徐順剛，許建平，曹太強(qiáng)

(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(dòng)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(fù)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(huì)通過(guò)電容產(chǎn)生脈沖電流，而di/dt則會(huì)通過(guò)電感產(chǎn)生脈沖電壓。另外，具有di/dt的電流環(huán)路是一個(gè)輻射源，它將向空間輻射電磁場(chǎng)，從而在逆變電源工作時(shí)對(duì)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(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的共模電磁干擾[5-7]，di/dt則會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)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(jī)理目前并不完全清楚，但普遍認(rèn)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(qiáng)，對(duì)其他設(shè)備的干擾也越大[10-12]。

因此，對(duì)SPWM逆變電源中高頻諧波的產(chǎn)生機(jī)理和抑制方法的研究具有重要意義。針對(duì)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(jī)調(diào)制的SPWM逆變電源諧波抑制方法，該方法通過(guò)對(duì)輸出諧波進(jìn)行頻譜擴(kuò)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(jìn)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(fù)脈沖。單相SPWM波形就是負(fù)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(dá)式：

當(dāng)取調(diào)制比M=0.8時(shí)，由式(5)可計(jì)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(shí)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(jī)SPWM逆變電源的諧波分析

當(dāng)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(shí)，對(duì)常規(guī)SPWM逆變電源和隨機(jī)SPWM逆變電源進(jìn)行對(duì)比分析，通過(guò)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(jī)SPWM逆變電源載波頻譜和逆變電源輸出頻譜在整個(gè)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(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，隨機(jī)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(jī)調(diào)制前相比大幅降低，因此，隨機(jī)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(dá)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(dá)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)隨機(jī)調(diào)制原理，本文設(shè)計(jì)并制作了一臺(tái)110 V/50 Hz逆變電源實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，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(shí)，輸出濾波電感為500 μH，輸出濾波電容為10 μF。

圖5 隨機(jī)SPWM逆變電源框圖

實(shí)驗(yàn)頻譜對(duì)比測(cè)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(jī)SPWM逆變電源輸出電壓頻譜。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用隨機(jī)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(jī)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(shí)驗(yàn)測(cè)試圖

對(duì)比輸出頻譜仿真圖圖4b和實(shí)驗(yàn)測(cè)試圖圖6b，后者在第一個(gè)諧波處的幅度比前者要高，這是因?yàn)樵诜抡骐娐分?，采用的是理想開關(guān)器件，而在實(shí)驗(yàn)電路中，由于器件特性必須在驅(qū)動(dòng)電路中加入死區(qū)控制，因此對(duì)隨機(jī)調(diào)制的效果有一定影響。但是，不論從仿真圖還是實(shí)驗(yàn)測(cè)試圖都可以看出，在采用隨機(jī)調(diào)制對(duì)逆變電源的輸出諧波進(jìn)行頻譜擴(kuò)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(shí)，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(jī)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(jī)SPWM逆變電源輸出頻譜的噪聲基底相對(duì)于常規(guī)SPWM逆變電源有所上升，這一點(diǎn)從逆變電源輸出仿真頻譜圖圖4和實(shí)驗(yàn)測(cè)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(huì)引起嚴(yán)重的電磁兼容問(wèn)題，降低系統(tǒng)運(yùn)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(jī)調(diào)制進(jìn)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(guò)軟件仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)比的方式可驗(yàn)證該方法的有效性。

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