特殊逆變器調制技術研究

李子顥

摘 要： 特殊逆變器工作頻率為數kHz，通常采用脈沖法控制策略，輸出波形特性差。針對傳統特殊逆變器缺點，提出階梯波調制方法。介紹特殊逆變器的拓撲結構，分析了基于階梯波調制的特殊逆變器的基本原理，研究了階梯調制算法。該特殊逆變器拓撲結構簡單、開關器件開斷損耗小、整機效率高，具有良好的諧波抑制能力。建立仿真模型，并進行分析，得出仿真結果。從仿真結果可以看出，采用階梯波調制算法的特殊逆變器輸出波形特性好，諧波含量低。

關鍵詞： 特殊逆變器； 階梯波； 拓撲； 諧波

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）11?0140?03

Research on modulation technology for special inverter

LI Zi?hao

（Beijing Shengfeifan Electronic System Technology Development Limited Company， Beijing 100141， China）

Abstract： Since the operating frequency of special inverter is several kilohertz， the pulse modulation method is usually adopted， and its output waveform feature is bad， the step wave modulation method is proposed. In this paper， the topological structure of special inverter is introduced， the basic principle of special inverter based on the step wave modulation is analyzed， and the step wave modulation algorithm is studied. The advantages of the special inverter are simple topological structure， low switching loss， high efficiency of the whole machine， and good harmonic suppression ability. The simulation model was established and analyzed， and simulation results were obtained. The simulation results show that the special inverter with step wave modulation algorithm has good output waveform characteristic and low harmonic content.

Keywords： special inverter； step wave； topology； harmonic

0 引 言

傳統意義上的普通逆變器主要用來把直流轉化為普通工頻交流電，工作頻率基本集中在工頻頻段，特殊逆變器是一種應用于通信的高壓大功率逆變器，工作頻段可達數kHz，是一種特殊的級聯型逆變器。H橋級聯型逆變器具有多電平逆變器的許多優點，在電機驅動、大功率有源濾波等領域應用極為廣泛[1?7]，H橋級聯逆變器有很多種方法被提出[8?9]，如多載波正弦脈寬調制法等。然而，提高逆變器效率、消除或降低高次諧波成分仍然是控制方法的重要內容[10]。

特殊逆變器傳統的調制方法為脈沖法，采用此種方法的特殊逆變器為拓撲結構并聯式結構，把每級輸出的方波進行直接疊加，導致輸出波形質量差，諧波大，功率越大，對周圍環境輻射干擾就越大。針對上述缺點，提出階梯波調制算法，采用此種方法的特殊逆變器的拓撲結構各級進行串聯，該技術具有控制簡單、高可靠性、高效率等優點[11?12]，可使逆變器輸出電壓更高，輸出功率更大，在輸出功率相同的情況下，更高的輸出電壓能降低電流的大小，從而可減小損耗，提高整機效率。

1 特殊逆變器基本結構與工作原理

1.1 基本結構

采用階梯波調制算法的特殊逆變器由n個H橋單元模塊串聯組成，如圖1所示，每個單元模塊的結構相同，為單相橋式特殊DC/AC變換器，輸入直流電壓相等，即[UDCi=UDC。]

1.2 工作原理

對圖1所示的單個H橋功率單元的開關器件D11，D12，D13，D14進行相應的控制，D11、D14導通輸出正電壓，D12、D13輸出負電壓，D11、D13或D12、D14導通輸出電壓為零，每個H橋功率單元可以得到3種不同的輸出電壓： +UDC，0，-UDC，如圖2所示。

由圖2可以看出，輸出電壓[vHI]是關于[12]周期對稱的奇函數單脈沖，即[vHI（-ωt）=-vHI（πt），vHI（2π-ωt）=][-vHI（ωt），]正半周期內是[α1，α2]的正方波，負半周期內是[[2π-α2，2π-α1]]的負方波。這里的周期是指級聯級數為[n]的輸出電壓為[VXg]的周期，脈沖數是指輸出電壓[vHI]半個周期的脈沖數。

特殊逆變器工作分為正半波工作過程和負半波工作過程，考慮到工作在階梯波調制模式下的各H橋功率單元模塊的功率均衡問題，使工作在階梯波調制模式下的各單元模塊在一個周期內工作時間一樣或基本一樣，可使1～n模塊在正半波時按從1～n的順序依次開通，而在負半波時按從n～1的順序依次開通，如圖3所示。

假設每個模塊的輸入電壓為[UDC，]則采用階梯波調制的特殊逆變器輸出電壓為：

[u0=iUDC]

式中[i]為任意時刻參與工作的功率單元模塊數。

2 階梯波調制法

工作在數kHz的特殊逆變器的傳統調制方法為脈沖法，此種方法將每個H橋功率單元輸出的方波波形進行直接疊加，每個H橋功率單元輸出進行并聯。下面主要介紹特殊逆變器一種新的調制方法?階梯波調制法。

階梯波調制方法是建立在特殊逆變器新的拓撲結構基礎上新的調制方法。首先需要產生控制每個H橋功率單元輸出三電平方波的控制信號，用來控制開關器件D11，D12，D13，D14的開通與關斷，且控制信號具有周期性，從而控制H橋功率單元輸出方波的頻率。使每個H橋功率單元的控制信號之間具有可控的角度，因此，每個H橋功率單元輸出的方波相互之間就形成了角度，依次錯開疊加后，就形成了階梯波。通過控制每個H橋功率單元輸出方波的角度，使疊加后的階梯波的諧波分量達到最優。下面以低次諧波最少為原則舉例，說明階梯波調制方法的具體實現。

圖4、圖5是按照低次諧波最少原則法產生階梯波的原理圖。圖4中，[αA，][αB，][αC，][αD，][αE]分別是階梯波同參考正弦波相交角度，且相交幅值分別是A，B，C，D，E，參考正弦波定義為[Zsinωt，]則有：

[αx=sin-1XZ， X=A，B，C，D，E]

圖4中，[α1，][α2，][α3，][α4]分別是階梯波開關角度，其算法是根據面積等效原則求取的，現以[α4]為例來推導其計算方法，其余級數角度可按類似原則求得。根據圖5中陰影面積相等原則可求得[α4，]即：

[αBα4（Zsinωt-B）dωt-α4αA（A-Zsinωt）dωt=0αBα4Zsinωtdωt-α4αABdωt-α4αAAdωt+α4αAZsinωtdωt=0]

[Aα4-ZcosαA+Zcosα4=0?α4=AαA-BαB+cosαA-cosαBA-B]

又由于[αA=sin-1（AZ），αB=sin-1（BZ），]可推得：

[α4=Asin-1AZ-Bsin-1BZ+cossin-1AZ-cossin-1BZA-B]

同理可求得其他級數角度，這里的級數取n=4，則A，B，C，D，E的幅值分別為4UDC，3UDC，2UDC，UDC，0，參考正弦波為[4Vdcsinωt，]把它們分別代入上式，可以求得[α1，][α2，][α3，][α4，]分別為：[α1=7.14°，α2=22.08°，α3=38.54°，α4=67.48°。]

3 仿真及分析

階梯波調制法以低次諧波最少為原則進行計算時，對特殊逆變器階梯波波形進行頻譜分析的結果如圖6所示。

可以看出低次諧波比較低，尤其是三次諧波含量比較低，這點尤為重要，因為特殊逆變器的三次諧波對周圍環境干擾最大，因此，階梯波調制法對于特殊逆變器變得極具有意義。

4 結 語

通過對特殊逆變器的討論，提出將階梯波調制法應用到工作頻率高達數kHz的特殊逆變器中，介紹了采用階梯波調制法的特殊逆變器的基本結構和基本工作原理，研究了階梯波調制算法，以低次諧波最少為原則進行了計算與仿真，仿真結果證明了階梯波調制法應用到特殊逆變器的可行性，相對于采用脈沖法為調制方法的特殊逆變器而言，輸出波形質量大大提高，諧波含量大大減少。采用階梯波調制法的特殊逆變器還具有以下優點：簡化的拓撲結構；由于各功率模塊串聯，可使輸出電壓很高，在輸出功率不變的情況下，可降低特殊逆變器損耗，提高其效率；在使用階梯波調制法時，考慮各種因素，對逆變器增加各種保護，從而提高其穩定性和可靠性。

參考文獻

[1] RODRIGUEZ J， LAI J S， PENG Fang?zheng. Multilevel inver?ters： a survey of topologies， controls， and applications [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2002， 49（4）： 724?738.

[2] NABAE A， TAKAHASHI I， AKAGI H. A new neutral?point?clamped PWM inverter [J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 1981， IA?17（5）： 518?523.

[3] CORZINE K， FAMILIANT Y. A new cascaded multilevel H?bridge drive [J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2002， 17（1）： 125?131.

[4] TOLBERT L M， PENG Fang?zheng， HABETLER T G. Multilevel converters for large electric drives [J]. IEEE Transactions on Industry Application， 1999， 35（1）： 36?44.

[5] 張翼，陳國呈，吳春華，等.一種燃料電池獨立發電逆變器的研究[J].電工電能新技術，2009（1）：71?75.

[6] 費萬民，呂征宇，姚文熙.多電平逆變器特定諧波消除脈寬調制方法的仿真研究[J].中國電機工程學報，2004（1）：102?106.

[7] 費萬民，呂征宇，姚文熙.三電平逆變器特定諧波消除脈寬調制方法的研究[J].中國電機工程學報，2003（9）：11?15.

[8] 王劍，李永東.四象限級聯型多電平變換器的PWM整流器控制[J].電工電能新技術，2009（2）：41?45.

[9] 龍慶文，歐陽紅林，朱思國，等.級聯型多電平變頻器的一種改進PWM調制法[J].電工電能新技術，2009（1）：76?78.

[10] 劉慶豐，王華民，冷朝霞，等.采用波形合成法的級聯型多電平逆變器諧波控制[J].中國電機工程學報，2008（6）：69?73.

[11] CORZINE K A， WIELEBSKI M W， PENG F Z， et al. Control of cascaded multi?level inverters [J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2001， 19（3）： 732?738.

[12] WANG Z H， YIN X G， CHENG H X， et al. A novel PWM scheme to eliminate common?mode voltages in cascaded multi?level inverters [C]// 2003 IEEE PES Transmission and Distribution Conference and Exposition. [S.l.]： IEEE， 2003， 2： 780?785.