單極性倍頻spwm原理_單極性倍頻SPWM調制的逆變電源系統詳解

隨著電力電子技術的發展，人們對逆變電源的要求也越來越高。在大功率逆變電源場合，流過主電路上的器件電流非常大，作為開關管的IGBT 上流過的電流可達幾百安，所以一般所選的開關管容量比較大，這就導致調制時的開關頻率不能過高。本文首先介紹了主電路與三環控制，其次介紹了單極性倍頻SPWM調制，最后闡述了系統實驗分析wNN，具體的跟隨小編一起來了解一下。

一、主電路與三環控制

逆變器主電路結構如圖1所示，主電路采用全橋結構，輸出端連接了LC 濾波器濾除高次諧波。開關管的驅動信號由三角波和正弦波比較匹配得到。

三環控制結構圖如圖2所示，由內到外分別為瞬時值電容電流環、瞬時值電壓環和電壓有效值環。其中：瞬時值電流環的主要作用是校正輸出電壓波形;瞬時值電壓環主要作用是校正輸出電壓的相位，并提高系統的動態性能;電壓有效值環的主要作用是使輸出電壓穩定在所需要的電壓幅值。

電流瞬時值內環和電壓瞬時值外環均采用P調節器，最外環電壓有效值環采用PI 調節器。圖3和圖4 分別為采用三環控制的逆變電源系統從滿載到空載和空載到滿載的波形仿真圖，圖3中Uo為輸出電流。由圖3-4 可知，切載時電壓幅值基本保持不變，說明系統具有較好的動態特性。

在常規SPMW波調制中，開關頻率和輸出脈沖頻率是相等的，但是在大功率條件下，開關頻率不能過高，原因主要：

①開關頻率過高會導致開關損耗增大;

②會使開關管發熱嚴重，長時間運行會損壞開關器件;

③開關頻率過高，出現擎住效應的幾率增大;

④大容量開關器件高速通斷，會產生很高的電壓尖峰，有可能造成開關管或其他元件被擊穿。但是，開關頻率降低會使輸出波形中THD含量變高，不能滿足最終指標要求。

為了提高輸出波形質量，通常的做法是加大主電路后端LC濾波器參數，或增加三環控制中調節器比例系數，但是加大LC濾波器參數會使逆變器體積變大，成本增加，而且在實際構成數字控制系統時。調節器系數不能太大，否則就會造成振蕩;所以單極性倍頻SPWM調制方式應用而生。

二、單極性倍頻SPWM調制

2.1、單極性倍頻SPWM調制原理

2.2、單極性倍頻SPWM調制下濾波器的設計

電路中電容的作用是和電感-起構成一個低通濾波器，因此在電感值確定后，就可以根據LC濾波器的截止頻率來確定電容C 的值。由于在單極性倍頻SPWM 調制方式下，輸出諧波為開關頻率2 倍以上的偶次倍的高次諧波，所以LC 濾波器的截止頻率可以取最低次輸出諧波的1/10，即

在實際電路中，由于各個器件的非理想特性，基準正弦也為非標準正弦信號，再加上死區對輸出波形的影響，所以輸出波形會含有低次諧波。將電容值適當取大，能夠有效抑制低次諧波。將已計算得到的電感值帶人上式中，即可得到電容值：

在實際電路設計中，可取電感為0.4 mH，電容為20 PF.

在三環控制下，采用SPWM 波單極性倍頻調制方法，數字控制系統中的比例控制器參數不需要很大，就可以保證較好的輸出電壓波形質量，而且輸出電壓信號的相位、幅值都能達到指標要求。

三、系統實驗分析wNN

3.1、仿真結果及分析

本文基于上述原理，采用Matlab/Simulink搭建了仿真模型，進行仿真實驗。采用常規SPWM調制，在三環控制下的輸出波形及波形THD 分析結果圖如圖6 所示。其中： 開關頻率為26.4 kHz;輸出功率為10 kW.由Simulink 自帶的FFT 分析可知，在此控制下的THD 含量為1.23%.其中，三次諧波含量較大，高次諧波已被LC濾波器濾掉。

采用單極性倍頻SPWM 調制，在三環控制下，輸出波形及波形THD 分析結果圖如圖7 所示。其中： 開關頻率為10kHz，輸出功率為10kW.由Simulink 自帶的FFT 分析可知，在此控制下的THD含量為0.75%.其中，偶次諧波含量較大，高次諧波已被LC 濾波器濾掉。

由以上結果對比可知，采用單極性倍頻SPWM調制方法時，開關頻率僅為10kHz，但是輸出電壓的THD 值小于1% ; 而采用常規SPWM 調制方法時，開關頻率達到26.4 kHz，THD 值也只有1.23%.開關頻率10 kHz 經過倍頻后得到的輸出電壓脈沖頻率為20kHz，其THD 值與開關頻率26.4 kHz 時的值相差不多，說明單極性倍頻調制方法是有效的。

3.2、實驗結果及分析

在上述仿真實驗的基礎上進行實驗驗證。首先得到單極性倍頻SPW M 驅動信號，如圖8 所示。系統切換負載時，輸出電壓和輸出電流波形如圖9 所示。 由圖9 可知， 系統在負載切換時經過幾個周期的調節就可以恢復電壓幅值，說明系統在三環控制下具有較好的動態性能，與仿真結果相符。在常規雙極性SPWM 調制下的波形及諧波畸變率如圖10所示。由圖10 可知，THD 為2.52%.在單極性倍頻

SPW M 調制下的輸出電壓波形及諧波畸變率如圖11所示。由圖11可知，THD 僅為1.53%.

四、結語

本文為解決在大功率條件下開關管的開關頻率不能過高問題，將單極性倍頻SPWM 波調制方式與環控制結合起來進行仿真研究，并進行實驗驗證。結果表明，這種方法應用在大功率逆變電源中效果較好，能夠使輸出波形THD 達到較高指標。