逆变器输出滤波电感设计 周洁敏

兼有共模电压抑制作用的逆变器输出无源滤波器The Inverter Output Passive Filter with the Suppressing of C ommon mode Voltage陈希有 徐殿国 马洪飞 颜 斌(哈尔滨工业大学 150001)Chen Xiyou Xu Dianguo Ma Hongfei Yan Bin(H arbin Institute of Technology 150001 China)摘要 提出了一种以差模电压滤波为主,兼有抑制共模电压作用的逆变器输出无源滤波器。

该滤波器是在基本RLC 滤波器基础上通过在滤波电感上增加附加绕组来实现的。

其特点是将两种滤波作用有机结合。

仿真及试验表明,在满足差模滤波要求的同时,可减小共模电压有效值约60%。

文中示出了该滤波器的基本结构及其差模和共模等效电路,分析了差模和共模电压转移函数,给出了滤波器参数的工程计算方法,列举了部分试验结果。

关键词:逆变器 无源滤波器 差模电压 共模电压中图分类号:TM 48Abstract A novel inverter output filter w hich can not only filter the differential mode voltage but also suppress the common mode voltage is proposed in this paper It takes out the differential mode voltage as main purpose Through adding additive coil on the inductor of the differential mode RLC passive filter,the common mode voltage can also be suppressed T he m ain advantag es are the combination of two kinds of filter and simplicity in structure The design process of the filter contains tw o steps:First step is to calculate the parameters of the differential mode filter w ithout considering the common mode voltage Second step is to determine the parameters of the common mode filter based on the parameter calculation results of the differential mode filter The results of experiment indicate that about 60%RMS of the com mon mode voltage are suppressed under meeting the demands to differential mode voltage filtering The basic structure and the differential mode equivalent circuit and the common mode equivalent circuit of the filter are illustrated in the paper The voltage transfer functions of the differential mode circuit and the common mode equivalent circuit are analyzed An eng ineering disign method of the filter parameters is also presented Some ex periment results are given to show the performances of the filterKeywords:Inverter,passive filter,differential mode voltage,common mode voltage哈尔滨工业大学校基金资助项目(H IT 2000、57)。

单相并网逆变器母线电容纹波分析与抑制研究戴志威;舒杰;周龙华【摘要】由Boost电路和DC/AC电路组成的两级并网逆变器会在直流母线电容上产生高低频纹波,过大的纹波电压会导致输出电压畸变,而过大的纹波电流会导致电容发热,缩短使用寿命.文章针对某3 kW单相光伏并网逆变器,提出了一种纹波电压和纹波电流综合分析整治方法,依此来指导母线电容参数的选取和抑制纹波幅值.样机试验结果说明了分析方法的正确性.【期刊名称】《可再生能源》【年(卷),期】2014(032)010【总页数】5页(P1448-1452)【关键词】并网逆变器;母线电容;纹波电压;纹波电流【作者】戴志威;舒杰;周龙华【作者单位】中国科学院广州能源研究所,广东广州 510650;中国科学院可再生能源重点实验室,广东广州510650;中国科学院大学,北京 100049;中国科学院广州能源研究所,广东广州 510650;中国科学院可再生能源重点实验室,广东广州510650;中国科学院广州能源研究所,广东广州 510650;中国科学院可再生能源重点实验室,广东广州510650【正文语种】中文【中图分类】TM6150 引言随着电力电子技术和数字信号处理技术的发展，基于PWM的光伏并网逆变器理论与应用研究更加深入，其应用产品也日益广泛。

以DC/DCDC/AC为拓扑结构的两级光伏并网逆变器依然是小功率产品的主流。

Boost电路和DC/AC电路组成的两级并网逆变器在直流母线电容上产生高低频纹波，过大的纹波电压会导致输出电压畸变，并网电流波形质量差，严重时会给电网的安全运行带来威胁；而过大的纹波电流会使电容发热，寿命缩短，使逆变器损耗加大，转换效率降低[1]～[3]。

传统的分析方法只单独分析Boost电路或逆变电路桥在母线电容上的纹波表达，且多为离网的应用案例，还没有针对并网逆变器全面分析母线电容上的纹波特性。

文献[1]分析了全桥不可调度式单相光伏并网装置的主功率器件在单极性切换模式中的电流及能量流向规律，并据此提出了太阳电池两端平波电容的容量选取原则。

逆变器滤波电感磁设计概述逆变器是将直流电转换为交流电的装置，在逆变器输出的交流电中，存在一定的谐波成分。

为了减少这些谐波对电网的影响，需要设计逆变器滤波电感磁。

滤波电感磁能够有效地滤除谐波成分，保证逆变器输出电流的纯度和质量。

滤波电感磁的作用滤波电感磁主要有以下几个作用：1.滤除谐波：逆变器输出的交流电中存在谐波成分，这些谐波对电网造成干扰，甚至可能损坏其他设备。

滤波电感磁可以通过改变电路的电感值来过滤掉谐波，使输出电流更加纯净。

2.平滑输出电流：逆变器输出的电流在短时间内可能会发生较大波动，滤波电感磁可以通过储存磁能的方式，使输出电流变得更加平滑，减少电流的尖峰和波动。

3.阻抗匹配：逆变器的输出电阻与电网的负载电阻之间存在一定的不匹配，滤波电感磁可以通过改变阻抗值来实现逆变器与电网的匹配，提高电能传输效率。

滤波电感磁的设计要点1.电感值选择：滤波电感磁的电感值应根据逆变器输出电流和电网负载电流的频率特性来确定。

一般情况下，电感值的选择应满足阻抗匹配的要求，同时能够滤除主要的谐波成分。

2.材料选择：滤波电感磁的磁芯材料应具有较高的饱和磁感应强度和低的铁损耗，以保证高效的能量传输。

3.绕组设计：滤波电感磁的绕组应根据电感值和额定电流来确定匝数和截面积。

为了减小温升和能量损耗，绕组应采用合适的线径和绝缘材料。

4.绝缘设计：滤波电感磁的绕组与磁芯之间应有足够的绝缘层来防止短路和放电。

绝缘层的材料选择应具有良好的耐热性和绝缘性能。

滤波电感磁的设计流程滤波电感磁的设计可按以下步骤进行：1.确定需求：根据逆变器输出电流和电网负载电流的频率特性，确定所需滤波电感磁的电感值。

2.材料选择：根据设计需求和预算限制，选择适当的磁芯材料。

3.绕组设计：根据所选磁芯尺寸和电感值，计算绕组的匝数和截面积。

4.绝缘设计：根据设计需求和安全性要求，选择适当的绝缘材料和厚度。

5.性能评估：通过模拟或实验，评估设计的滤波电感磁的性能，包括阻抗匹配、谐波滤波效果和温升等。

周洁敏调制方式有2种：单极性调制和双极性调制单极性调制（桥）双极性调制（推挽）正弦脉宽调制技术SPWMU 某点正弦波幅值N I f U U D I f U U D I f u U L k L πsin π22o 1o dc max o o d k ,ko,dc βαα⋅⋅⋅⋅-=⋅⋅⋅-=⋅∆⋅-=+最大电感量而且随着正弦波的调制，磁芯的直流工作点按正弦规律（50Hz ）在磁滞回线的1和3象限移动。

可以获得比较稳定的电感材料是气隙磁芯δA cR c R δΦu (t)i （t ）Nl cμ20c A L N μδ=电感不同于变压器，需要储存能量，开气隙后可以储存磁场能量，并使电感量稳定。

即电感为逆变器交流滤波电感中的磁密波形双极性调制单极性调制B L 曲线是曲线Ⅰ减去曲线Ⅱ积分所得，但是很难用精确的数学表达式表示。

输出正弦波输入为AB 端电压波形()t t U u NA B d sin 21π20o AB e L ⎰-=∆ω交流滤波电感不但有基波分量，而且叠加较大的高频分量，磁芯选择不仅要考虑基波损耗，而且要考虑磁芯涡流损耗。

同时线圈中除了流过基波电流，还要流过高次谐波电流，线圈应当考虑高频电流损耗。

纵坐标放大的结果线圈窗口利用率自然冷却经验值K1线圈损耗等于磁芯损耗K2210.707K K各种系数与电感类型的关系决定热阻R T 和允许损耗磁芯损耗线圈损耗损耗热阻最大允许温升决定损耗极限lim /thP T R =∆允许温升由设计需求确定th 20/R K W=。

高手教你如何计算逆变器输出滤波电感
在全桥的逆变器当中，滤波电感是非常重要的一种元件，电感值的确定将直接影响到电路的工作性能。

本篇文章将为大家介绍一种逆变器当中滤波电感的计算方法以及所用材料。

想要确定逆变器当中的滤波电感值，我们首先需要确定电感的LC 值，而后在此基础上来进行设计。

一般来说，逆变滤波电感使用Iron Powder材料，或High Flux、Dura Flux材料，Ferrite也可以。

一般应保证其铁损与铜损有一个比例，如
0.2~0.4，之所以不用0.5（此时效率最高），是因为散热的问题。

对于上图所示的半桥逆变电路，由于其输出为正弦波，按照电路原理，其在输出过零点时，SPWM波的占空比最高（0.5，不计死区时间），此时电感上的dB最高，ripple电流也最大，为：
Ippmax=Vi/（4fL）（1）。

第19卷第3期电源学报Vol. 19 No. 3 2021 年5 月Journal of Power Supply May 2021D O I：10.13234/j.issn.2095-2805.2021.3.33 中图分类号：TM464 文献标志码：ACLC型PWM逆变器端无源滤波器的设计杨玉岗，孙鹤鸣(辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，葫芦岛125105)摘要：由于PWM逆变器输出电压中含有较多的高频分量，所以逆变器输出端必须加入低通滤波器来减小谐波含量。

借鉴在PWM逆变器与电机之间插入共模变压器来消除逆变器输出端共模电压的方法，通过分析共模变 压器带有漏感时的等效电路，提出了一种新型的CLC型逆变器端无源滤波器。

利用共模变压器产生的漏感代替差 模电感来抑制差模电压dv/dt，同时该滤波器对共模电压也有着很好的抑制作用。

与传统滤波器相比，该滤波器可 通过1个共模变压器同时对共模及差模电压dv/dt起到抑制作用，减少了滤波器的体积规模。

最后，仿真和实验结 果验证了该滤波器的有效性。

关键词：共模电压；差模电压；PWM逆变器；共模变压器Design of CLC-type PWM Inverter Passive FilterYANG Yugang，SUN Heming(Faculty of Electrical and Control Engineering, Liaoning Technical University，Huludao 125105，China)Abstract ：Since the output voltage of a PWM inverter contains more high-frequency components，a low-pass filter must be added to its output terminal to reduce the harmonic content. By referring to the method in which a common-mode (CM) transformer is inserted between the PWM inverter and a motor to eliminate the CM voltage output from the inverter，the equivalent circuit of the CM transformer with leakage inductance is analyzed, and a novel CLC-type inverter passive fil­ter is put forward. The differential-mode voltage (dv/dt) is suppressed by the leakage inductance generated by the CM trans­former instead of the differential-mode inductor. Meanwhile, this filter also has a satisfying inhibitory effect on the CM volt­age. Compared with the traditional filter, it can suppress both the CM and differential-mode voltage (dv/dt) through one CM transformer, thereby reducing its size. Simulation and experimental results verified the effectiveness of the proposed filter.Keywords： common-mode (CM) voltage; differential-mode voltage; PWM inverter, common-mode (CM) transformer现代工业中，PWM功率变换器已经成为必不 可少的器件，但随着电力电子器件开关频率和输出 功率的不断提高，逆变器输出电压中含有的大量高 频谐波成分所带来的电磁干扰等负面效应也曰趋 严重，这不但缩短了仪器的使用寿命，而且严重威 胁了周边其他电气设备的安全稳定运行。

宽电压输出的高频逆变器设计周凝沙;余厉阳【摘要】针对医疗手术消融中高频率可控功率设备的需求,提出了一种基于Buck 和后级推挽逆变级联的设计方案.输入电压经过Buck电路将电压降低至设定值,然后经过推挽逆变电路得到所需高频交流电.并针对该方案对补偿控制环节及高频变压器进行了设计,最后研制了样机.测试结果表明,电路反应快速,输出电压纹波小于100 mV,电压可调范围为0～160 V,最大输出功率为150 W,验证了方案的可行性.【期刊名称】《杭州电子科技大学学报》【年(卷),期】2017(037)002【总页数】5页(P10-14)【关键词】Buck降压;推挽逆变;补偿;高频变压器【作者】周凝沙;余厉阳【作者单位】杭州电子科技大学微电子CAD研究所,浙江杭州310018;杭州电子科技大学微电子CAD研究所,浙江杭州310018【正文语种】中文【中图分类】TM464消融手术作为一种微创治疗技术正在代替传统的治疗方法，此项技术在1926年正式应用于临床医疗.目前手术消融设备正朝着用途多样化、设备小型化及控制精准化的方向发展.新型高频氩气刀、高频超声手术系统在临床中取得了显著的效果，这类新型设备普遍采用了响应速度快、稳压效果好的大功率MOS管及高性能处理器，实现了监护控制、时间控制、自动凝血控制、功率控制等精准控制功能[1].相比国外，国内虽然也在快速发展但关键技术相对落后，研制的设备在操作性、控制精度等方面与国外有一定的差距[2-3].本文针对这方面问题，优化了设计方案，直接对220 V市电整流降压处理，获得了宽范围电压输出，通过反馈补偿环节优化参数设计，提升了电路控制精度及稳定性.本方案适用于临床手术消融领域，具有良好的应用前景.系统总体结构框图如图1所示.系统主要包括EMC滤波电路、整流电路、Buck稳压电路、SG3526控制电路、推挽逆变电路及单片机控制电路；输入经过EMC滤波得到可靠的低干扰60 V交流电.Buck电路由SG3526芯片控制，控制器将采样电压值与设定值比较，输出可变占空比PWM波，从而实现电压闭环调节并稳定电压输出[4-5]；逆变电路采用推挽结构；通过合理设置死区时间，FPGA芯片产生2路100 kHz且占空比稳定的PWM驱动信号，信号经过光耦隔离驱动，输出高频交变电流.本电路指标为输入60 V交流电，输出电压峰峰值范围80～160 V，最大输出功率150 W、输出信号频率100 kHz；电压纹波小于100 mV，整机平均效率不低于85%.Buck降压电路如图2所示，本文主要介绍Buck电路参数设计、控制补偿电路设计、推挽高频变压器设计.2.1 电感电容设计电感在电路中以充放电的形式工作，系统电感设计要求是输入直流电压Vin为85 V、输出最大直流电压Vout为75 V、输出最大电流I为2 A、PWM最大占空比D为0.85、Buck电路中开关频率为22 kHz、周期T为45 μs；本文选择最大电流以及最大输出电压是为了给系统保留一定的余量.在电流连续CCM模式下，开关导通时刻电感计算公式为：开关关断时刻为：其中，I=0.4I0，计算可得L=0.7 mH，为保留一定余量，取1.2 mH.考虑到输出电压纹波小于100 mV，输出额定电流1.5 A，根据Resr计算公式：其中，Vr r为纹波电压，计算得Resr=33 mΩ.根据电容时间常数C×Resr取值75 μs，可得C=2 272 μF.2.2 控制电路设计开关变换器是一个带有闭环控制的离散、非线性系统，通过建模可以更好地分析开关电路；闭环控制环路如图3所示.Gc(s)为补偿网络传递函数，H(s)为反馈分压网络传递函数，脉宽调制器传递函数值为1/VM，VM为锯齿波幅值，Gvd(s)为控制-输出传递函数，Gvg(s)为输入-输出传递函数，Zout(s)为开环输出阻抗[6-7].经过Buck电路模型分析得到部分传递函数表达式为：根据图3可得系统开环传递函数为：图4为系统伯德图，可以看出系统穿越频率为584 Hz，相位裕量为16.5°；系统具有一定的稳态性能，但动态性能较差；同时，高频段斜率较低，系统抑制噪声能力不强[8].为提高电路相位裕度和穿越频率，采用SG3526控制芯片构成图5所示的PID补偿电路，其中传递函数为：校正后系统开环伯德图如图6所示，可以看出，低频段增益明显提高，稳态性能增强，相位裕量为43.6°，满足动态性能要求；同时，高频段增益下降也有所加快，一定程度上提高了电路抗噪声干扰性能[9].2.3 推挽高频变压器设计设计参数为最大输出功率150 W，开关频率100 kHz，最大输出电流2 A.使用AP法选择磁芯：将以上数值代入式(8)和式(9)，计算得Ap=4 300 mm4，再考虑到20%的裕度，Ap取值为5 160 mm4，根据磁芯数据表选择PQ26磁芯结构，该结构Ae=118mm2.变压器原边匝数：其中，Uin为变压器输入最小电压值，值为30 V；D为开关管的占空比，取值0.4；T为方波周期；ΔB为磁通密度变化量，取值0.32 T.计算得N11=N12=3.174≈4，原边绕组匝数为4匝.考虑到变压器起到隔离逆变的作用，同时需要提高耦合度，副边取与原边相同匝数4匝.经过理论分析与实验仿真，搭建实验电路，设计实物图如图7所示.图8为系统加入补偿前的阶跃响应图，图9为系统加入补偿后的阶跃响应图.对比图8、图9可以看出，系统超调量降至37%，经过控制电路补偿后，电路响应更加快速，稳定性更好.电路在常温25 ℃，湿度48%(常湿)且无震动和电磁干扰的环境下对离体新鲜猪肉组织进行多次测试.在每个特定档位下，轻微改变直流输入电压模拟电压扰动，并调节功率负载大小，记录输出电压及纹波电压数据，经过处理得到结果如表1和图10所示.可以看出，经过电压反馈调节，每个档位输出电压稳定，电压纹波小，输出平均效率较高，满载效率达到90%以上，相比效率在85%以下及输出功率较低的传统设备，本电路性能更优越.消融效果图如图11所示.功率在40～100 W条件下，手术电刀最慢在4 s内可以产生直径约1 cm的坏死组织，速度较快，具有较好的效果.本文针对国内现有消融设备存在的问题，设计了基于Buck和推挽逆变级联结构的电路.电路可实现稳定的宽范围电压输出，进一步提升了输出效率.为验证方案可行性，研制了样机，经过对样机各项进行了测试，达到了预期指标，对医学辅助治疗具有一定的帮助.【相关文献】[1]李鹏．脑肿瘤射频消融手术规划关键技术研究[D]．北京：北京工业大学，2013．[2]GROVER T P. Electrosurgical generator[J]. Gastrointestinal Endoscopy, 2015,78(2):197-208.[3]TSAI C H, TSAI Y S, LIU H C. A Stable Mode-Transition Technique for a Digitally Controlled Non-Inverting Buck-Boost DC-DC Converter[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2015,62(1):475-483.[4]叶淼胤，张文超．一种三臂式交流稳压器的测控系统设计[J]．杭州电子科技大学学报，2016，36(1)：16-20．[5]MAALI E, VAHIDI B. Double-Deck Buck-Boost Converter with Soft Switching Operation[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2016,31(6):4324-4330.[6]HAN J, ZHANG B, QIU D. Bi-Switching Status Modeling Method for DC-DC Converters in CCM and DCM Operations[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2016:1-1.[7]杨航，刘凌，阎治安，等．双闭环Buck变换器系统模糊PID控制[J]．西安交通大学学报，2016，50(4)：35-40．[8]余成波，张莲，胡晓倩．自动控制原理[M]．北京：清华大学出版社，2009:1-20．[9]吴宇，皇甫宜耿，张琳，等．大扰动Buck-Boost变换器的鲁棒高阶滑模控制[J]．中国电机工程学报，2015，35(7)：1740-1748．。