6kV A逆变器滞环调制与单极性SPWM倍频调制的比较

2.2    滞环调制原理

三态滞环调制是从基本的Delta调制发展而来，图3是它的调制原理。

图3    电流滞环调制原理

滞环调制没有单独的载波信号，而是将输出信号通过反馈网络产生一个斜坡函数iLf做为载波。h为滞环宽度，当iLf<ig－h时，S1及S4导通，iLf上升，uab=Uin；当iLf>ig＋h时，S2及S3导通，iLf下降，uab=－Uin；当ig－h<iLf<ig＋h时，S2及S4导通，iLf通过S2及S4，uab=0。电路的这种特性就保证了输出电感电流跟随正弦给定变化，并且误差被限定在±h的范围内，因此，滞环宽度h也对输出波形有着很大的影响。减小h可以降低输出谐波，但会提高开关频率，增加开关损耗，因此，h的取值需要进行综合考虑，同时为了防止开关频率过高，一般需要加入一个状态锁存器来限制最高开关频率。在本文讨论的滞环逆变器中，最高开关频率被限定在20kHz，与SPWM调制方式中的载波频率相同，而滞环宽度h则被设置为相当于10％的电感电流。

2.3    两种调制方式原理的比较

从两种调制方式的原理可以看出滞环调制本身就包含了一个反馈环节，是一个闭环系统。而SPWM调制则是一个开环系统，其本身不包含反馈环节。因此，滞环调制系统的稳定性和抗干扰性能要好于SPWM调制。在实际系统调试中，滞环调制的逆变器系统控制环参数容易调到稳定，而单极性SPWM倍频调制的逆变器系统控制环参数，则需要经过多次的调整才能得到一个满意的参数。

另一方面滞环调制下的开关频率并不固定，而是跟随正弦给定和负载大小的改变而改变，因此，滞环调制下逆变器输出电压波形中包含了大量的较低次谐波，而且很难从理论上分析其谐波分布。在最大开关频率限定在20kHz情况下，其最低次谐波频率甚至会低至几kHz，文献[2]通过仿真验证了这一结论。单极性SPWM调制下开关频率是固定的，而且在倍频方式下SPWM输出电压波形中的最低次谐波集中在2倍载波频率附近，在本文所讨论的系统中为40kHz。所以，SPWM调制方式下的逆变器输出滤波器要比滞环调制方式的逆变器输出滤波器小得多。

3    输出滤波器的设计

逆变器两个桥臂中点之间的输出电压是一个高频的方波脉冲，对其作频谱分析可知它的基波频率与调制波相同，而其高次谐波则由调制方式所决定。高次谐波对逆变器负载是有害的，甚至会引起负载的不稳定，所以，在逆变器的输出端需要使用一个低通滤波器将高次谐波滤除。本文所提及的两台逆变器的输出滤波器均采用Γ形的LC滤波器，在结构上完全相同，但其设计步骤和具体参数则有所不同。

3.1    SPWM调制下滤波器的设计

SPWM调制下输出滤波电感的值一般是由电感电流的的最大纹波所决定，取该值为满功率输出时正弦电流峰值的15％，即

ΔImax=15％×2×=5.78A（2）

在单极性SPWM倍频调制下，ua与ub两点的电压波形是单极性SPWM脉冲，其占空比

D=（3）

所以，可得电感电流纹波的表达式为

ΔI=（4）

由式（4）可知，当uo=1/2Uin时，电感电流纹波最大，且

ΔImax=（5）

综合式（2）与式（5）可得

L(>=)=0.43mH（6）

实际电路中取电感值为0.5mH。

电路中电容的作用是和电感一起构成一个低通滤波器，因此，在电感值确定后，就可以根据L滤波器的截止频率来确定电容C的值。由于SPWM倍频调制方式下，输出谐波为开关频率2倍及以上的高次谐波，所以可以取截止频率为最低次输出谐波频率的1/10，即

（7）

推得

C(>=)=3.17μF（8）

实际电路中，由于器件的非理想特性、基准波也非标准的正弦波以及死区对输出波形的影响，所以，输出波形中还包含有一定的低次谐波，C的取值必须大一些，以对这些低次谐波有一定的抑制作用，最终取电容值为16μF。

3.2    滞环调制下滤波器的设计

滞环调制下输出滤波器的设计和单极性SPWM倍频调制下有很大的不同。首先，滞环调制中电感电流的纹波是由滞环宽度h所决定，用电感电流的最大纹波值来确定电感值的方法并不适用。其次，滞环调制下由于开关频率并不固定，其输出电压波形谐波分布广且不含有特定频率的谐波[3]，所以，与单极性SPWM调制下根据器件开关频率设定输出滤波器的截止频率不同，其输出滤波器的截止频率应该根据输出的基波频率来设定。本文中逆变器的输出频率为50Hz，取输出滤波器的截止频率为输出频率的10倍即500Hz，可得

=500（9）

作者：浙江大学　梅烨，石健将，何湘宁   来源：21IC电子网