級聯型逆變器相移PWM的相移量與輸出諧波關系分析

摘要：闡述了相移PWM技術在級聯型逆變器中的應用，并對相移PWM中各單體逆變器的相移與級聯型逆變器輸出頻譜之間的關系進行了分析。當相移量為Ts/m時，輸出諧波頻率為原有的m倍。仿真和實驗結果證實了分析的正確性。

關鍵詞：級聯型逆變器；多電平逆變器；相移

1??? 引言

??? 多電平逆變器由于可降低器件的開關應力，優化輸出波形，提高轉換效率等優點，目前在中大功率場合得到越來越廣泛的應用。多電平逆變器目前主要包括二極管嵌位型、電容嵌位型、多單元級聯型等^[1]。級聯型逆變器將多個逆變單元串聯起來，易于擴展，主要缺點是每個單元需要隔離的直流電源。為減少隔離電源數量，單元電路結構可以不完全相同。這種由不同單元串聯而成的逆變器稱為混聯型逆變器。當電源電壓不同時，可以增加輸出電平種類^[2]。串聯單元本身還可以是一個多電平逆變器，如二極管嵌位型逆變器^[3]。圖1是一個由H逆變橋和五電平逆變器串聯組成的混聯型逆變器。級聯型又可分為帶隔離直流電源和帶隔離輸出變壓器2種。分別如圖2和圖3所示。

圖1??? 混聯型逆變器示例

圖2??? 帶隔離直流電源的多重結構

圖3??? 帶有輸出隔離變壓器的多重結構

??? 多電平逆變器輸出正弦波的調制方法主要有2種，一種是基于基頻的調制方法，使逆變器輸出階梯波逼近正弦波，可分為空間矢量控制和諧波選擇消除，通過合適的選擇階梯波的時間和幅度，可有選擇地減少或消除特定的開關諧波；另一種是基于高頻的調制方法，通過高頻調制，使得諧波頻率更高，更易于濾除，可分為空間矢量調制和SPWM2種方式。

??? 多電平逆變器中隨著級數的增加，空間矢量的個數呈幾何次數增加，而數量較多的矢量可獲得更好的控制效果。SPWM很易于從兩電平方式擴展到多電平方式。多電平SPWM主要有多載波SPWM、相移SPWM和注入3次諧波提高母線電壓利用率法。多載波SPWM將多個相鄰三角波與正

??? 弦參考信號進行比較得到控制脈沖，適用于二極管嵌位和級聯型逆變器。相移SPWM技術適用于級聯型逆變器^[4][5][6]，通過將相位不同的載波信號與正弦參考信號比較得到觸發脈沖。圖4顯示了一個三重級聯型逆變器相移SPWM產生原理。相移SPWM可以提高輸出波形中含有的諧波頻率，從而使之更易于濾除。本文分析了各單體逆變器之間的相移與輸出頻譜之間的關系，并通過仿真和實驗驗證了分析結果。

圖4??? 三重級聯型逆變器相移SPWM產生原理圖

2??? 相移量與輸出頻譜之間的關系

??? 對于單體逆變器，其驅動信號產生原理與兩電平SPWM逆變器完全相同。而對于不同的單體逆變器，輸出的基波存在一個相位差。

??? 設逆變器由m個單體SPWM逆變器組成，第i個SPWM逆變器輸出電壓為u_i，則串聯輸出總電壓為

??? u₀=u_i（1）

??? 設單個逆變器輸出單相雙極性SPWM波，且波形正負半周期鏡像對稱，即

??? u(ωt)=－u(ωt+π)（2）

??? 為簡化計算，設波形在正負周期內前后1/4周期以π/2為軸線對稱，即

??? u(ωt)=u(π－ωt)（3）

??? 則可用傅立葉級數表示為^[7]

??? u(ωt)=a_nsinnωt（4）

??? 設逆變器的一個開關周期為T_s，各個逆變器輸出時延為T_s/m，則輸出電壓用傅立葉級數表示為

??? u(ωt)=a_nsin（5）

由于

??? sin=[sinnωtcos(nω)－sin(nω)cosnωt]

??????? =sinnωtcos(nω)－cosnωtsin(nω)

??????? =sinnωtcos(n2π)－cosnωtsin(n2π)（6）

式中：T為逆變器輸出波形基波的周期，當基波為工頻50Hz，T=20ms；

????? T_s為開關周期，當開關頻率f_s為幾十至幾百kHz，T_s為幾μs至幾十μs。

??? 當n=1時，可近似認為

??? cos(n2π)=m，

??? sin(n2π)=0（7）

??? 可見，串聯后輸出電壓中基頻成分為線性疊加。

??? 當n=m時，有

??? cos(n2π)=m，

??? sin(n2π)=0（8）

??? 可見，串聯后輸出電壓中頻率f=mf_s的成分線性疊加。

??? 因此，我們可以得知，m個輸出依次時延T_s/m的SPWM逆變器串聯，其輸出的基頻成分幅值為線性疊加，輸出含有f=amf_s(a=1,2,...)的諧波，諧波的幅值亦為線性疊加。

??? 因此，若多重逆變器由m個單體逆變器組成，逆變器載波頻率為f_s，則第i個單體逆變器的時延為：

??? t=（9）

??? 可見，通過串聯疊加，輸出頻譜中所含諧波成分更加高頻化，可大大減小濾波電感的體積。

3??? 仿真與實驗

3.1??? 基于MATLAB的仿真實驗

??? 采用MATLAB對兩個時延為T_s/2的單相SPWM疊加得到雙重SPWM波的情況進行仿真，條件為：開關頻率f_s=2.5kHz，調制比為0.8，時延T_s/2。頻域分析結果如圖5所示。

(a)??? 雙重疊加輸出電壓的頻譜分布??? (b)??? 單個逆變器輸出電壓的頻譜分布

圖5??? 不同方式下輸出電壓的頻譜分布

??? 可見疊加后的波形中開關諧波頻率增加1倍，基頻和諧波成份都得到疊加，證實了以上分析結果。

3.2??? 電路實驗

??? 采用CM15-12H型的IGBT建立帶高頻輸出變壓器的單體全橋逆變器，逆變器為二重串聯疊加結構，帶小型濾波電感。控制方式采用相移PWM控制，采用ADSP2181為數字控制器，輸出兩路相互有時延的SPWM控制信號。輸入電源由4節12V蓄電池串聯提供，輸出為220V，50Hz交流。

??? 當開關頻率為12kHz，時延為τ=42μs，負載為純阻性，濾波輸出波形如圖6所示。波形的THD<3％。

圖6??? 實驗的輸出波形

4??? 結語

??? 本文對相移PWM的輸出頻譜進行了分析，得出了時延與輸出頻譜之間的關系。仿真與實驗的結果證實了分析的正確性。