基于周期频率调制的四电平ANPC逆变器扩频方法

《Chinese Journal of Electrical Engineering》：A Spread Spectrum Method for Four-level ANPC Inverters Based on Periodic Frequency Modulation

　　

四电平逆变器能够输出多个电压电平，从而减轻dv/dt的负面影响。然而，功率器件的高频开关是dv/dt的主要原因。周期开关频率脉宽调制（PSF-PWM）广泛应用于功率变换器以减少电磁干扰。在本研究中，研究人员为四电平逆变器引入了一种PSF-PWM方法。三角载波基于三种周期函数生成开关频率序列，而中心开关频率与传统脉宽调制（PWM）方法保持一致。通过推导功率谱密度（PSD）的表达式，分析了PSF-PWM方法谐波扩散效应的基本原理。以四电平有源中点箝位（4L-ANPC）逆变器为例，通过仿真和实际测量对所提方法进行了实验评估。结果表明，开关频率及其整数倍附近的PWM谐波被扩散到相邻频带。因此，与传统PWM技术相比，在四电平ANPC逆变器中，该装置表现出更低的电磁干扰。

**论文解读：基于周期频率调制的四电平ANPC逆变器扩频方法**

**研究背景与问题**
多电平逆变器在轨道交通、风力发电等工业领域广泛使用，其脉宽调制（PWM）技术是标准调制手段。然而，随着电压等级提升和PWM高频开关，输出谐波能量集中在开关频率及其整数倍附近，形成强电磁干扰（EMI），恶化电磁兼容环境，尤其危害高电压功率变换器稳定运行。现有扩频技术如混沌PWM、随机PWM（RPWM）及可变开关频率PWM（VSFPWM）虽能分散谐波，但存在初始条件敏感性、计算负担大或随机性依赖等问题。针对四电平逆变器的扩频研究极为有限，且缺乏与其他扩频技术的系统比较。为此，研究人员提出基于周期频率调制的周期开关频率PWM（PSF-PWM）方法，旨在有效抑制四电平有源中点箝位（4L-ANPC）逆变器的PWM谐波，降低电磁发射。论文发表在《Chinese Journal of Electrical Engineering》。

**关键技术与方法**（不超过250字）
研究人员采用三种周期函数（正弦波、三角波、锯齿波）生成三角载波的开关频率序列，中心开关频率与传统PWM一致。通过推导各周期函数对应的功率谱密度（PSD）表达式，从理论上分析谐波扩散效应。搭建基于TMS320F28379D控制器的三相4L-ANPC逆变器实验平台，结合仿真与实测，比较PSF-sin、PSF-tri、PSF-saw三种方法及RPWM方法的性能。

**研究结果**
**仿真分析**
- 传统PWM：谐波能量集中于10 kHz开关频率及其整数倍，峰值达50.76 dBm。
- PSF-sin：随着频带宽度（Δf_s）从200 Hz增至2000 Hz，谐波峰值逐步降低，在Δf_s=2000 Hz时，20 kHz附近峰值降至42.80 dBm。
- PSF-tri：相同频带下谐波扩散优于PSF-sin，Δf_s=2000 Hz时20 kHz峰值降至39.20 dBm。
- PSF-saw：Δf_s=2000 Hz时峰值较传统PWM降低10.36 dBm，但提升频带后效果不再显著。

**实验验证**
- 传统PWM：最高谐波峰值为27.30 dBm。
- PSF-sin：Δf_s=400 Hz和800 Hz时峰值分别降低6.45 dBm和8.52 dBm，高带宽（1600~2000 Hz）下谐波均匀分布。
- PSF-tri：Δf_s=200 Hz时峰值较PSF-sin降低12.6%，Δf_s=2000 Hz时峰值降至15.4 dBm，扩散连续均匀。
- PSF-saw：在低带宽时与PSF-tri效果相近，但Δf_s≥1600 Hz后峰值不再进一步降低（16.60~16.80 dBm）。
- RPWM：在低带宽时与PSF-saw相当，但开关频率处仍存在集中谐波峰；高带宽下优势更明显。
- 总谐波失真（THD）测量表明，四种方法均未恶化线电压THD，但线电流THD随频带增加而上升，PSF-sin影响最显著。

**总结与讨论**
研究人员通过推导功率谱密度表达式明确谐波扩散机制，仿真与实验一致验证了PSF-PWM的有效性。三种周期函数中，锯齿波方法整体抑制效果最优，但需谨慎选择频带宽度以避免谐波峰值饱和。结论部分翻译如下：为应对4L-ANPC逆变器调制导致的PWM谐波高度集中问题，本研究提出PSF-PWM方法。该方法引入三种不同周期函数优化开关频率序列，并推导了各函数的功率谱密度表达式。基于四电平ANPC逆变器平台进行的仿真和实验表明，周期化开关频率能有效将开关频率及其整数倍附近的PWM谐波扩散至相邻频带；比较三种周期函数，锯齿波法抑制能力最强；随着频带宽度增大，谐波分布更均匀，但当Δf_s达到1600 Hz以上时，进一步增加频带无显著效果。