單相全橋逆變電路共模電流的抑制

李菁　王廣江

摘 要：共模電流干擾對于逆變系統(tǒng)存在著不利的影響，在進行系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)當盡量避免。文章首先采用數(shù)學分析方法對單相全橋逆變電路中共模電流的產(chǎn)生原理進行了定量分析，然后結(jié)合了兩種常見調(diào)制方法的優(yōu)點，提出了一種改進的新拓撲，通過在續(xù)流回路增加兩個開關(guān)管，構(gòu)成H6拓撲，不僅能夠最大限度地消除共模電流，而且保證了較高的變換效率。在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建了可以抑制單相全橋逆變電路共模電流的改進模型，仿真結(jié)果表明此改進模型的確能夠較好地抑制共模電流的產(chǎn)生。

關(guān)鍵詞：共模電流；H6拓撲；調(diào)制方法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.138

1 引言

逆變技術(shù)在新能源領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，而隨著近年來微網(wǎng)技術(shù)和分布式發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，在歐美、澳洲等地區(qū)，小功率的家用發(fā)電設(shè)備開始走進人們的家庭，這里單相逆變電路得到廣泛應(yīng)用[1-3]。

單相全橋電路是使用非常廣泛的一種拓撲，也在各種教材中被反復(fù)提及，但在工程應(yīng)用中，一些控制方法的應(yīng)用會使電路中產(chǎn)生共模電流，這種共模干擾無論是對人身安全還是EMC，都是極為不利的，應(yīng)當盡量避免。本文從單極性和雙極性這兩種調(diào)制方法出發(fā)，對單相全橋逆變電路中共模電流產(chǎn)生的原理做了分析和數(shù)學推導，提出了通過增加兩個開關(guān)管的方法來達到從硬件上抑制共模電流，并且保持較高的效率。

2 單相全橋電路共模電流產(chǎn)生的原理

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)由光伏陣列、逆變器、濾波器和電網(wǎng)組成。由于光伏陣列對地電容不可忽略，因此有寄生電容存在。該寄生電容會通過大地與光伏系統(tǒng)構(gòu)成回路，這樣寄生電容上面就會有電壓，這個電壓就是共模電壓，寄生電容兩端的共模電壓不斷變化就形成了共模電流。

下面將從數(shù)學推導的角度定量分析全橋電路中的共模電流。首先從分析共模電壓的表達式入手，結(jié)合圖1的單相全橋逆變電路來分析共模電壓。vg代表電網(wǎng)電壓，vao， vbo分別代表交流輸出點a、b對直流負母線o點的電壓， vcm和icm分別代表共模電壓和共模電流。

從表達式（5）可以看出，要抑制共模電流就是要盡量使vao+vbo的值與時間無關(guān)。

3 不同調(diào)制方法下的共模電流分析

公式（5）可以看出，要降低或者消除共模電流，就是要盡量降低vao+vbo的變化率，如果能使 vao+vbo為一個恒定的值或者隨時間變化緩慢，則能基本消除共模電流。接下來針對全橋電路的兩種調(diào)制方式來討論。

3.1 單極性調(diào)制時的共模電流

在雙極性調(diào)制方式下，共模電壓在每個開關(guān)周期均為，由于幾乎不變，所以共模電壓基本不隨時間變化，因此共模電流也基本消除。對該調(diào)制方式進行了仿真，得到了圖3所示仿真波形。

如圖3所示，通道1為共模電壓，通道2為共模電流。在雙極性調(diào)制下，共模電壓幾乎不變，始終維持在200V即左右，而共模電流雖然周期變化，但是其幅值很小，僅為0.018A，因此幾乎可以忽略不計。結(jié)果表明，雙極性調(diào)制方式對抑制單相全橋電路的共模電流有很好的效果，但是它的缺點是開關(guān)損耗也是單極性的兩倍，因此效率降低了，使其大規(guī)模推廣應(yīng)用受到了限制。

4 改進型六開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)共模電流分析

雙極性調(diào)制方法比單極性能夠更好地抑制共模電流，但是其效率卻受到限制，兩種方法各有優(yōu)劣，因此，有必要提出一種既能抑制共模電流又能保持較高變換效率的改進型電路拓撲。

本文設(shè)計了帶交流旁路環(huán)節(jié)的H6電路。這種拓撲在全橋電路基礎(chǔ)上，增加了2個輔助開關(guān)管，從而抑制共模電流，同時，由于增加的兩個開關(guān)管只作為續(xù)流管，不會導通，因此開關(guān)損耗不會增加，保證了系統(tǒng)效率不會降低。

在Simuink環(huán)境下，針對帶交流旁路環(huán)節(jié)的六開關(guān)（H6）拓撲電路進行了仿真。仿真得到的H6拓撲的共模電壓、電流波形如圖4所示。

如圖4所示，仿真結(jié)果可以看出，共模電壓（通道1）基本維持在200V即，而共模電流（通道2）的幅值僅0.02A，也遠小于單極性調(diào)制，幾乎可以忽略不計。

5 結(jié)論

通過對單相全橋的單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制以及H6拓撲的分析和仿真，總結(jié)出了單相全橋共模電流產(chǎn)生的原因及其數(shù)學表達式，從原理出發(fā)總結(jié)出了抑制共模電流的方法。本文在單相全橋逆變電路的基礎(chǔ)上提出了改進型帶交流旁路單元的H6拓撲，使共模電壓僅以工頻變化，大大降低了共模電流，而且橋臂輸出與單極性調(diào)制方法相同，因此不會增加開關(guān)損耗和降低效率，提高了可靠性和轉(zhuǎn)換效率。

為了驗證設(shè)計原理的正確性在Simulink環(huán)境下搭建了H6仿真模型，從仿真結(jié)果可以看出該拓撲的確有效地抑制了共模電流，并且取得了優(yōu)質(zhì)的輸出波形，保持了較高的變換效率。

參考文獻：

[1]張興，孫龍林，許頗，趙為，曹仁賢.單相非隔離型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中共模電流抑制的研究[J].太陽能學報，2009，30（09）：1202-1208.

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[3] 嵇保健，王建華，趙劍鋒.一種高效率H6 結(jié)構(gòu)不隔離單相光伏并網(wǎng)逆變器[J].中國電機工程學報，2012，32（18）：9-15.

作者簡介：李菁（1989-），女，湖北孝感人，碩士研究生，助理工程師，主要研究新能源技術(shù)方向。