小逆變器有大需求

發(fā)電和用電方式的重大變化——例如對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)動器以及混動或電動汽車的采用——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)電機可以在網(wǎng)絡(luò)中的多個點向電網(wǎng)饋電。它們對于在消費或農(nóng)業(yè)和輕工商業(yè)/工業(yè)場所部署小型非并網(wǎng)發(fā)電機也很感興趣。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/電動車或電機驅(qū)動器中，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速度的關(guān)鍵，而小尺寸、輕重量和經(jīng)濟性是確保市場增長的關(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)兩個橋臂中的上下功率開關(guān)來使通過負載的電流方向發(fā)生改變。功率開關(guān)可以是絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）或超級結(jié)MOSFET，或者在高端應(yīng)用中（例如高檔電動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。每個柵極可以通過使用脈寬調(diào)制（PWM）信號相對于所有其他柵極而依次控制。

圖1.簡單的單相全橋逆變器。

如果電源開關(guān)是IGBT，則加到每個柵極的PWM信號的頻率通常約為20kHz。MOSFET可以在高達幾百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)電機所用基于IGBT的逆變器中，噪聲信號的頻率可以高達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)）會耦合到交流輸出電力線上，進而損害輸出電能質(zhì)量并引起干擾。這可能會對系統(tǒng)自身的控制信號（例如模擬反饋信號）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等標準（適用于風(fēng)力或太陽能發(fā)電機等分布式電力系統(tǒng)用逆變器）對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部分等標準的限制。

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、測量電路

圖3給出了有關(guān)濾波器構(gòu)成的更多細節(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。共模噪聲在兩個導(dǎo)體上以相同的方向出現(xiàn)，而差模噪聲在兩個導(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磁芯上。通常，這個磁芯是鐵氧體材料。由于磁通量會流入磁芯內(nèi)部，因此共模扼流圈會起到電感器的作用，而對共模（噪聲）電流表現(xiàn)出高阻抗特性，同時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產(chǎn)生相等的反向磁場，它們會相互抵消，而使扼流圈對流入和通過返回通路流出負載的電流表現(xiàn)出最小阻抗。差模噪聲是指會導(dǎo)致這兩個電流之間產(chǎn)生差異的失真。這些不同信號所產(chǎn)生的磁場不會相互抵消，而是會產(chǎn)生高阻抗，從而衰減失真。

用于輕型逆變器的高級濾波技術(shù)

隨著人們對可再生能源的依賴程度越來越高，電動汽車和各種電機驅(qū)動器對小尺寸、輕重量且價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準扼流圈的尺寸，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)計靈活性來優(yōu)化這些雙模扼流圈的形狀，從而實現(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，其對共模噪聲和差模噪聲均呈現(xiàn)出高阻抗。其標準類型（此圖中以SSHB10H-04320為代表）針對高溫性能進行了優(yōu)化。SSHB10H-R04760采用的磁芯材料具有更高的磁導(dǎo)率，這進一步增加了其對共模噪聲的阻抗，同時保持了相同的差模性能。兩種扼流圈的額定電流都高達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)和汽車市場上，可以預(yù)計人們對小尺寸輕重量逆變器的需求將增加。現(xiàn)在，先進的磁性技術(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)計人員實現(xiàn)這些目標起來更有回旋余地。