產(chǎn)生機理和抑制方法的研究具有重要意義。針對SPWM逆變電源中高頻諧波的產(chǎn)生原因，本文提出了一種使用隨機調(diào)制的SPWM逆變電源諧波抑制方法，該方法通過對輸出諧波進行頻譜擴展，降低諧波的峰值幅度，從而減小逆變電源所產(chǎn)生的電磁干擾。

1 單相SPWM逆變電源諧波產(chǎn)生原因

載波為全波三角波的單相SPWM逆變電源是目前應(yīng)用最為普遍的SPWM逆變電源之一[2]，其主電路和SPWM波形如圖1所示。

圖1 單相SPWM逆變電源

正弦波us(ωst)為調(diào)制波，三角波uc(ωct)為載波，用正弦波與三角波進行比較，在正弦波大于三角波的部分，開關(guān)器件T1和T4導(dǎo)通，產(chǎn)生SPWM波形的正脈沖；在正弦波小于三角波的部分，開關(guān)器件T2和T3導(dǎo)通，產(chǎn)生SPWM波形的負脈沖。單相SPWM波形就是負載上電壓uL波形，其開關(guān)頻率與三角載波頻率相同。

為了便于分析，把三角載波用分段線形函數(shù)表示，得到三角波的數(shù)學(xué)表達式：

當取調(diào)制比M=0.8時，由式(5)可計算得到單相SPWM逆變電源輸出電壓中各次諧波分量的幅度值，如表1所示。

圖2 SPWM時間函數(shù)分析

表1 單相SPWM逆變電源各次諧波分量的幅值

2 隨機SPWM逆變電源的諧波分析

當基波頻率為50 Hz、調(diào)制比M=0.8、載波頻率fo=50 kHz、載波頻帶寬度Δf=5 kHz時，對常規(guī)SPWM逆變電源和隨機SPWM逆變電源進行對比分析，通過Simulink仿真可以得到如圖3所示的三角載波頻譜和如圖4所示的SPWM逆變電源輸出頻譜仿真圖。

從仿真圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)，隨機SPWM逆變電源載波頻譜和逆變電源輸出頻譜在整個高頻段分布都很均勻，而在常規(guī)SPWM逆變電源中，載波頻譜和輸出諧波頻譜都是離散的，其能量主要集中在載波頻率和載波的m次諧波頻率附近，諧波的幅度也很大。

對比分析可以發(fā)現(xiàn)，隨機SPWM逆變電源輸出電壓諧波頻譜連續(xù)均勻分布，諧波峰值幅度與使用隨機調(diào)制前相比大幅降低，因此，隨機SPWM逆變電源比常規(guī)SPWM逆變電源具有更低的電磁干擾和更好的輸出性能，在達到同樣性能的前提下，可以選用比常規(guī)SPWM逆變電源更小的輸出濾波器，從而達到減小逆變電源體積和降低成本的目的。

圖3 三角載波頻譜仿真圖

圖4 SPWM逆變電源輸出頻譜仿真圖

3 實驗結(jié)果

根據(jù)隨機調(diào)制原理，本文設(shè)計并制作了一臺110 V/50 Hz逆變電源實驗樣機，原理框圖如圖5所示.逆變電源載波中心頻率fo=50 kHz，載波頻帶寬度Δf=5 kHz時，輸出濾波電感為500 μH，輸出濾波電容為10 μF。

圖5 隨機SPWM逆變電源框圖

實驗頻譜對比測試如圖6所示。圖6a和圖6b分別為常規(guī)SPWM逆變電源和隨機SPWM逆變電源輸出電壓頻譜。對比發(fā)現(xiàn)，采用隨機調(diào)制后，逆變電源輸出電壓諧波在載波頻率及載波的各次諧波頻率處幅度明顯降低(約10 dB)，并且隨機SPWM逆變電源輸出諧波分布更加均勻。

圖6 SPWM逆變電源輸出頻譜實驗測試圖

對比輸出頻譜仿真圖圖4b和實驗測試圖圖6b，后者在第一個諧波處的幅度比前者要高，這是因為在仿真電路中，采用的是理想開關(guān)器件，而在實驗電路中，由于器件特性必須在驅(qū)動電路中加入死區(qū)控制，因此對隨機調(diào)制的效果有一定影響。但是，不論從仿真圖還是實驗測試圖都可以看出，在采用隨機調(diào)制對逆變電源的輸出諧波進行頻譜擴展后，輸出電壓中各次諧波的峰值幅度都明顯下降，諧波分量的幅值降低到接近噪聲基底的水平。

同時，由于SPWM逆變電源諧波在很大的頻率范圍內(nèi)都具有較大的能量，雖然隨機調(diào)制能降低諧波分量的峰值幅度，但總的噪聲能量并沒有改變，因此，隨機SPWM逆變電源輸出頻譜的噪聲基底相對于常規(guī)SPWM逆變電源有所上升，這一點從逆變電源輸出仿真頻譜圖圖4和實驗測試頻譜圖圖6中都可以看到。

4 結(jié) 論

在單相SPWM逆變電源供電系統(tǒng)中，輸出電壓含有豐富的高頻諧波成分，高頻諧波會引起嚴重的電磁兼容問題，降低系統(tǒng)運行的可靠性。本文分析了單相SPWM逆變電源輸出諧波的產(chǎn)生原因以及幅值大小，并在該基礎(chǔ)上提出了一種采用隨機調(diào)制進行諧波抑制的方法。該諧波抑制方法能使逆變電源的輸出諧波頻譜連續(xù)分布而不影響基波分量的大小，降低逆變電源輸出諧波的峰值幅度，減小其產(chǎn)生的電磁干擾。通過軟件仿真和實驗對比的方式可驗證該方法的有效性。

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