SPWM逆变电源输出谐波分析及抑制方法研究

徐顺刚，许建平，曹太强

(1. 西南交通大学电气工程学院 成都 610031; 2. 重庆师范大学物理与电子工程学院 重庆 沙坪坝区 400047)

电力电子技术的发展使得采用正弦脉宽调制(SPWM)的逆变电源得到了广泛的应用，如变频器、不间断电源(UPS)等。在SPWM逆变电源中采用高速半导体开关器件(如IGBT、MOSFET等)可以加快逆变电源的动态响应速度，减小逆变电源的体积[1-4]。

然而，采用高速半导体开关器件的逆变电源在负载端存在有dv/dt和di/dt的高频谐波分量。由于逆变电路中存在电感和电容器件，开关器件和电路布线也存在杂散电感和杂散电容，dv/dt会通过电容产生脉冲电流，而di/dt则会通过电感产生脉冲电压。另外，具有di/dt的电流环路是一个辐射源，它将向空间辐射电磁场，从而在逆变电源工作时对周围设备产生电磁干扰(EMI)[3-4]。大量研究表明，在采用脉宽调制的供电系统中，高频谐波中的dv/dt会产生严重的共模电磁干扰[5-7]，di/dt则会产生严重的差模电磁干扰[8-9]。虽然高频谐波产生电磁干扰的机理目前并不完全清楚，但普遍认为高频谐波中dv/dt和di/dt是产生电磁干扰的主要原因，并且dv/dt和di/dt越大，设备的电磁辐射能量越强，对其他设备的干扰也越大[10-12]。

因此，对SPWM逆变电源中高频谐波的产生机理和抑制方法的研究具有重要意义。针对SPWM逆变电源中高频谐波的产生原因，本文提出了一种使用随机调制的SPWM逆变电源谐波抑制方法，该方法通过对输出谐波进行频谱扩展，降低谐波的峰值幅度，从而减小逆变电源所产生的电磁干扰。

1 单相SPWM逆变电源谐波产生原因

载波为全波三角波的单相SPWM逆变电源是目前应用最为普遍的SPWM逆变电源之一[2]，其主电路和SPWM波形如图1所示。

图1 单相SPWM逆变电源

正弦波us(ωst)为调制波，三角波uc(ωct)为载波，用正弦波与三角波进行比较，在正弦波大于三角波的部分，开关器件T1和T4导通，产生SPWM波形的正脉冲；在正弦波小于三角波的部分，开关器件T2和T3导通，产生SPWM波形的负脉冲。单相SPWM波形就是负载上电压uL波形，其开关频率与三角载波频率相同。

为了便于分析，把三角载波用分段线形函数表示，得到三角波的数学表达式：

当取调制比M=0.8时，由式(5)可计算得到单相SPWM逆变电源输出电压中各次谐波分量的幅度值，如表1所示。

图2 SPWM时间函数分析

表1 单相SPWM逆变电源各次谐波分量的幅值

2 随机SPWM逆变电源的谐波分析

当基波频率为50 Hz、调制比M=0.8、载波频率fo=50 kHz、载波频带宽度Δf=5 kHz时，对常规SPWM逆变电源和随机SPWM逆变电源进行对比分析，通过Simulink仿真可以得到如图3所示的三角载波频谱和如图4所示的SPWM逆变电源输出频谱仿真图。

从仿真图3和图4可以发现，随机SPWM逆变电源载波频谱和逆变电源输出频谱在整个高频段分布都很均匀，而在常规SPWM逆变电源中，载波频谱和输出谐波频谱都是离散的，其能量主要集中在载波频率和载波的m次谐波频率附近，谐波的幅度也很大。

对比分析可以发现，随机SPWM逆变电源输出电压谐波频谱连续均匀分布，谐波峰值幅度与使用随机调制前相比大幅降低，因此，随机SPWM逆变电源比常规SPWM逆变电源具有更低的电磁干扰和更好的输出性能，在达到同样性能的前提下，可以选用比常规SPWM逆变电源更小的输出滤波器，从而达到减小逆变电源体积和降低成本的目的。

图3 三角载波频谱仿真图

图4 SPWM逆变电源输出频谱仿真图

3 实验结果

根据随机调制原理，本文设计并制作了一台110 V/50 Hz逆变电源实验样机，原理框图如图5所示.逆变电源载波中心频率fo=50 kHz，载波频带宽度Δf=5 kHz时，输出滤波电感为500 μH，输出滤波电容为10 μF。

图5 随机SPWM逆变电源框图

实验频谱对比测试如图6所示。图6a和图6b分别为常规SPWM逆变电源和随机SPWM逆变电源输出电压频谱。对比发现，采用随机调制后，逆变电源输出电压谐波在载波频率及载波的各次谐波频率处幅度明显降低(约10 dB)，并且随机SPWM逆变电源输出谐波分布更加均匀。

图6 SPWM逆变电源输出频谱实验测试图

对比输出频谱仿真图图4b和实验测试图图6b，后者在第一个谐波处的幅度比前者要高，这是因为在仿真电路中，采用的是理想开关器件，而在实验电路中，由于器件特性必须在驱动电路中加入死区控制，因此对随机调制的效果有一定影响。但是，不论从仿真图还是实验测试图都可以看出，在采用随机调制对逆变电源的输出谐波进行频谱扩展后，输出电压中各次谐波的峰值幅度都明显下降，谐波分量的幅值降低到接近噪声基底的水平。

同时，由于SPWM逆变电源谐波在很大的频率范围内都具有较大的能量，虽然随机调制能降低谐波分量的峰值幅度，但总的噪声能量并没有改变，因此，随机SPWM逆变电源输出频谱的噪声基底相对于常规SPWM逆变电源有所上升，这一点从逆变电源输出仿真频谱图图4和实验测试频谱图图6中都可以看到。

4 结 论

在单相SPWM逆变电源供电系统中，输出电压含有丰富的高频谐波成分，高频谐波会引起严重的电磁兼容问题，降低系统运行的可靠性。本文分析了单相SPWM逆变电源输出谐波的产生原因以及幅值大小，并在该基础上提出了一种采用随机调制进行谐波抑制的方法。该谐波抑制方法能使逆变电源的输出谐波频谱连续分布而不影响基波分量的大小，降低逆变电源输出谐波的峰值幅度，减小其产生的电磁干扰。通过软件仿真和实验对比的方式可验证该方法的有效性。

[1] 陈 斌, 姜建国, 孙旭东. PWM逆变器-感应电机驱动系统中接地电流EMI问题的分析[J]. 中国电机工程学报,2003, 23(2): 58-62.CHEN Bin, JIANG Jian-guo, SUN Xu-dong. Analysis of EMI due to grounding current in a PWM inverted-induction motor drive system[J]. Proceedings of the CSEE, 2003,23(2): 58-62.

[2] 刘风君. 现代逆变技术及应用[M]. 北京: 电子工业出版社, 2006.LIU Feng-jun. Application of modern inverter technology[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2006.

[3] 裴雪军, 康 勇, 熊 健, 等. PWM逆变器共模传导电磁干扰的预测[J]. 电机工程学报, 2004, 24(8): 83-88.PEI Xue-jun, KANG Yong, XIONG Jian, et al. Prediction of common mode conducted EMI in PWM inverter[J].Proceedings of the CSEE , 2004, 24(8): 83-88.

[4] 孟 进, 马伟明, 张 磊, 等. 基于IGBT 开关暂态过程建模的功率变流器电磁干扰频谱估计[J]. 中国电机工程学报, 2005, 25(20): 16-20.MENG Jin, MA Wei-ming, ZHANG Lei, et al. EMI Evaluation of power converters considering IGBT switching transient modeling[J]. Proceedings of the CSEE, 2005,25(20): 16-20.

[5] LAI J, HUANG Xu-dong, CHEN Shao-tang, et al. EMI Characterization and simulation with parasitic models for a low-voltage high-current AC motor drive[J]. IEEE Trans on Industry Applications, 2004, 40(1): 178-185.

[6] 孟 进, 马伟明, 张 磊, 等. 考虑PWM 调制策略的逆变器共模和差模干扰源模型[J]. 电工技术学报, 2007,22(12): 92-97.MENG Jin, MA Wei-ming, ZHANG Lei, et al. DM and CM EMI sources modeling for inverters considering the PWM strategies[J]. Transactions of China Electrotechnical Society,2007, 22(12): 92-97.

[7] 和军平, 姜建国, 陈 为. 离线式PWM 变换器电磁干扰传播通道模型的研究[J]. 电工技术学报, 2004, 19(4):56-60.HE Jun-ping, JIANG Jian-guo, CHEN Wei. Study of the model of the EMI coupling paths of an off-Line PWM converter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society,2004, 19(4): 56-60.

[8] ANDRZEJ M, KONSTANTIN B, LI Y, et al. A novel random PWM technique with low computational overhead and constant sampling frequency for high-volume, low-cost applications[J]. IEEE Trans on Power Electronics, 2005,20(1): 116-122.

[9] TSE K K, CHUNG H S H, HUI S Y, et al. Analysis and spectral characteristics of a spread-spectrum technique for conducted EMI suppression[J]. IEEE Trans on Power Electronics, 2000, 15(2): 399-410.

[10] JOHNSON S, ZANE R. Custom spectral shaping for EMI reduction in high-frequency inverters and ballasts[J]. IEEE Trans on Power Electronics, 2005, 20(6): 1499-1505.

[11] 孟 进, 马伟明, 张 磊, 等. 带整流桥输入级的开关电源差模干扰特性[J]. 电工技术学报, 2006, 21(8):14-24.MENG Jin, MA Wei-ming, ZHANG Lei, et al.Differential-mode EMI of switching power supplies with rectifier front-end[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2006, 21(8): 14-24.

[12] ACERO J, BURDIO J M, BARRAGH L A, et al. EMI improvements using the switching frequency modulation in a resonant inverter for domestic induction heating appliances[C]//35th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference. Aachen, Germany: IEEE, 2004.