小逆變器有大需求

發(fā)電和用電方式的重大變化——例如對(duì)可再生能源的依賴增加、工業(yè)和家用電器轉(zhuǎn)用高效變速驅(qū)動(dòng)器以及混動(dòng)或電動(dòng)汽車的采用——促使電子逆變器的使用不斷增加——我們可以通過控制它來獲取所需電壓和頻率的交流電。

以可再生能源為例，電力公司的策略正在向分布式發(fā)電的方向發(fā)展，并且微型發(fā)電機(jī)可以在網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)點(diǎn)向電網(wǎng)饋電。它們對(duì)于在消費(fèi)或農(nóng)業(yè)和輕工商業(yè)/工業(yè)場(chǎng)所部署小型非并網(wǎng)發(fā)電機(jī)也很感興趣。這些應(yīng)用需要使用小尺寸、低成本的電子功率調(diào)節(jié)，從而將風(fēng)力渦輪機(jī)帶有豐富諧波且不穩(wěn)定的輸出或光伏板陣列不斷變化的直流輸出首先轉(zhuǎn)換成經(jīng)由電容器穩(wěn)定的高壓直流電，然后將其輸入到逆變器，以便產(chǎn)生適合饋入到電網(wǎng)的頻率一致的交流波形。

同樣，在混動(dòng)/電動(dòng)車或電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中，使用邏輯或軟件命令不斷調(diào)整變頻器的輸出頻率是控制電機(jī)速度的關(guān)鍵，而小尺寸、輕重量和經(jīng)濟(jì)性是確保市場(chǎng)增長(zhǎng)的關(guān)鍵。

工作原理和噪聲源

圖1所示的橋式逆變器等逆變器通過依次開關(guān)兩個(gè)橋臂中的上下功率開關(guān)來使通過負(fù)載的電流方向發(fā)生改變。功率開關(guān)可以是絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）或超級(jí)結(jié)MOSFET，或者在高端應(yīng)用中（例如高檔電動(dòng)汽車或需要極高能效的地方）也可以采用寬帶隙器件，例如碳化硅（SiC）MOSFET。每個(gè)柵極可以通過使用脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)相對(duì)于所有其他柵極而依次控制。

圖1.簡(jiǎn)單的單相全橋逆變器。

如果電源開關(guān)是IGBT，則加到每個(gè)柵極的PWM信號(hào)的頻率通常約為20kHz。MOSFET可以在高達(dá)幾百kHz的更高頻率下工作。在任何一種情況下，快速開關(guān)都會(huì)使晶體管兩端的電壓發(fā)生突變，從而產(chǎn)生含有頻率為開關(guān)頻率諧波的高頻噪聲的振蕩。在風(fēng)力或太陽能發(fā)電機(jī)所用基于IGBT的逆變器中，噪聲信號(hào)的頻率可以高達(dá)1MHz或者更高。這種噪聲源和其他噪聲源（例如系統(tǒng)中其他地方的DC/DC轉(zhuǎn)換器開關(guān)）會(huì)耦合到交流輸出電力線上，進(jìn)而損害輸出電能質(zhì)量并引起干擾。這可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)自身的控制信號(hào)（例如模擬反饋信號(hào)）以及附近的設(shè)備產(chǎn)生影響。

為了防止這種失真和干擾，IEEE 1547和UL 1741等標(biāo)準(zhǔn)（適用于風(fēng)力或太陽能發(fā)電機(jī)等分布式電力系統(tǒng)用逆變器）對(duì)逆變器輸出中允許的諧波含量施加了限制。輻射電磁干擾（EMI）也受FCC第15 B部分等標(biāo)準(zhǔn)的限制。

減輕開關(guān)噪聲

為了符合有關(guān)噪聲和電磁兼容性的適用規(guī)范，在整個(gè)系統(tǒng)中設(shè)置濾波器，可以消除電壓和電流波形所產(chǎn)生的諧波，通過確保電壓和電流波形相位相同來校正功率因數(shù)，并最大限度地減少失真。

圖2所示的某太陽能功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)中給出了衰減噪聲用濾波器的位置。逆變器輸出端的濾波器旨在消除開關(guān)頻率瞬變，并組合采用了X和Y電容、電感和扼流圈，以便消除開關(guān)頻率主諧波處的共模和差模噪聲。

圖2.太陽能功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主要功能塊及突顯的濾波要求。

圖字：太陽能電池；DC/DC轉(zhuǎn)換器；逆變器；系統(tǒng)；交流電抗器；控制電路、測(cè)量電路

圖3給出了有關(guān)濾波器構(gòu)成的更多細(xì)節(jié)。原則上，X電容和扼流圈用于消除差模噪聲，而Y電容和共模電感用于消除共模噪聲。共模噪聲在兩個(gè)導(dǎo)體上以相同的方向出現(xiàn)，而差模噪聲在兩個(gè)導(dǎo)體上則以相反的方向出現(xiàn)。

圖3.逆變器輸出端的扼流圈和電容器可衰減共模（藍(lán)色）和差模（紅色）噪聲。

圖字：共模電感；X電容；Y電容

圖3所示的共模扼流圈是四端子器件，它包含兩根導(dǎo)線并以相反方向纏繞在單個(gè)磁芯上。通常，這個(gè)磁芯是鐵氧體材料。由于磁通量會(huì)流入磁芯內(nèi)部，因此共模扼流圈會(huì)起到電感器的作用，而對(duì)共模（噪聲）電流表現(xiàn)出高阻抗特性，同時(shí)可使所需的差模電流通過。

就共模扼流圈而言，相同的電流以相反方向流過扼流圈會(huì)產(chǎn)生相等的反向磁場(chǎng)，它們會(huì)相互抵消，而使扼流圈對(duì)流入和通過返回通路流出負(fù)載的電流表現(xiàn)出最小阻抗。差模噪聲是指會(huì)導(dǎo)致這兩個(gè)電流之間產(chǎn)生差異的失真。這些不同信號(hào)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)不會(huì)相互抵消，而是會(huì)產(chǎn)生高阻抗，從而衰減失真。

用于輕型逆變器的高級(jí)濾波技術(shù)

隨著人們對(duì)可再生能源的依賴程度越來越高，電動(dòng)汽車和各種電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對(duì)小尺寸、輕重量且價(jià)格合理的逆變器的需求不斷增加，業(yè)界正在尋找新方法來減小濾波電容器和扼流圈等傳統(tǒng)笨重元器件的尺寸、重量和成本。

基美電子專有的鐵氧體磁芯材料不僅可以大大減小標(biāo)準(zhǔn)扼流圈的尺寸，而且現(xiàn)在可以在同一封裝中創(chuàng)建結(jié)合了共模和差模濾波的雙模扼流圈。其整體尺寸與傳統(tǒng)的同類共模扼流圈相類似。圖4說明了該原理。基美電子還利用了其專有材料所提供的額外的設(shè)計(jì)靈活性來優(yōu)化這些雙模扼流圈的形狀，從而實(shí)現(xiàn)了非常好的差模（正常模式）噪聲抑制。

圖4.雙模扼流圈集成了三個(gè)磁性元件，節(jié)省了解決方案的尺寸和零件數(shù)量。

圖字：共模扼流圈；差模扼流圈×2

圖5顯示了SSHB10雙模扼流圈的高性能，其對(duì)共模噪聲和差模噪聲均呈現(xiàn)出高阻抗。其標(biāo)準(zhǔn)類型（此圖中以SSHB10H-04320為代表）針對(duì)高溫性能進(jìn)行了優(yōu)化。SSHB10H-R04760采用的磁芯材料具有更高的磁導(dǎo)率，這進(jìn)一步增加了其對(duì)共模噪聲的阻抗，同時(shí)保持了相同的差模性能。兩種扼流圈的額定電流都高達(dá)3A。

圖5.新型雙模扼流圈與傳統(tǒng)共模扼流圈的比較。

圖字：阻抗（Ω）；頻率（MHz）；共模；差模；雙模扼流圈SSHB10H-04320和SSHB10H-R04760

總結(jié)

在綠色能源、工業(yè)和汽車市場(chǎng)上，可以預(yù)計(jì)人們對(duì)小尺寸輕重量逆變器的需求將增加。現(xiàn)在，先進(jìn)的磁性技術(shù)可顯著減小笨重的噪聲濾波器的重量并減少元件數(shù)量，從而使設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)起來更有回旋余地。