几种逆变器调制方案的对比及选择方法

刘超英

（肇庆学院 电子与电气工程学院，广东 肇庆 526061）

0 引言

电力电子技术（power electronics）是研究利用半导体开关进行各类电源之间能源高效转换的学科与技术，是一门年轻而充满活力的学科，目前电力电子设备已经渗透到千家万户（例如手机充电器）.早期的电力电子技术主要研究交流电到直流电的转换问题，即整流技术[1-2].近几年随着IT产品、LED灯具、高铁、新能源汽车等新技术、新产品的不断出现，电力电子技术也进入新的发展时期，这种发展主要体现在2个方面.

第1个发展趋势是新型电力电子器件不断出现.从最早的硅整流二极管，到晶闸管，再到GTR、MOSFET、IGBT等单体半导体器件，以及功率集成电路（PIC）、IPM等[1]；近几年又出现了碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等半导体器件.作为改革开放和经济发展前沿大省的广东，已有碳化硅和氮化镓半导体器件进入市场.

第2个发展趋势是以电力电子为核心的新型设备不断出现.以焊接电源为例，传统电磁式焊接电源体积笨重，而且焊接电流有限.20世纪80年代后期，华南理工大学黄石生教授团队率先研制出了逆变式焊接电源，经过30多年的发展，目前逆变式焊接电源已经成为焊接电源的主流，同等功率情况下，逆变式焊接电源的重量和体积是传统焊接电源的1/3以下，而且控制性能良好[2].目前逆变式焊接电源焊接电流可达10 000 A.被称为中国“新四大发明”之一的高铁，也是电力电子技术发展的直接产物，高铁和蒸汽机车、内燃机车的最大区别是动力不同.蒸汽机车、内燃机车的动力来自自带的煤炭或柴油等燃料，而高铁的动力来自电力.高铁机车通过顶端的电力弓接触电网，获得源源不断的电力并为机车提供动力，但是电网的电力并不能直接驱动电机，需要经过电压、频率等变换才能用于驱动高铁电机，从而得到稳定、可控的运行速度.这里进行电压、频率变换的核心器件是IGBT，其变换电路属于电力电子技术领域.

从电源形式看，电流只有交流（AC）和直流（DC）这2种，因而电力电子就只有4类变换，具体如下：

1）交流（AC）到直流（DC）变换，也就是我们常说的整流.

2）直流（DC）到直流（DC）变换，把直流电进行降压、升压或者隔离变换.

3）交流（AC）到交流（AC）变换，也叫交交变换，通过变换实现电源、频率等方面的改变，变频调速器属于交交变换.

4）直流（DC）到交流（AC）变换，也称为逆变器.

根据拓扑结构和调制方法，逆变器有很多种类.本文中，笔者主要结合总谐波失真（THD）这个单相逆变器的主要参数，讨论分析几种典型调制方法的特性和优缺点，并根据新型电力电子器件的发展，探索逆变器调制方案的发展趋势.

1 逆变器的分类与主要参数

逆变器的应用越来越广泛，根据参数、特性和应用场合的差异，逆变器有多种分类方法.根据负载特性，逆变器可以分为有源逆变器和无源逆变器；根据输入直流电源特性，逆变器又可以分为电压型逆变器和电流型逆变器；根据逆变器输出交流电的相数，又有单相逆变器和三相逆变器之分；另外，还可以根据换流方式对逆变器进行分类.我们这里主要研究最常用的电压型单相逆变器.

逆变器作为电源的一种，有很多参数是与电源设备有共性的，这些共性参数如下：

1）电能转换效率，简称效率，指输出交流功率与输入直流功率之比.

2）容量，有些场合用功率，指逆变器的可以输出的最大功率.容量的单位是泛（VA）.

3）抗干电磁干扰（EMI）和电磁兼容性(EMC)，这2个参数是近几年提出来的，主要描述逆变器与其他用电设备（例如通信设备）之间的相互影响.

由于交流电的标准波形是正弦波，而逆变器的输出交流电并不是完美的正弦波，为了衡量逆变器输出波形与标准正弦波之间的误差，用总谐波失真（THD/total harmonic distortion）这个参数来表征，THD（T）定义为除基波成分外的其他谐波成分的总和与基波量之比，即

其中：vrms,v1,rms,vn,rms分别代表逆变器输出的有效值、基波分量的有效值、n次谐波的有效值.

也有一些文献用失真指数DF（distortion factor）来衡量逆变器输出电源的质量，DF(D)的定义是

2 逆变器的几种调制方案

从拓扑结构看，单相逆变器有推挽式（push-pull）、半桥式（half-bridge）和全桥式（full-bridge）几种，相当于计算机的硬件部分.调制是指在拓扑结构基本不变的情况下，通过控制和调整门驱信号，使逆变器的输出发生变化，PWM就是一种典型的直流开关电源调制方法.对于逆变器，主要有方波、准方波、SPWM、多电平几种调制方法，下面分别进行讨论.

图1 全桥逆变器在方波调制下的输出波形

2.1 方波调制

逆变器的方波（square wave）调制方案是最基本、最简单的一种.控制图1a逆变器中的正组开关（T1和T4）和负组开关（T2和T3）交替导通，在逆变器的输出端就可以获得正负交替变化的交流电.方波调制方案的优点是控制方法简单、开关频率低、开关损耗小；缺点是输出波形中除了有基波成分外，还有较多高次谐波成分，或者说方波调制方案的总谐波失真较大.

2.2 准方波调制

准方波（quasi square wave）调制方案是在方波调制方案基础上的一种改进，在正组开关和负组开关切换过程中，中间加入一段正组开关和负组开关全不导通的空置时间.逆变器的输出波形见图2.准方波调制方案的特点是控制方法简单，开关频率低，开关损耗小，谐波失真有所改善.

以1个周期（360o）讨论这个时间段的大小，早期一些学者认为这段时间为30o较好[3].通过傅里叶级数的方法可以证明，当这个角度为30o时，输出中3、6、9等高次谐波将被消除.后来又有学者证明24o最好[4]，可以证明在24o情况下，不仅高次谐波最小，而且基波成分最大，从而达到总谐波失真的最优化，目前大部分逆变器采用24o空置时间.

图2 准方波调制下的逆变器输出波形

2.3 正弦波脉冲宽度调制

图3 SPWM调制的逆变器输出

正弦波脉冲宽度调制（SPWM/sinusoidal pulse width modulation）方案是利用等冲量原理，利用一串宽度可调、高度相同的高频脉冲替代正弦波.SPWM又可以分为单极性SPWM和双极性SPWM 2种，还有调制度等其他参数的设置.图3是SPWM的控制波形和经过简单滤波的输出波形.SPWM调制的特点是总谐波失真有很大改善，但控制算法较复杂，而且由于开关频率较高、损耗大，使整个逆变器的效率降低.

2.4 多电平调制

多电平调制（multi-level modulation），也叫阶梯波调制，对比传统的2电平逆变器，逆变器的输出电平更多，因而逆变器的输出谐波畸变更小，不用或只需很小的输出滤波器就可以得到良好的正弦波电源输出[5].实现多电平调制的方法很多，主要有3电平中点箝位方式、分离电源H桥方式等，一个简单的实现是在DC端进行调节，例如让DC端电压在E和2E可变，经过逆变器后输出就可以得到0,+E,-E,+2E,-2E这5种电平.图4是5电平调制逆变器的理论输出波形和实际输出波形.多电平调制逆变器具有总谐波失真小、开关损耗小、转换效率高等优点，主要缺点是拓扑结构较复杂.

图4 多电平调制的逆变器输出

2.5 调制方案比较

为了便于比较几种调制方案，将前述4种逆变器的主要特性与参数等制成表1.对比的参数共5个，可以简单分成2类.第1类：衡量复杂程度的参数，有控制的复杂程度和电路的复杂程度2个参数，这类参数关系到逆变器的生产制造成本；第2类：衡量逆变器优劣的参数，有效率、谐波量、波形失真（THD）这3个，这类参数关系到逆变器的性能优劣.

表1 逆变器4种调制方案的主要特性与参数

3 结论

结合表1可以看出，中低端逆变器，主要采用准方波调制方案，方波调制方案在实际生产中几乎不用.主要原因是两者的复杂程度几乎一样，但准方波调制的波形畸变却明显优于方波调制.

在一些对谐波和波形畸变要求高的场合，可以采用SPWM和多电平调制的逆变器.SPWM方案开关工作在高频状态，开关频率为基波频率的mf倍，这里mf是频率调制度，一般来说mf越大，波形畸变越小，这时必然有更多的开关损耗，使逆变器的效率降低.

同样，增加电平的阶数，可提高多电平逆变器的波形质量.多电平逆变器的开关工作在与基波相同的频率，因此开关的高频损耗较少；随着阶数增多，开关的数量也越多，控制方法越发复杂.目前，实验室已经制成9阶电平的逆变器模型机，随着半导体开关的成本降低和控制技术的提高，更多阶数的多电平调制逆变器也会出现并应用在工业和其他场合，最终取代SPWM逆变器.