濾波參數(shù)對逆變器輸出波形的影響研究

摘" 要： 為了探究濾波電感、電容、濾波器結(jié)構(gòu)及磁芯材料對逆變器輸出波形的影響，文中設(shè)計一種LLC型濾波結(jié)構(gòu)。在雙極性驅(qū)動方式下，LLC型濾波電感、電容參數(shù)增大，逆變器輸出波形對稱性更好。但隨著參數(shù)持續(xù)增大，該濾波結(jié)構(gòu)會引起輸出波形起始波動時間延長，波動程度增大，電路阻抗、無功功率增加及波形過矯正。對LC型、LLC型、LCL型三種濾波結(jié)構(gòu)的對比研究結(jié)果表明：在電感、電容參數(shù)為3 mH和14.1 μF時，三種結(jié)構(gòu)都具備較好的濾波特性；LLC型濾波結(jié)構(gòu)具備更好的線路阻抗平衡特性，輸出波形對稱性更好。研究了鐵硅鋁、錳鋅鐵氧體以及非晶納米晶三種磁芯材料對LLC型濾波特性的影響，發(fā)現(xiàn)在參數(shù)相同時，磁導(dǎo)率越高波形對稱性越差，阻抗變大會導(dǎo)致逆變輸出波形畸變。因此，在逆變器濾波設(shè)計中應(yīng)綜合考慮電感、電容、磁導(dǎo)率及線路阻抗平衡問題，以提高濾波器的工作性能。

關(guān)鍵詞： LLC諧振； 濾波電感； 濾波電容； 濾波結(jié)構(gòu)； 逆變器； 線路阻抗； 磁導(dǎo)率

中圖分類號： TN713?34； TM464" " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A" " " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2025）04?0010?08

Research on impact of filter parameter on output waveform of inverter

WANG Zhicheng1， LI Ziwei1， CHEN Jingwei2， JI Zhiteng1

（1. School of Mechanical and Electronic Engineering， East China University of Technology， Nanchang 330013， China;

2. Quanzhou Weidun Electric Co.， Ltd.， Quanzhou 362012， China）

Abstract： A LLC type filter structure is designed to investigate the impact of filter inductance， capacitor， structure， and magnetic core material on the output waveform of the inverter. Under bipolar driving mode， the LLC type filter inductor and capacitor parameters can increase， resulting in better symmetry of the inverter output waveform. As the parameters continue to increase， this filtering structure will cause the initial fluctuation time of the output waveform to prolong， the fluctuation degree to increase， the circuit impedance and reactive power to increase， and the waveform to be over?corrected. The comparative study of LC， LLC and LCL filter structures shows that when the inductance and capacitance parameters are 3 mH and 14.1 μF， the three structures have better filtering characteristics， while the LLC filter structure has better line impedance balance characteristics and better output waveform symmetry. The influence of three core materials， Fe?Si?Al， Mn?Zn?Ferrite and amorphous nanocrystalline on the characteristics of LLC filter is studied. It is found that when the parameters are the same， the higher the permeability， the worse the wave symmetry. The impedance amplification can lead to the waveform distortion of inverter output. Therefore， comprehensive consideration should be given to inductance， capacitance， permeability and line impedance balance when designing an inverter filter to enhance its performance.

Keywords： LLC resonance; filter inductor; filter capacitor; filtering structure; inverter; line impedance; magnetic permeability

隨著光伏發(fā)電、光伏儲能、光伏并網(wǎng)規(guī)模日漸擴(kuò)大，為獲得更好的供電質(zhì)量以及穩(wěn)定性，高性能逆變器被大量研究與開發(fā)[1]。逆變器作為直交流轉(zhuǎn)化關(guān)鍵設(shè)備，其輸出的電能質(zhì)量、穩(wěn)定性直接影響能源轉(zhuǎn)換效率和負(fù)載使用壽命[2]。對逆變器輸出而言，關(guān)鍵影響因數(shù)包括驅(qū)動方式、電路結(jié)構(gòu)以及濾波器，其中濾波器是整個逆變輸出的最后一步，各項參數(shù)將直接影響逆變器輸出波形。濾波器在逆變器中起著消去多次諧波、篩選特定頻率波形和平滑波形的作用。諧波和波形失真是引起負(fù)載發(fā)熱和工作異常的主要原因，因此濾波器參數(shù)設(shè)計尤為重要[3]。濾波器主要由電感、電容組成，通過調(diào)整電感和電容參數(shù)，可實現(xiàn)特定的阻抗特性和能量消耗，以消除多次諧波、篩選特定頻率波形和平滑波形[4?5]。為了探究濾波器對逆變器輸出波形的具體影響，本文從濾波器電容和電感參數(shù)、結(jié)構(gòu)、磁芯材料三方面研究其對逆變器輸出波形的起始波動時間、對稱性及畸變的影響。

1" 電感、電容參數(shù)對逆變器輸出波形的影響

濾波器根據(jù)其濾波頻率可分為高通濾波器、帶通濾波器、低通濾波器以及帶阻濾波器等。逆變器的輸出頻率一般為[50 Hz]，因此需要調(diào)整電感、電容值，并使用低通濾波結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)[50 Hz]固定頻率的輸出[6]。電路設(shè)計中常常需考慮各處線路阻抗平衡，本文基于此思想設(shè)計一種LLC型濾波結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該濾波結(jié)構(gòu)對于全橋逆變電路可實現(xiàn)輸出阻抗平衡，有利于提升逆變器的穩(wěn)定性，故文中根據(jù)此結(jié)構(gòu)調(diào)整電感、電容值，并驗證電感、電容值變化對逆變器輸出波形的影響。

1.1" 電感、電容參數(shù)選擇

電感、電容參數(shù)決定了LLC型濾波結(jié)構(gòu)的諧振頻率，諧振頻率決定了濾波器濾波頻率范圍，因此需推導(dǎo)其諧振頻率公式來確定電感、電容參數(shù)范圍，以此實現(xiàn)[50 Hz]交流輸出。對LLC型濾波電路進(jìn)行分析可知：

[VoutVin=1sC11sL1+1sL2+1sC1] （1）

式中：[Vout]為輸出端電壓；[Vin]為輸入端電壓。對式（1）進(jìn)行傅里葉變換[7]，可得：

[VoutVin=1jωC11jωL1+1jωL2+1jωC1] （2）

簡化可得：

[VoutVin=11-ω2C1L1+L2] （3）

由角頻率[ω=2πT]，周期[T=2πω]，頻率[f=1T]可得：

[f=ω2π] （4）

通過分析可知，當(dāng)[VoutVin]的傳遞函數(shù)模值趨近于0時，該LLC濾波結(jié)構(gòu)為低通濾波器，由此可得諧振頻率計算公式為：

[f=12πC1L1+L2] （5）

而LC型濾波器的諧振計算公式為[f=12πCL]，通過類比可將LLC型濾波器低通頻率簡化為LC型。LC型濾波器諧振頻率范圍必須滿足以下條件：

[10f0lt;fwlt;110fs] （6）

式中：[f0]表示逆變器輸出頻率；[fw]表示濾波器諧振頻率；[fs]表示開關(guān)頻率。因此LLC型濾波器在濾波時也需滿足上述不等式[7?8]。

在驗證不同電感、電容參數(shù)對逆變器輸出波形的影響時，需確保濾波器諧振頻率在[10f0lt;fwlt;110fs]之間。本節(jié)分別研究電感恒定電容增加、電容恒定電感增加、電感電容同步增加三種情況下逆變器輸出波形的變化。設(shè)定初始電感值為1 mH，電容為4.7 μF，然后成倍數(shù)地增加電感、電容值，并使得每組的濾波器諧振數(shù)值保持在[10f0lt;fwlt;110fs]范圍內(nèi)，具體數(shù)據(jù)如表1～表3所示。逆變初始參數(shù)為：使用雙極性驅(qū)動方式，輸入電壓為24 V，開關(guān)頻率為33 kHz，輸出頻率為50 Hz，輸出功率為10 W，輸出電壓為20 V。

由公式（6）可得[f0]、[fs]（單位均為Hz）：

[10f0=10×50=500]

[110fs=110×33 000=3 300]

綜上可知，[fw]諧振頻率都在[10f0lt;fwlt;110fs]之間，符合濾波要求。

1.2" 電感、電容參數(shù)對波形起始波動的影響

由于示波器很難直接捕捉逆變器輸出的起始波動，因此采用Matlab/Simulink對LLC型濾波器進(jìn)行仿真，觀察表1～表3中電感、電容參數(shù)變化時逆變器輸出波形的起始波動。LLC型濾波器仿真電路圖如圖2所示[1]。

對初始設(shè)定電感值為1 mH、電容為4.7 μF進(jìn)行仿真驗證，其輸出的波形如圖3所示。

由圖3的局部放大圖可見仿真輸出波形在前[18]個周期中出現(xiàn)波動，然后波形穩(wěn)定。在仿真中輸出波形的起始波動是由于電感、電容蓄能未完成，諧振頻率產(chǎn)生波動導(dǎo)致。為進(jìn)一步研究電感、電容參數(shù)對逆變器輸出起始波動的影響，采用表1～表3中電感、電容參數(shù)進(jìn)行一步研究。

1） 對電感恒定情況進(jìn)行仿真驗證，仿真結(jié)果見圖4。

2） 對電容恒定情況進(jìn)行仿真驗證，仿真結(jié)果見圖5。

3） 對電容、電感同步增加時進(jìn)行仿真驗證，仿真結(jié)果如圖6所示。

通過圖3～圖6輸出波形對比發(fā)現(xiàn)：當(dāng)電感不變、電容增加時，輸出波形波動程度較大，并且波形波動時間由之前2.5 ms增加到7.5 ms左右，起始波動時間延長；當(dāng)電容不變、電感增加時，輸出波形波動程度減小，但波動時間并沒有減少，由最初2.5 ms增加到5 ms左右；當(dāng)電感、電容同時增加時，輸出波形波動程度相比前兩者起伏更大，并且波動時間延長至7.5 ms左右。通過對比圖4和圖5發(fā)現(xiàn)，電容增大時輸出波形起始波動程度更大，電感增大時輸出起始波動程度反而有所下降。這是由于電感對電流突變影響更大，而電容對電壓突變的影響更大，所以當(dāng)電感增加時只是延長了波動時間，并未使電壓波動程度增加，而電容則反之。通過仿真結(jié)果可得出：LLC型濾波器具備濾波功能，并且當(dāng)電容、電壓增加時，逆變器輸出波形起始波動程度和波動時間都有所增加，但電容對輸出電壓波動影響更大；電感主要影響其波動時長，因此在外部負(fù)載對逆變器起始輸出要求更加平穩(wěn)時，需考慮電感、電容的參數(shù)配比。

1.3" 電感、電容參數(shù)對波形的對稱性及畸變影響

為研究電感、電容參數(shù)對逆變器輸出波形的對稱性以及畸變的影響，通過繪制原理圖及PCB版圖進(jìn)行實物測試，逆變電路實物圖如圖7所示。

硬件系統(tǒng)通過一個BUCK降壓電路為單片機(jī)和IR2110S提供穩(wěn)定電源，使用外部電壓源直接驅(qū)動IGBT來進(jìn)行逆變輸出，采用LLC型濾波器進(jìn)行濾波實驗。為驗證LLC型濾波器的濾波效果以及電感、電容參數(shù)對波形對稱性和畸變的影響，通過示波器抓取IGBT輸出電壓波形。監(jiān)測濾波前電壓波形如圖8所示，可見IGBT輸出端電壓具有多次諧波，不能直接用于負(fù)載驅(qū)動，需通過電感、電容進(jìn)行濾波，并對波形進(jìn)行修正。

1） 對電感恒定情況進(jìn)行測試，測試結(jié)果見圖9。

由圖9可知輸出波形高次諧波被消除，說明LLC型濾波器具備低通濾波功能，但波形對稱性較差，隨著電容值增大，電壓波形得到修正，逐漸趨于正弦波。出現(xiàn)電壓波形不對稱是由于電感、電容在電壓下降和上升時對輸出電壓的補償不夠。從上半周期波形來看，在電壓由上升到下降的一瞬間，由于電感電流不突變、電容電壓不突變的特性，電感和電容會保持上一時刻的狀態(tài)，導(dǎo)致波形出現(xiàn)偏移[9]；而隨著電容值的增大，其本身積蓄的能量更多，電壓突變對其影響更小。

2） 對電容恒定情況進(jìn)行測試，測試結(jié)果見圖10。

圖10與圖9輸出波形基本相同，都是由于電壓瞬間突變造成的，并且電容或者電感增加時輸出波形的電壓峰值有所下降。電壓下降是由于電感、電容本身阻抗導(dǎo)致的。電感、電容阻抗計算公式[10]如下：

[XL=2πfL] （7）

[XC=12πfC] （8）

LLC型濾波器電壓輸出端在電容兩端，當(dāng)電感值增大時，整體阻抗增加，而電容兩端的阻抗不變，通過電路分析可知此時電容兩端的電壓下降。通過電容阻抗公式可知當(dāng)電容值增大時，電容阻抗減小，整體阻抗減小，導(dǎo)致電容兩端電壓下降，因此不管是增大電感還是電容，輸出端的電壓都會下降。

3） 對電容、電感同時增加進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖11所示。

由圖11可見，當(dāng)電感為3 mH、電容為14.1 μF時，逆變器輸出波形最接近正弦波，對稱性最好，波形幾乎沒有出現(xiàn)畸變，說明隨著電感、電容參數(shù)的逐漸增大，濾波器濾波效果越強(qiáng)。但并不是電感、電容的數(shù)值越大越好，將電感調(diào)整為11 mH、電容調(diào)整為14.1 μF時，其輸出波形如圖12所示。從圖中可見此時波形趨于半圓型，隨著電感、電容參數(shù)的增加，其波形會過矯正，失去正弦特征，并且輸出電感、電容增加對應(yīng)的初始波動也將增加。

2" 濾波結(jié)構(gòu)對逆變器輸出波形的影響

現(xiàn)有逆變器產(chǎn)品中主要使用的濾波器結(jié)構(gòu)為LC型，其只需一個電感，成本更低，但未考慮線路阻抗問題。本文主要驗證LC型、LLC型、LCL型三種不同的濾波器結(jié)構(gòu)對逆變器輸出波形的影響。三種結(jié)構(gòu)如圖13所示。

三種濾波結(jié)構(gòu)中，LC型和LLC型可以通過諧振頻率公式確定電感和電容值，而LCL型的電感、電容參數(shù)[11]需通過以下公式計算得出：

[C=0.05S2πfV2grid] （9）

[L1=VDC4fsΔIppmax] （10）

[L2=9L14π2f2sL1C-9] （11）

式中：S表示逆變器輸出功率；[f]表示逆變器輸出頻率；[Vgrid]表示逆變器輸出交流電壓有效值；[VDC]表示逆變器輸入電壓值；[fs]表示開關(guān)頻率；[ΔIppmax]表示電流有效值，[ΔIppmax=20%×2I]，[I=SVgrid]。通過上述公式并結(jié)合文中逆變器初始參數(shù)[12?13]可得：[C≈3.98 μF]，[L1≈1.28 mH]，

[L2≈54.85 μH]。

對計算數(shù)值進(jìn)行設(shè)定，取電容為4.7 [μF]，電感[L1]為1[ mH]，[L2]為55 [μH]，同時保持LC型和LLC型電容、電感值分別為4.7[ μF]、1[ mH]進(jìn)行對比實驗，結(jié)果如圖14所示。

從圖14中三種濾波結(jié)構(gòu)的輸出波形可以發(fā)現(xiàn)，LLC型濾波器結(jié)構(gòu)在電壓周期性變化的過程中波形更加平滑，對稱性更強(qiáng)。為了進(jìn)一步驗證三者區(qū)別，將電感值增加到3 mH，電容值增加到14.1 μF，使得三種濾波結(jié)構(gòu)的輸出波形更加趨于正弦波時進(jìn)行進(jìn)一步比較，其輸出波形如圖15所示。由圖15可見，LLC型濾波器結(jié)構(gòu)輸出波形具備更強(qiáng)的對稱性，且波形輸出更加平滑。因為LLC型濾波器考慮了逆變時的線路阻抗平衡，使得不論是PWM1驅(qū)動的IGBT導(dǎo)通，還是PWM2驅(qū)動的IGBT導(dǎo)通，輸出阻抗始終相等，而LC型和LCL型則不具備阻抗平衡特性。

3" 磁芯材料對逆變器輸出波形的影響

本節(jié)驗證電感參數(shù)相等時，使用的磁芯材料的磁導(dǎo)率不同是否會導(dǎo)致濾波效果出現(xiàn)差異。由于不同的磁芯材料具有不同的磁導(dǎo)率，使得每一種磁芯的磁飽和特性曲線均不一致，導(dǎo)致當(dāng)電感值一致時，其濾波性能存在差異性[14]。常見的濾波磁芯有鐵硅鋁、鎳鋅鐵氧體、錳鋅鐵氧體以及非晶納米晶4種材料，其中鎳鋅鐵氧體用于1～100 MHz的濾波抗干擾，并不適用于50 Hz的工頻逆變器濾波[15]。本文通過對鐵硅鋁、錳鋅鐵氧體以及非晶納米晶三種磁芯材料下的LLC型濾波器濾波性能進(jìn)行研究，探討何種材料更加適用于逆變器濾波。LLC型濾波器設(shè)定[L1]、[L2]為3 mH，C為14.1 μF，實驗結(jié)果如圖16所示。

經(jīng)實驗對比發(fā)現(xiàn)，非晶納米晶材料的濾波效果最差，鐵硅鋁和錳鋅鐵氧體的濾波效果基本一樣。其中非晶納米晶的磁導(dǎo)率μ為1 500～30 000 H/m，鐵硅鋁的磁導(dǎo)率μ為26～125 H/m，錳鋅鐵氧體的磁導(dǎo)率μ為100～1 000 H/m。由此可見，當(dāng)磁芯材料磁導(dǎo)率越高時，在LLC型逆變器濾波的情況下其濾波效果越差，會出現(xiàn)波形畸變，且不具備對稱性。這是由于磁導(dǎo)率越高，材料阻抗越大造成。就非晶材料而言，其阻抗公式如下：

[Z=1-ih2lc2πρωμ] （12）

式中：[i]為虛數(shù)單位；[h]為非晶材料長度；[l]為非晶材料寬度；[c]為光速；[ρ]為非晶材料直流電阻率；[ω]為頻率；[μ]為磁導(dǎo)率。從公式中可以看出，電阻率越大時，其阻抗越大，阻抗增大使得濾波波形出現(xiàn)畸變[16]。

4 結(jié)" 論

本文研究了濾波器電感和電容參數(shù)、結(jié)構(gòu)及磁芯材料對逆變器輸出特性的影響，結(jié)果表明：當(dāng)電感、電容參數(shù)增大時，逆變器輸出波形起始波動時間逐漸延長，波形畸變能夠得到改善，并且波形更加趨近正弦波，對稱性更好；但隨著電容、電感參數(shù)持續(xù)增大，會出現(xiàn)波形過矯正，導(dǎo)致電路阻抗增加，使得線路損耗增大。因此在逆變器濾波設(shè)計中并不是電感、電容越大越好，需根據(jù)實際需求做調(diào)整。通過對LC型、LLC型、LCL型三種濾波器結(jié)構(gòu)對比研究發(fā)現(xiàn)，三種濾波器結(jié)構(gòu)在電感、電容參數(shù)合適時都具備較好的濾波特性，但由于LLC型濾波器考慮了線路阻抗問題，因此其具備更好的輸出波形對稱性。最后通過對鐵硅鋁、錳鋅鐵氧體以及非晶納米晶三種磁芯材料下的LLC型濾波器濾波性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明在相同參數(shù)下，磁導(dǎo)率越高的磁芯材料，其波形對稱性越差，但由于磁導(dǎo)率越大其阻抗越大，大阻抗會導(dǎo)致逆變輸出波形出現(xiàn)畸變。

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作者簡介：汪志成（1982—），男，湖南永州人，博士研究生，副教授，主要研究方向為新能源技術(shù)與應(yīng)用。

李紫微（1999—），女，江西萍鄉(xiāng)人，在讀碩士研究生，主要研究方向為電路與系統(tǒng)。

陳經(jīng)緯（1985—），男，福建泉州人，中級工程師，主要研究方向為電力電子與信號測量。

嵇志騰（1998—），男，江西撫州人，在讀碩士研究生，主要研究方向為電路與系統(tǒng)。