KSD211B 3BHE022455R1101 高压变频器中载波PWM技术的比较

　　高压逆变器是可再生能源系统的重要组成部分，这些逆变器依赖于脉宽灯(PWM)来控制功率转换过程。PWM可实现精确的波形生成和电能质量，并提供高效的谐波抑制。通过电压脉冲宽度的调制，高压逆变器中的期望交流波形可以近似为到负载的有效且平滑的功率流。与参考信号相比，载波波形的形状区分不同的PWM技术。三种主要的载波PWM技术包括三角波、正弦波和锯齿波。这些PWM方法在操作上各有优缺点谐波畸变，影响它们在不同高压应用中的适用性，进一步需要进行比较分析，以便更好地了解基于用例的选择。

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　　PWM和谐波分析概述

　　通过以固定的周期改变电压脉冲宽度，PWM控制传送到负载的电压。基于载波的PWM使用高频载波波形(如锯齿波、正弦波或三角波)为逆变器产生开关脉冲，并将它们与低于调制信号的参考波形进行比较。

　　图1。调制波形(Vm)由所需输出电压的正弦波表示，与载波(Vc)进行比较以产生PWM(如果Vm ≥Vc，则PWM输出开启)。图片由鲍勃·奥德希安波提供

　　基于载波的PWM考虑的一个关键参数是调制指数，它定义了调制波形的幅度(Am)与载波波形的幅度(Ac)之比。当调制指数(M)等于或小于1(线性调制区域)时，输出电压波形非常类似于参考调制波形，从而确保高质量的交流电压输出，失真最小。然而，当调制指数大于1(过调制区域)时，参考电压会超过载波波形，从而增加输出电压，但代价是波形失真。

　　M=AmAc�=����

　　PWM中需要考虑的另一个方面是开关频率(fs)与输出频率(fo)之间的频率比，该频率比必须足够高，以实现平滑输出，并将谐波转移到更高的频率，从而易于滤波。在给定周期(t)产生的PWM信号可以使用下面的通用公式来近似，该公式比较期望的输出波形(Vm(t))和载波波形(Vc(t))。

　　VPWM(t)=⊢VdcifVm(t)≥Vc(t)0otherwise����(�)=⊢0��ℎ�������������(�)≥��(�)其中(Vdc)是PWM的高电平电压。

　　分析载波PWM开关操作期间产生的谐波对于了解高压逆变器的效率和性能至关重要。PWM信号中的开关频率谐波通常更容易使用LC低通滤波器进行滤波，并且出现在更高的频率。高次谐波会增加逆变器损耗，由于过热而降低效率和寿命，增加电磁干扰(EMI)，并降低电能质量。

　　锯齿波、三角波和正弦波PWM技术

　　在高压逆变器中，谐波失真控制取决于载波信号选择。除了针对特定边带谐波衰减的谐波滤波器设计之外，对三种基于载波的PWM进行基于应用的比较也很重要。

　　在锯齿调制过程中，波形的幅度和频率是影响重复模式中载波波形的线性上升和急剧下降的一些主要属性。在这种情况下，调制指数由波形幅度决定，而载波频率受开关速度影响。关于不对称和谐波影响，这种PWM技术的特点是边带谐波含量增加，这是由不均匀的脉冲宽度造成的。这和开关频率(fs)显著影响输出波形的质量。此外，来自载波信号锐边的低阶谐波因其突出的性质而使滤波变得困难。对于最合适的应用，锯齿载波最适合瞬态响应至关重要的应用，如高速开关应用。

　　正弦载波的特征在于平滑和连续的波形，类似于参考调制波形。在正弦PWM中引入调制概念之前，有必要了解一下三角波形，以了解它们与正弦信号的关系。三角波形在一个完整周期内线性上升和下降，以产生更加平衡的开关间隔。这导致谐波能量集中在一个可预测的频率上，通过最小化低频分量进一步改善载波信号的整体性能。与锯齿波PWM相比，三角波PWM表现出更好的谐波和更低的失真，因为谐波分布更窄。这使得三角PWM适合电机驱动中的转矩控制和可再生能源集成中的逆变器等应用，在这些应用中，更平滑的输出和平衡的开关模式至关重要。

　　在生成PWM信号时，将高频三角载波波形与正弦波形进行比较，其中两个信号的交点用于确定开关时刻。直接影响最终PWM输出的一个主要方面是三角载波的开关频率。较高的载波频率会增加开关损耗，从积极的方面来看，会提高PWM信号的分辨率。PWM信号占空比的正弦变化与参考信号紧密匹配，产生平滑的波形，需要较少的滤波来产生正弦输出。与其他基于载波的PWM技术相比，正弦PWM具有最低的总谐波失真(THD ),这是因为它能够精确地跟踪参考信号。