单极性倍频spwm原理_单极性倍频SPWM调制的逆变电源系统详解

　　随着电力电子技术的发展，人们对逆变电源的要求也越来越高。在大功率逆变电源场合，流过主电路上的器件电流非常大，作为开关管的IGBT 上流过的电流可达几百安，所以一般所选的开关管容量比较大，这就导致调制时的开关频率不能过高。本文首先介绍了主电路与三环控制，其次介绍了单极性倍频SPWM调制，最后阐述了系统实验分析wNN，具体的跟随小编一起来了解一下。

　　一、主电路与三环控制

　　逆变器主电路结构如图1所示，主电路采用全桥结构，输出端连接了LC 滤波器滤除高次谐波。开关管的驱动信号由三角波和正弦波比较匹配得到。

　　

　　三环控制结构图如图2所示，由内到外分别为瞬时值电容电流环、瞬时值电压环和电压有效值环。其中：瞬时值电流环的主要作用是校正输出电压波形;瞬时值电压环主要作用是校正输出电压的相位，并提高系统的动态性能;电压有效值环的主要作用是使输出电压稳定在所需要的电压幅值。

　　

　　电流瞬时值内环和电压瞬时值外环均采用P调节器，最外环电压有效值环采用PI 调节器。图3和图4 分别为采用三环控制的逆变电源系统从满载到空载和空载到满载的波形仿真图，图3中Uo为输出电流。由图3-4 可知，切载时电压幅值基本保持不变，说明系统具有较好的动态特性。

　　

　　

　　在常规SPMW波调制中，开关频率和输出脉冲频率是相等的，但是在大功率条件下，开关频率不能过高，原因主要：

　　①开关频率过高会导致开关损耗增大;

　　②会使开关管发热严重，长时间运行会损坏开关器件;

　　③开关频率过高，出现擎住效应的几率增大;

　　④大容量开关器件高速通断，会产生很高的电压尖峰，有可能造成开关管或其他元件被击穿。但是，开关频率降低会使输出波形中THD含量变高，不能满足最终指标要求。

　　为了提高输出波形质量，通常的做法是加大主电路后端LC滤波器参数，或增加三环控制中调节器比例系数，但是加大LC滤波器参数会使逆变器体积变大，成本增加，而且在实际构成数字控制系统时。调节器系数不能太大，否则就会造成振荡;所以单极性倍频SPWM调制方式应用而生。

　　二、单极性倍频SPWM调制

　　2.1、单极性倍频SPWM调制原理

　　

　　

　　2.2、单极性倍频SPWM调制下滤波器的设计

　　

　　电路中电容的作用是和电感-起构成一个低通滤波器，因此在电感值确定后，就可以根据LC滤波器的截止频率来确定电容C 的值。由于在单极性倍频SPWM 调制方式下，输出谐波为开关频率2 倍以上的偶次倍的高次谐波，所以LC 滤波器的截止频率可以取最低次输出谐波的1/10，即

　　

　　在实际电路中，由于各个器件的非理想特性，基准正弦也为非标准正弦信号，再加上死区对输出波形的影响，所以输出波形会含有低次谐波。将电容值适当取大，能够有效抑制低次谐波。将已计算得到的电感值带人上式中，即可得到电容值：

　　

　　在实际电路设计中，可取电感为0.4 mH，电容为20 PF.

　　在三环控制下，采用SPWM 波单极性倍频调制方法，数字控制系统中的比例控制器参数不需要很大，就可以保证较好的输出电压波形质量，而且输出电压信号的相位、幅值都能达到指标要求。

　　三、系统实验分析wNN

　　3.1、仿真结果及分析

　　本文基于上述原理，采用Matlab/Simulink搭建了仿真模型，进行仿真实验。采用常规SPWM调制，在三环控制下的输出波形及波形THD 分析结果图如图6 所示。其中： 开关频率为26.4 kHz;输出功率为10 kW.由Simulink 自带的FFT 分析可知，在此控制下的THD 含量为1.23%.其中，三次谐波含量较大，高次谐波已被LC滤波器滤掉。

　　

　　采用单极性倍频SPWM 调制，在三环控制下，输出波形及波形THD 分析结果图如图7 所示。其中： 开关频率为10kHz，输出功率为10kW.由Simulink 自带的FFT 分析可知，在此控制下的THD含量为0.75%.其中，偶次谐波含量较大，高次谐波已被LC 滤波器滤掉。

　　

　　由以上结果对比可知，采用单极性倍频SPWM调制方法时，开关频率仅为10kHz，但是输出电压的THD 值小于1% ; 而采用常规SPWM 调制方法时，开关频率达到26.4 kHz，THD 值也只有1.23%.开关频率10 kHz 经过倍频后得到的输出电压脉冲频率为20kHz，其THD 值与开关频率26.4 kHz 时的值相差不多，说明单极性倍频调制方法是有效的。

　　3.2、实验结果及分析

　　在上述仿真实验的基础上进行实验验证。首先得到单极性倍频SPW M 驱动信号，如图8 所示。系统切换负载时，输出电压和输出电流波形如图9 所示。 由图9 可知， 系统在负载切换时经过几个周期的调节就可以恢复电压幅值，说明系统在三环控制下具有较好的动态性能，与仿真结果相符。在常规双极性SPWM 调制下的波形及谐波畸变率如图10所示。由图10 可知，THD 为2.52%.在单极性倍频

　　

　　

　　SPW M 调制下的输出电压波形及谐波畸变率如图11所示。由图11可知，THD 仅为1.53%.

　　四、结语

　　本文为解决在大功率条件下开关管的开关频率不能过高问题，将单极性倍频SPWM 波调制方式与环控制结合起来进行仿真研究，并进行实验验证。结果表明，这种方法应用在大功率逆变电源中效果较好，能够使输出波形THD 达到较高指标。