单相全桥逆变电路共模电流的抑制

李菁　王广江

摘 要：共模电流干扰对于逆变系统存在着不利的影响，在进行系统设计时应当尽量避免。文章首先采用数学分析方法对单相全桥逆变电路中共模电流的产生原理进行了定量分析，然后结合了两种常见调制方法的优点，提出了一种改进的新拓扑，通过在续流回路增加两个开关管，构成H6拓扑，不仅能够最大限度地消除共模电流，而且保证了较高的变换效率。在MATLAB/Simulink环境下搭建了可以抑制单相全桥逆变电路共模电流的改进模型，仿真结果表明此改进模型的确能够较好地抑制共模电流的产生。

关键词：共模电流；H6拓扑；调制方法

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

1 引言

逆变技术在新能源领域应用广泛，而随着近年来微网技术和分布式发电技术的发展，在欧美、澳洲等地区，小功率的家用发电设备开始走进人们的家庭，这里单相逆变电路得到广泛应用[1-3]。

单相全桥电路是使用非常广泛的一种拓扑，也在各种教材中被反复提及，但在工程应用中，一些控制方法的应用会使电路中产生共模电流，这种共模干扰无论是对人身安全还是EMC，都是极为不利的，应当尽量避免。本文从单极性和双极性这两种调制方法出发，对单相全桥逆变电路中共模电流产生的原理做了分析和数学推导，提出了通过增加两个开关管的方法来达到从硬件上抑制共模电流，并且保持较高的效率。

2 单相全桥电路共模电流产生的原理

光伏并网系统由光伏阵列、逆变器、滤波器和电网组成。由于光伏阵列对地电容不可忽略，因此有寄生电容存在。该寄生电容会通过大地与光伏系统构成回路，这样寄生电容上面就会有电压，这个电压就是共模电压，寄生电容两端的共模电压不断变化就形成了共模电流。

下面将从数学推导的角度定量分析全桥电路中的共模电流。首先从分析共模电压的表达式入手，结合图1的单相全桥逆变电路来分析共模电压。vg代表电网电压，vao， vbo分别代表交流输出点a、b对直流负母线o点的电压， vcm和icm分别代表共模电压和共模电流。

从表达式（5）可以看出，要抑制共模电流就是要尽量使vao+vbo的值与时间无关。

3 不同调制方法下的共模电流分析

公式（5）可以看出，要降低或者消除共模电流，就是要尽量降低vao+vbo的变化率，如果能使 vao+vbo为一个恒定的值或者随时间变化缓慢，则能基本消除共模电流。接下来针对全桥电路的两种调制方式来讨论。

3.1 单极性调制时的共模电流

在双极性调制方式下，共模电压在每个开关周期均为，由于几乎不变，所以共模电压基本不随时间变化，因此共模电流也基本消除。对该调制方式进行了仿真，得到了图3所示仿真波形。

如图3所示，通道1为共模电压，通道2为共模电流。在双极性调制下，共模電压几乎不变，始终维持在200V即左右，而共模电流虽然周期变化，但是其幅值很小，仅为0.018A，因此几乎可以忽略不计。结果表明，双极性调制方式对抑制单相全桥电路的共模电流有很好的效果，但是它的缺点是开关损耗也是单极性的两倍，因此效率降低了，使其大规模推广应用受到了限制。

4 改进型六开关拓扑结构共模电流分析

双极性调制方法比单极性能够更好地抑制共模电流，但是其效率却受到限制，两种方法各有优劣，因此，有必要提出一种既能抑制共模电流又能保持较高变换效率的改进型电路拓扑。

本文设计了带交流旁路环节的H6电路。这种拓扑在全桥电路基础上，增加了2个辅助开关管，从而抑制共模电流，同时，由于增加的两个开关管只作为续流管，不会导通，因此开关损耗不会增加，保证了系统效率不会降低。

在Simuink环境下，针对带交流旁路环节的六开关（H6）拓扑电路进行了仿真。仿真得到的H6拓扑的共模电压、电流波形如图4所示。

如图4所示，仿真结果可以看出，共模电压（通道1）基本维持在200V即，而共模电流（通道2）的幅值仅0.02A，也远小于单极性调制，几乎可以忽略不计。

5 结论

通过对单相全桥的单极性调制和双极性调制以及H6拓扑的分析和仿真，总结出了单相全桥共模电流产生的原因及其数学表达式，从原理出发总结出了抑制共模电流的方法。本文在单相全桥逆变电路的基础上提出了改进型带交流旁路单元的H6拓扑，使共模电压仅以工频变化，大大降低了共模电流，而且桥臂输出与单极性调制方法相同，因此不会增加开关损耗和降低效率，提高了可靠性和转换效率。

为了验证设计原理的正确性在Simulink环境下搭建了H6仿真模型，从仿真结果可以看出该拓扑的确有效地抑制了共模电流，并且取得了优质的输出波形，保持了较高的变换效率。

参考文献：

[1]张兴，孙龙林，许颇，赵为，曹仁贤.单相非隔离型光伏并网系统中共模电流抑制的研究[J].太阳能学报，2009，30（09）：1202-1208.

[2]陈良亮，丁志刚，曾忠，严仰光.闭环SPWM逆变器死区时间对输出基波电压的影响[J].电机与控制学报，2006，10（05）：487-491.

[3] 嵇保健，王建华，赵剑锋.一种高效率H6 结构不隔离单相光伏并网逆变器[J].中国电机工程学报，2012，32（18）：9-15.

作者简介：李菁（1989-），女，湖北孝感人，硕士研究生，助理工程师，主要研究新能源技术方向。