逆变电源实时控制的消谐分析

逆变电源在电路中的作用异常重要，对于UPS、中篇电源等设备来说，逆变电源是其最为重要的核心部件之一。因此逆变电源的输出电压与频率问题成为了人们所关注的焦点。如何降低谐波含量与改善输出波形一直是众多研究者们一直在不断探索的课题。

本篇文章当中，小编将对逆变电源的消谐技术进行介绍，目前领域当中较为常见的减低谐波含量的调节方式有两种，第一种，对逆变电源的开关管进行高频PWM调制，使逆变器输出为高频等幅的PWM波;第二种，通过改变逆变电源主电路拓扑结构，在主电路上进行波形重构以实现阶梯波形输出，减小低阶高次谐波含量。

谐波频率与开关频率脱不开关系，当谐波越小，就意味着开关频率越高，这一特点对于高频PWM调制尤其明显。而波形重构方式往往需要多个逆变器来实现电压的叠加。波形重构的级数越多，出现的最低谐波次数越高，但主电路和控制电路也越复杂，相应地控制难度也越大，输出电压的调节也不甚方便，因此这种方式通常只在大功率逆变电源中采用。

理论分析表明，早在1973年提出的消谐控制策略能有效地克服上述问题，它只需要较少的开关脉冲数即可完全消除容量较大的低阶高次谐波，取得很好的滤波效果，具有开关频率低、开关损耗小、电压利用率高、滤波容量小等许多优点，是实现逆变电源PWM控制的理想方法。然而该方法经过近二十年的研究至今仍未实际应用，其主要原因是消谐模型的求解复杂，难以获得实时控制效果。随着科学技术的不断进步，这一问题终究会得到解决，从而使消谐方法走向实用。

消谐PWM模型的分析

利用PWM调制来调节输出电压和降低谐波含量是目前最为普及的技术，在中小功率逆变电源中应用非常广泛，PWM的生成方法也很多。消谐PWM控制就是一种经过计算的PWM控制策略，其基本方法是：通过PWM控制的傅里叶级数分析，得出傅里叶级数展开式，以脉冲相位角为未知数，令某些特定的谐波为零，便得到一个非线性方程组，该方程组即为消谐PWM模型，按模型求解的结果进行控制，则输出不含这些特定的低次谐波。消谐模型的建立是与PWM控制方式相关的，以电压型逆变器为例，根据不同的PWM特点，建立的模型可归纳为两种：即单极性脉冲控制模型和双极性脉冲控制模型。

图1单相电压型逆变器电路

如图1所示，若在正半周内使开关器件S1、S4处于通断变换状态时，而S2、S3一直关断，则输出为单极性正脉冲，而在负半周对开关器件S2、S3通断控制，而S1、S4一直关断，则输出为单极性负脉冲，因此脉冲波形可用图2(a)表示。在这种控制方式下，为了降低开关损耗，可使同一桥臂中的一个开关管(如S2或S4)在半个周期内一直处于导通状态。PWM波形的获得靠桥臂的另一个开关管的通断来实现。图2(a)波形的傅里叶级数表达式为：

若每个桥臂上的两个开关器件是互补通断的，则输出PWM波形为双极性的，此时的傅里叶级数展开式为：

在上述两个模型中，若在1/4周期内有N个脉冲，则可用来消除N-1个特定的谐波。