幾種逆變器調制方案的對比及選擇方法

劉超英

（肇慶學院 電子與電氣工程學院，廣東 肇慶 526061）

0 引言

電力電子技術（power electronics）是研究利用半導體開關進行各類電源之間能源高效轉換的學科與技術，是一門年輕而充滿活力的學科，目前電力電子設備已經(jīng)滲透到千家萬戶（例如手機充電器）.早期的電力電子技術主要研究交流電到直流電的轉換問題，即整流技術[1-2].近幾年隨著IT產(chǎn)品、LED燈具、高鐵、新能源汽車等新技術、新產(chǎn)品的不斷出現(xiàn)，電力電子技術也進入新的發(fā)展時期，這種發(fā)展主要體現(xiàn)在2個方面.

第1個發(fā)展趨勢是新型電力電子器件不斷出現(xiàn).從最早的硅整流二極管，到晶閘管，再到GTR、MOSFET、IGBT等單體半導體器件，以及功率集成電路（PIC）、IPM等[1]；近幾年又出現(xiàn)了碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等半導體器件.作為改革開放和經(jīng)濟發(fā)展前沿大省的廣東，已有碳化硅和氮化鎵半導體器件進入市場.

第2個發(fā)展趨勢是以電力電子為核心的新型設備不斷出現(xiàn).以焊接電源為例，傳統(tǒng)電磁式焊接電源體積笨重，而且焊接電流有限.20世紀80年代后期，華南理工大學黃石生教授團隊率先研制出了逆變式焊接電源，經(jīng)過30多年的發(fā)展，目前逆變式焊接電源已經(jīng)成為焊接電源的主流，同等功率情況下，逆變式焊接電源的重量和體積是傳統(tǒng)焊接電源的1/3以下，而且控制性能良好[2].目前逆變式焊接電源焊接電流可達10 000 A.被稱為中國“新四大發(fā)明”之一的高鐵，也是電力電子技術發(fā)展的直接產(chǎn)物，高鐵和蒸汽機車、內(nèi)燃機車的最大區(qū)別是動力不同.蒸汽機車、內(nèi)燃機車的動力來自自帶的煤炭或柴油等燃料，而高鐵的動力來自電力.高鐵機車通過頂端的電力弓接觸電網(wǎng)，獲得源源不斷的電力并為機車提供動力，但是電網(wǎng)的電力并不能直接驅動電機，需要經(jīng)過電壓、頻率等變換才能用于驅動高鐵電機，從而得到穩(wěn)定、可控的運行速度.這里進行電壓、頻率變換的核心器件是IGBT，其變換電路屬于電力電子技術領域.

從電源形式看，電流只有交流（AC）和直流（DC）這2種，因而電力電子就只有4類變換，具體如下：

1）交流（AC）到直流（DC）變換，也就是我們常說的整流.

2）直流（DC）到直流（DC）變換，把直流電進行降壓、升壓或者隔離變換.

3）交流（AC）到交流（AC）變換，也叫交交變換，通過變換實現(xiàn)電源、頻率等方面的改變，變頻調速器屬于交交變換.

4）直流（DC）到交流（AC）變換，也稱為逆變器.

根據(jù)拓撲結構和調制方法，逆變器有很多種類.本文中，筆者主要結合總諧波失真（THD）這個單相逆變器的主要參數(shù)，討論分析幾種典型調制方法的特性和優(yōu)缺點，并根據(jù)新型電力電子器件的發(fā)展，探索逆變器調制方案的發(fā)展趨勢.

1 逆變器的分類與主要參數(shù)

逆變器的應用越來越廣泛，根據(jù)參數(shù)、特性和應用場合的差異，逆變器有多種分類方法.根據(jù)負載特性，逆變器可以分為有源逆變器和無源逆變器；根據(jù)輸入直流電源特性，逆變器又可以分為電壓型逆變器和電流型逆變器；根據(jù)逆變器輸出交流電的相數(shù)，又有單相逆變器和三相逆變器之分；另外，還可以根據(jù)換流方式對逆變器進行分類.我們這里主要研究最常用的電壓型單相逆變器.

逆變器作為電源的一種，有很多參數(shù)是與電源設備有共性的，這些共性參數(shù)如下：

1）電能轉換效率，簡稱效率，指輸出交流功率與輸入直流功率之比.

2）容量，有些場合用功率，指逆變器的可以輸出的最大功率.容量的單位是泛（VA）.

3）抗干電磁干擾（EMI）和電磁兼容性(EMC)，這2個參數(shù)是近幾年提出來的，主要描述逆變器與其他用電設備（例如通信設備）之間的相互影響.

由于交流電的標準波形是正弦波，而逆變器的輸出交流電并不是完美的正弦波，為了衡量逆變器輸出波形與標準正弦波之間的誤差，用總諧波失真（THD/total harmonic distortion）這個參數(shù)來表征，THD（T）定義為除基波成分外的其他諧波成分的總和與基波量之比，即

其中：vrms,v1,rms,vn,rms分別代表逆變器輸出的有效值、基波分量的有效值、n次諧波的有效值.

也有一些文獻用失真指數(shù)DF（distortion factor）來衡量逆變器輸出電源的質量，DF(D)的定義是

2 逆變器的幾種調制方案

從拓撲結構看，單相逆變器有推挽式（push-pull）、半橋式（half-bridge）和全橋式（full-bridge）幾種，相當于計算機的硬件部分.調制是指在拓撲結構基本不變的情況下，通過控制和調整門驅信號，使逆變器的輸出發(fā)生變化，PWM就是一種典型的直流開關電源調制方法.對于逆變器，主要有方波、準方波、SPWM、多電平幾種調制方法，下面分別進行討論.

圖1 全橋逆變器在方波調制下的輸出波形

2.1 方波調制

逆變器的方波（square wave）調制方案是最基本、最簡單的一種.控制圖1a逆變器中的正組開關（T1和T4）和負組開關（T2和T3）交替導通，在逆變器的輸出端就可以獲得正負交替變化的交流電.方波調制方案的優(yōu)點是控制方法簡單、開關頻率低、開關損耗??；缺點是輸出波形中除了有基波成分外，還有較多高次諧波成分，或者說方波調制方案的總諧波失真較大.

2.2 準方波調制

準方波（quasi square wave）調制方案是在方波調制方案基礎上的一種改進，在正組開關和負組開關切換過程中，中間加入一段正組開關和負組開關全不導通的空置時間.逆變器的輸出波形見圖2.準方波調制方案的特點是控制方法簡單，開關頻率低，開關損耗小，諧波失真有所改善.

以1個周期（360o）討論這個時間段的大小，早期一些學者認為這段時間為30o較好[3].通過傅里葉級數(shù)的方法可以證明，當這個角度為30o時，輸出中3、6、9等高次諧波將被消除.后來又有學者證明24o最好[4]，可以證明在24o情況下，不僅高次諧波最小，而且基波成分最大，從而達到總諧波失真的最優(yōu)化，目前大部分逆變器采用24o空置時間.

圖2 準方波調制下的逆變器輸出波形

2.3 正弦波脈沖寬度調制

圖3 SPWM調制的逆變器輸出

正弦波脈沖寬度調制（SPWM/sinusoidal pulse width modulation）方案是利用等沖量原理，利用一串寬度可調、高度相同的高頻脈沖替代正弦波.SPWM又可以分為單極性SPWM和雙極性SPWM 2種，還有調制度等其他參數(shù)的設置.圖3是SPWM的控制波形和經(jīng)過簡單濾波的輸出波形.SPWM調制的特點是總諧波失真有很大改善，但控制算法較復雜，而且由于開關頻率較高、損耗大，使整個逆變器的效率降低.

2.4 多電平調制

多電平調制（multi-level modulation），也叫階梯波調制，對比傳統(tǒng)的2電平逆變器，逆變器的輸出電平更多，因而逆變器的輸出諧波畸變更小，不用或只需很小的輸出濾波器就可以得到良好的正弦波電源輸出[5].實現(xiàn)多電平調制的方法很多，主要有3電平中點箝位方式、分離電源H橋方式等，一個簡單的實現(xiàn)是在DC端進行調節(jié)，例如讓DC端電壓在E和2E可變，經(jīng)過逆變器后輸出就可以得到0,+E,-E,+2E,-2E這5種電平.圖4是5電平調制逆變器的理論輸出波形和實際輸出波形.多電平調制逆變器具有總諧波失真小、開關損耗小、轉換效率高等優(yōu)點，主要缺點是拓撲結構較復雜.

圖4 多電平調制的逆變器輸出

2.5 調制方案比較

為了便于比較幾種調制方案，將前述4種逆變器的主要特性與參數(shù)等制成表1.對比的參數(shù)共5個，可以簡單分成2類.第1類：衡量復雜程度的參數(shù)，有控制的復雜程度和電路的復雜程度2個參數(shù)，這類參數(shù)關系到逆變器的生產(chǎn)制造成本；第2類：衡量逆變器優(yōu)劣的參數(shù)，有效率、諧波量、波形失真（THD）這3個，這類參數(shù)關系到逆變器的性能優(yōu)劣.

表1 逆變器4種調制方案的主要特性與參數(shù)

3 結論

結合表1可以看出，中低端逆變器，主要采用準方波調制方案，方波調制方案在實際生產(chǎn)中幾乎不用.主要原因是兩者的復雜程度幾乎一樣，但準方波調制的波形畸變卻明顯優(yōu)于方波調制.

在一些對諧波和波形畸變要求高的場合，可以采用SPWM和多電平調制的逆變器.SPWM方案開關工作在高頻狀態(tài)，開關頻率為基波頻率的mf倍，這里mf是頻率調制度，一般來說mf越大，波形畸變越小，這時必然有更多的開關損耗，使逆變器的效率降低.

同樣，增加電平的階數(shù)，可提高多電平逆變器的波形質量.多電平逆變器的開關工作在與基波相同的頻率，因此開關的高頻損耗較少；隨著階數(shù)增多，開關的數(shù)量也越多，控制方法越發(fā)復雜.目前，實驗室已經(jīng)制成9階電平的逆變器模型機，隨著半導體開關的成本降低和控制技術的提高，更多階數(shù)的多電平調制逆變器也會出現(xiàn)并應用在工業(yè)和其他場合，最終取代SPWM逆變器.