基于SPWM 控制策略的逆變器諧波分析

中國船舶重工集團公司第七一五研究所 高少波 康真威

本文對多種PWM控制技術進行研究，通過對逆變器交流側電壓的FFT分析，得到不同控制策略下的諧波分布。對比各種SPWM控制技術，倍頻SPWM控制策略具有其高頻優勢，其低次諧波和高次諧波相對較小，總諧波畸變較小，在不考慮濾波電容設計的情況下，具有較好的諧波運行特性。

隨著ICBT等快速發展的可控電力電子器件，有力地促進了交流傳動技術的進步。由于許多脈寬調制(PWM)技術的涌現，各種常用型號和規格的彩色轉換器產品層出不窮，特別是級聯式多電平逆變器，它采用串聯功率單元的結構實現高壓輸出，對電網的諧波污染很小，輸出電壓和電流的諧波含量低，這是最有前途的技術之一。逆變器中最成熟的全橋逆變器，其控制方式分為雙極性和單極性，與雙極性相比，單極性控制方式具有損耗低、電磁干擾小、開關諧波小等優點。本文對各種常見SPWM控制策略進行概述分析對比，在高頻領域，單極性PWM，特別是倍頻PWM控制技術具有其獨特優點，在開關損耗及高頻諧波等方面具有較好的運行特性，在很大程度上減少了功率器件，降低了開關損耗，提高了PWM逆變器的工作效率。

1 基本操作方法

逆變器的基本操作思想是通過控制功率電子開關器件（如MOSFET、IGBT等）的高頻開關，實現從直流輸入到交流輸出的轉換。為了輸出期望的波形（如正弦波），必須合理控制開關器件的通斷時間（即占空比），最常見的方法是脈寬控制（PWM），PWM控制技術是變頻技術的核心技術之一。其控制方式是控制逆變電路開關器件的通斷，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，并用這些脈沖代替正弦波或所需的波形。換言之，在輸出波形的半周期內產生多個脈沖，使得每個脈沖的等效電壓是正弦的，并且輸出平滑，低次諧波較少。每個脈沖的寬度按照一定的規則進行調制，可以改變逆變器電路的輸出電壓和頻率，其次，所謂SPWM，它通過改變輸出方波的占空比來改變等效輸出電壓。廣泛應用于電機調速和閥門控制，如我國電動車電機調速就是采用這種方式。

SPWM控制技術的基本原理是通過高頻載波的方式，對實時信號通過逆變器進行斬波放大，而信號的質量與載波頻率比相關，在實際工程研究中，信號載波頻率比通常須大于一定比例方能保證信號質量。同時，也正是由于開關器件的高頻作用，使得輸出波形中存在大量的諧波，對電能質量產生了負面影響。因此，本文從PWM控制策略出發，對降低逆變器輸出諧波的方法進行了分析比較。

圖1 雙極性SPWM控制波形圖

圖2 雙極性SPWM仿真圖

圖3 單極性倍頻SPWM控制波形圖

圖4 單極性倍頻SPWM仿真圖

2 SPWM控制策略對比分析及仿真

2.1 雙極性SPWM控制技術

SPWM控制技術主要分為雙極性PWM和單極性PWM控制兩種。由于原理簡單，變量較少，雙極性SPWM是最常用的載波控制方式之一，雙極性SPWM控制技術原理如圖1所示。

在一個周期內，載波信號是連續變化的雙極性三角波(或鋸齒波)，而經過全橋逆變器后，輸出電壓波形并不是單一極性，而是正負極性三電平。輸出電壓在半個周期內，如果正電壓的平均值在半個周期內大于負電壓的平均值，則相當于輸出電壓的正半周期，否則為輸出電壓的負半周期。

根據其原理，設計基波頻率500Hz，載波頻率10kHz，低通濾波頻率2kHz的仿真模型，仿真波形及諧波成分如圖2所示。

從原理及仿真結果可看出，雙極性SPWM控制技術的諧波成分相對較多。

2.2 單極性倍頻SPWM控制技術

單極性倍頻SPWM是在單極性SPWM的基礎上發展起來的，它具有輸出波形諧波抑制好、輸出電壓脈動頻率高、開關頻率相對較低的特點。根據輸出脈沖的特性，單極性倍頻調制的輸出脈沖與單極性SPWM調制的輸出脈沖相同。區別在于，由于載波頻率原則上是倍頻的，在驅動模塊驅動SPWM脈沖序列后，通過四個功率晶體管的不同工作模式，在功率器件相同的開關頻率下，逆變器的輸出電壓脈沖頻率是單極性SPWM調制的兩倍，因此這種調制又稱為雙SPWM調制。其工作原理如圖3所示。

根據同樣的仿真模型，可得出波形及諧波成分如圖4所示。

從原理及仿真結果可以看出，單極性倍頻SPWM控制技術的偶次諧波分布較小，失真率THD較低。

總結：在變頻器逆變器的各種SPWM控制方法中，每種方法都有各自的控制優勢，但也有各自的控制缺陷。在高頻領域，特別是功率較大時，IGBT的開關頻率具有一定限制，倍頻SPWM技術可在一定程度上將載波頻率提高，而開關損耗降低，同時輸出電壓諧波和失真率可大大降低，其控制特性優越，在多電平逆變器的控制中得到了廣泛的應用。