单相并网逆变器PWM方式与共模干扰的研究

基金项目：国家自然科学基金（51067004）；江西省重点工业科技支撑项目（2010BGA02000）定稿日期：2011-06-01

作者简介：袁义生（1974-），男，江西上高人，博士，副教授，研究方向为电力电子系统及控制技术。

1引言

光伏单相并网逆变器近年来得到迅速发展。

由于光伏电池输出电压波动大，单相并网逆变器通常采用前级升压电路加后级全桥逆变电路的结构。光伏阵列对地的分布电容，以及逆变器电路对地的分布电容，产生了并网逆变器的对地共模电流。该共模电流占并网逆变器EMI 的主要成分，成为业界在进行电磁兼容测试时的一道难题。为了降低光伏并网逆变器的共模电流，采用了H5桥逆变器电路[1]。该电路实际上是通过在逆变电路电感续流阶段将光伏阵列输出与逆变电路断开，一方面降低光伏阵列对地的电位波动；另一方

面实现逆变电路动态节点电位平衡，这借鉴了文

献[2]中提出的共模干扰抵消的观点，从而从光伏阵列和逆变电路两方面同时降低了系统的EMI 。而后来提出的H6桥逆变电路[3]与其他漏电流抑制逆变电路[4-5]有同样的功能，

只是需要再增加一个功率管。

尽管H5和H6电路都可以降低共模电流，但额外增加的串联功率管也增加了电路损耗，这对日益苛刻的效率指标而言几乎是不可接受的。所以，目前工业界在单相并网逆变器中大多还是采

用传统全桥逆变电路。

为此，讨论了两种传统全桥逆变电路PWM 方式下的共模电流问题。分析了

共模电流产生机理，固定高低频桥臂和轮换高低频桥臂两种PWM 方式对光伏阵列电压和共模电流的影响，得出了固定高低频桥臂具有更小的共模电流的结论。在一台实际的并网逆变器中应用两种调制方法，传导EMI 测试结果证明了固定高低频桥臂PWM 方式大大改善了EMI 。

单相并网逆变器PWM 方式与共模干扰的研究

袁义生

（华东交通大学，江西南昌

330013）

摘要：研究了单相并网逆变器中两种脉宽调制（PWM ）方式与共模干扰的关系。首先分析了并网逆变器中共模

电流的产生机理，指出节点电位对地电位波动。通过其对地分布电容产生的位移电流是共模电流的源头。分析了轮换和固定高低频桥臂两种PWM 方式下的节点电位波动现象，

详细推导了相关公式。在此基础上根据实际工况比较了两种方式的共模电流差异，指出固定高低频桥臂PWM 方式有更小的共模干扰。最后通过实验证明了固定高低频桥臂PWM 方式可以降低电路的传导电磁干扰（EMI ）。

关键词：并网逆变器；脉宽调制；共模干扰中图分类号：TM464

文献标识码：A

文章编号：1000-100X （2011）12-0095-03

Research on PWM Methods and Common -mode Disturbance of Single -phase Grid -tied Inverters

YUAN Yi -sheng

（East China Jiaotong University ，Nanchang 330013，China ）

Abstract ：The relationship between two pulse width modulation （PWM ）methods and common -mode disturbance in sin -gle phase grid -connected inverter is developed.Firstly the mechanism of common -mode current in grid -tied inverter is ex -plained ，and it is indicated that displacement current flow into parasitic capacitors by electric nodes with potential fluctuation is source of common mode current.Then junction voltage fluctuation phenomena in two PWM methods with alternated or fixed high -low -frequency -bridges are analysis ，the formulas are derived.Finally the experimental results verify that the PWM method with fixed high -low -frequency -bridge can reduce conducted EMI of the inverter.Keywords ：grid -connected inverter ；pulse width modulation ；common -mode disturbance

Foundation Project ：Supported by National Natural Science Foundation of China （No.51067004）；Key Science and Technology Project of Jiangxi Province （

No.2010BGA02000）95

2并网逆变器共模电流机理

图1为光伏单相并网逆变器主电路。由前级升压电路和后级逆变电路构成，其中LISN 为EMI 测试用阻抗匹配网络，C s1~C s7为系统中各电节点A~F 对地间的分布电容。C s1，C s5尽管都是B 点对地分布电容，但分别代表外部光伏阵列和内部逆

变器的负极对地分布电容。

相对于辐射带来的共模干扰，

在电力电子电路

中因为电位波动在分布电容上产生的位移电流占电路共模电流的主要成分。逆变器工作时，电节点A ～F 对地电位波动，从而在各分布电容上产生位移电流i 1~i 7。当i 1~i 7之和不等于零时，就有共模电流i c 流入EMI 测试阻抗网络LISN 而被检测到。因为逆变器的开关动作使得各电节点对地电位波动是不可避免的，所以降低i c 的方法主要还是要让i 1~i 7在内部能够互相抵消或平衡，而不是流出来。这也是H5桥和H6桥逆变器的主要目的。

根据上述分析，要降低位移电流，一种是降低各电节点对地的d u /d t 值，另一种是降低各电节点对地分布电容C s 。C s 取决于电路的布线和器件的安装工艺。而各电节点对地d u /d t 值则与器件开关速度和PWM 方式有关，其中降低器件的开关速度

会降低效率，通常不可取。所以，选择合适的PWM 方式对共模干扰的影响变得很重要。

3PWM 方式与共模电流关系

为降低功率管的开关损耗，逆变电路通常采

用单极性PWM 方式。但在具体的功率管驱动脉冲分配上，有两种方法。3.1

轮换高低频桥臂PWM 方式

此种PWM 脉冲产生方式如图2所示，u gs2~u gs5

分别为VQ 2~VQ 5的驱动信号。在市电正半周时，VQ 2，VQ 4高频工作，VQ 5常通，VQ 3常断；在市电负半周时，VQ 3，VQ 5高频工作，VQ 4常通，VQ 2常断。该模式在一个市电周期内，每个功率管轮流工作在高频和低频模式下，各功率管的损耗相当，有利于散热，所以应用较多。

下面以市电正半周为例，分析该模式一个开关周期内各电节点对N 线的电位波动。

VQ 2和VQ 5导通期间，有：

u DN =u EN =u bus +u g ，u BN =u FN =u g -u bus

（1）

VD 4和VQ 5续流期间，有：

u DN =u bus +u g 2，u BN =u EN =u FN =u g

2

（2）由式（1），（2）可见，u DN 和u BN 在换流时同时增

加u bus /2；u EN 在换流时下降u bus /2幅值；u FN 则上升u bus /2。如果电路工艺使得C s6和C s7接近（因为电路的对称性，这容易做到），则i 6和i 7之和接近为零，互相抵消。但由D ，B 点的波动带来的i 4和i 5则极性相同，从而共同产生i c 流入LISN 。逆变器B 点电位的波动也同步带动了光伏阵列侧A ，B 点的波动，一起产生了同方向的i 1，i 2。而如果因为光伏

阵列输出电压高，

Boost 电路不用工作，则C 点也与D 点同步变化产生同方向的i 3，最终产生一个

较大的i c 。

图3为市电220V ，直流母线电压360V 下逆变器的D ，B 两点对N 线的波动图。由图可见，u DN 和u BN 是一个在工频电压基础上以开关频率作180V （u bus /2）大幅波动的信号，这必然会带来较大的共模干扰。

3．2

固定高低频桥臂PWM 方式

当采用固定高低频桥臂PWM 方式时，将逆

变滤波电感L f3移至L 线上与L f2串联。此调制方式中VQ 2和VQ 4采用高频PWM 脉冲，VQ 3和VQ 5采用工频脉冲。在市电正半周时，VQ 5固定导通，VQ 3固定关断；在市电负半周时，VQ 3固定导通，

图3D ，B 两点对N 线的波动图

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