高压逆变器中的载波基础PWM技术比较

高压逆变器是可再生能源系统的重要组成部分，这些逆变器依赖脉宽调制(PWM)来控制电力转换过程。PWM使得波形生成和电力质量的精确控制成为可能，同时有效地抑制谐波。通过调节电压脉冲的宽度，可以在高压逆变器中近似出所需的交流波形，从而实现有效且平稳的电力传输给负载。

 

 

载波波形的形状在与参考信号进行比较时区分了不同的PWM技术。主要的三种载波基础PWM技术包括三角波、正弦波和锯齿波。这些PWM方法在处理谐波失真方面各有优缺点，影响其在不同高压应用中的适用性，因此需要进行比较分析，以便根据具体使用情况提供更好的选择依据。

 

PWM与谐波分析概述

 

通过在固定周期内变化电压脉冲的宽度，PWM控制输送给负载的电压。载波基础PWM使用高频载波波形(如锯齿波、正弦波或三角波)生成逆变器的开关脉冲，并将其与低于调制信号的参考波形进行比较。

图1

 

在载波基础PWM中，一个关键参数是调制指数，它定义了调制波形的幅度(Am)与载波波形的幅度(Ac)之间的比率。当调制指数(M)等于或小于1(线性调制区域)时，输出电压波形与参考调制波形非常相似，从而确保高质量的交流电压输出，失真度最低。然而，当调制指数大于1(过调制区域)时，参考电压超过载波波形，虽然输出电压增加，但代价是波形的失真增大。

另一个需要考虑的PWM方面是开关频率(fs)与输出频率(fo)之间的频率比，必须足够高以确保平稳的输出，并将谐波移到更高的频率，便于过滤。在给定周期(t)下生成的PWM信号可以通过以下公式进行近似，该公式比较了所需输出波形(Vm(t))和载波波形(Vc(t))。

其中(Vdc)是PWM的高电平电压。

 

分析载波基础PWM在开关操作过程中产生的谐波，对于理解高压逆变器的效率和性能至关重要。PWM信号中的开关频率谐波通常更容易使用LC低通滤波器进行过滤，并且发生在更高的频率。高谐波会增加逆变器的损耗，降低效率和使用寿命(由于过热)，增加电磁干扰(EMI)，并降低电力质量。

 

锯齿波、三角波和正弦波PWM技术

 

在高压逆变器中，谐波失真的控制依赖于载波信号的选择。除了针对特定边带谐波的谐波滤波器设计之外，对三种载波基础PWM进行基于应用的比较是非常必要的。

 

在锯齿波调制过程中，波形的幅度和频率是影响载波波形线性上升和急剧下降的主要特性之一。在这种情况下，调制指数由波形的幅度决定，而载波频率则受到开关发生速度的影响。就不对称性和谐波影响而言，该PWM技术的特征在于增加的边带谐波含量，这源于不均匀的脉冲宽度。这以及开关频率(fs)显著影响输出波形的质量。此外，载波信号的尖锐边缘产生的低阶谐波由于其显著特性，使得过滤变得困难。就最合适的应用而言，锯齿波载波在瞬态响应至关重要的高速度开关应用中效果最佳。

 

正弦波载波的特征是其平滑且连续的波形，类似于参考调制波形。在引入正弦波PWM的调制概念之前，有必要先看一下三角波形，以理解它们与正弦信号的关系。三角波形在一个完整周期内线性上升和下降，从而产生更平衡的开关间隔。这导致谐波能量集中在可预测的频率上，进一步通过最小化低频成分提高载波信号的整体性能。与锯齿波PWM相比，三角波PWM展现出更好的谐波特性和较低的失真，适合用于电机驱动和可再生能源集成中的扭矩控制等需要平滑输出和均衡开关模式的应用。

图2

在PWM信号的生成中，高频三角波载波波形与正弦波形进行比较，两个信号的交点被用来确定开关时刻。直接影响最终PWM输出的一个主要因素是三角波载波的开关频率。较高的载波频率会增加开关损耗，另一方面则提高PWM信号的分辨率。PWM信号的占空比与参考信号的正弦变化相匹配，生成的平滑波形需要较少的过滤，以产生正弦输出。与其他载波基础PWM技术相比，锯齿波PWM的总谐波失真(THD)最低，得益于其在跟踪参考信号方面的精确性。

 

总结

 

经过对THD、谐波分布和实施复杂度的比较分析，工程师们在设计高压逆变器时能够获得更好的见解，从而做出合适的选择。

 

通过这次分析得出：

 

正弦波PWM是高压逆变器和并网系统中最合适的选择，因为它具有最低的THD、有效的谐波分布和优质的波形。

三角波PWM提供了适中的复杂性和均衡的谐波特性，最适合于通用逆变器和电机驱动。

锯齿波的高谐波失真特性最适合低精度应用。