DC／AC逆變器技術(shù)及其應(yīng)用綜述

1、DC/AC逆變器技術(shù)及其應(yīng)用綜述Keywords：inverter；topology;lowfrequencylink；highfrequencylink1引言DC/AC逆變器是應(yīng)用功率半導(dǎo)體器件，將直流電能轉(zhuǎn)換成恒壓恒頻交流電能的一種靜止變流裝置，供交流負(fù)載用電或與交流電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電。隨著石油、煤和天然氣等主要能源的大量使用，新能源的開發(fā)和利用越來越得到人們的重視。利用新能源的關(guān)鍵技術(shù)一逆變技術(shù)能將蓄電池、太陽能電池和燃料電池等其它新能源轉(zhuǎn)化的電能變換成交流電能與電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電。因此，逆變技術(shù)在新能源的開發(fā)和利用領(lǐng)域有著至關(guān)重要的地位。2低頻環(huán)節(jié)逆變技術(shù)傳統(tǒng)的DC/AC逆變器采用低頻環(huán)節(jié)逆變技術(shù)

2、，主要有方波逆變器、階梯波合成逆變器、正弦脈寬調(diào)制SPWM逆變器。2.1方波逆變器方波逆變器主要有推挽式、全橋式電路結(jié)構(gòu)。推挽式方波逆變器由推挽逆變器、交流調(diào)壓開關(guān)和輸出濾波器構(gòu)成，如圖1(a)所示。推挽式方波逆變器主要是通過調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓脈寬來實(shí)現(xiàn)調(diào)壓功能的。一種調(diào)壓方法是調(diào)節(jié)功率開關(guān)S1、S2驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比，從而改變輸出電壓uAB即uCD的脈寬，如圖1(b)所示。但這種調(diào)壓方法存在明顯缺點(diǎn)，即感性負(fù)載儲(chǔ)能回饋到電網(wǎng)時(shí)，變壓器T副邊繞組感應(yīng)有陰影部分電壓，這部分電壓隨感性負(fù)載電感分量加大而加寬，純電感負(fù)載時(shí)有效脈寬調(diào)節(jié)范圍為0Ts/4,而純電阻負(fù)載時(shí)有效脈寬調(diào)節(jié)范圍為0Ts/2。另一種調(diào)

3、壓方法是在變壓器副邊與輸出交流濾波器之間加交流調(diào)壓開關(guān)S3,調(diào)節(jié)功率開關(guān)S,驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比，即可調(diào)節(jié)輸出矩形波脈寬，交流開關(guān)將方波電壓變成脈寬可調(diào)的矩形波電壓。橋式方波逆變器電路拓?fù)浼捌湓聿ㄐ稳鐖D2所示。改變功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位,即可得到矩形波輸出電壓，調(diào)節(jié)a角可實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。方波逆變器電路的特點(diǎn)為：1)工頻變壓器體積、重量大，推挽式原邊繞組利用率低，橋式繞組利用率高;2)輸出四階交流濾波器體積、重量大，位于功率通道的Lf1、Cf1有較大的損耗;圖1推挽式逆變器電路拓?fù)浼捌湓聿ㄐ?a)電路拓?fù)?#163;811a2|Uaifl®UiN2/NlD2號(hào)通Di導(dǎo)通UiNWl(c)

4、有交流開關(guān)時(shí)原理波形(b)無交流開關(guān)時(shí)原理波形圖2橋式方波逆變器電路拓?fù)浼捌湓聿ㄐ?a)電路拓?fù)?b)原理波形4)變壓器和輸出濾波電感產(chǎn)生的音頻噪音大；5)推挽式電路拓?fù)浜?jiǎn)潔，功率開關(guān)電壓應(yīng)力高(2Ui),適用于低輸入電壓逆變場(chǎng)合橋式電路功率開關(guān)數(shù)多，開關(guān)電壓應(yīng)力低(Ui),適用于高輸入電壓逆變場(chǎng)合。2.2階梯波合成逆變器為了減小方波逆變器輸出波形諧波含量，可采用DC/DC變換器和階梯波合成逆變器級(jí)聯(lián)式電路結(jié)構(gòu)，如圖3(a)所示。階梯波的階高按正弦規(guī)律變化，如果每個(gè)周期階梯波的階梯數(shù)為2N,則需要N臺(tái)單相逆變器或N/3臺(tái)三相逆變器。每個(gè)單相功率電路相同，可采用推挽、橋式或三相橋式電路。大功率

5、逆變器階梯波合成常用的方法是移相迭加法，即將N個(gè)依次相移叱N、不同幅值的方波或矩形波迭加合成，最大限度地將某些低次諧波互相抵消，使合成波的諧波含量最小。因此，階梯波合成逆變器又稱為應(yīng)用諧波抵消"(Harmoniccance11atio曲逆變器。每相輸出變壓器變比和繞組的聯(lián)接方式由諧波抵消”理論確定，N=6時(shí)變壓器繞組聯(lián)接方式及階梯波合成波形，如圖3(b)、(c)所示。階梯波合成逆變器電路的特點(diǎn)為:1)工頻變壓器體積、重量大，產(chǎn)生的音頻噪音大;2)輸出電壓諧波含量很小，輸出交流濾波器體積、重量小;4）輸出濾波電感產(chǎn)生的音頻噪音得到改善；5）電路拓?fù)鋸?fù)雜，功率開關(guān)數(shù)目多；6）逆變電路本身

6、無調(diào)壓功能，輸出電壓調(diào)節(jié)只能由前級(jí)DC/DC變換器來實(shí)現(xiàn)；7）整機(jī)體積、重量仍較大。2. 3正弦脈寬調(diào)制SPWM逆變器將正弦波（調(diào)制波）與高頻載波（三角波）相交生成的正弦脈寬調(diào)制信號(hào)用來控制驅(qū)動(dòng)逆變橋功率開關(guān)，便可得到脈寬寬度按正弦規(guī)律分布的SPWM波UAB,如圖4所示。圖4（b）為單極性正弦脈寬調(diào)制波，圖4（c）為雙極性正弦脈寬調(diào)制波。圖3階梯波合成逆變器電路結(jié)構(gòu)及其N=6時(shí)原理波形(a)電路緒構(gòu)相角才Q30'oO«)(U2-U1X2(U3-U2)/2U3(uz-uiyz(U3-U2)/2(b)變壓器繞組連接9)原理波形正弦脈寬調(diào)制SPWM逆變器電路的特點(diǎn)為:1）變壓器仍工

7、作在工頻，體積大且笨重，體積與重量?jī)H和輸出電壓頻率有關(guān)，與逆變器開關(guān)頻率無關(guān)，提高逆變器開關(guān)頻率并不能減小變壓器體積和重量；圖4正弦脈寬調(diào)制逆變器電路拓?fù)浼捌湓聿ㄐ?a)電路拓?fù)鋘nruUUULfT(b)單極性SPWM波(c)雙極性SPWM波2)輸出濾波器體積、重量小;3)對(duì)于輸入電壓和負(fù)載的波動(dòng)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好；4)變壓器和輸出濾波電感產(chǎn)生的音頻噪音得到改善；5)功率器件開關(guān)頻率高，開關(guān)損耗增加，降低了系統(tǒng)變換效率。在低頻環(huán)節(jié)DC/AC逆變技術(shù)中，由于工頻變壓器的體積和逆變器的開關(guān)頻率無關(guān)，只和輸出電壓的頻率有關(guān)。為克服此缺點(diǎn)，必須采用高頻環(huán)節(jié)逆變技術(shù)。3高頻環(huán)節(jié)逆變技術(shù)為了克服低頻

8、環(huán)節(jié)逆變技術(shù)的缺點(diǎn)，Mr.Espelage于1977年提出了可變高頻環(huán)節(jié)逆變技術(shù)新概念2。該系統(tǒng)由一個(gè)并聯(lián)逆變器和十二個(gè)晶閘管組成的周波變換器構(gòu)成，具有簡(jiǎn)單的白適應(yīng)換流、高頻電氣隔離、獨(dú)立的有功能量和無功能量控制、固有的四象限工作能力等優(yōu)點(diǎn)，如圖5所示。受當(dāng)時(shí)半導(dǎo)體器件的限制，諧振儲(chǔ)能電路工作頻率局限在2k4kHz范圍，未完全體現(xiàn)高頻環(huán)節(jié)逆變技術(shù)的優(yōu)越性。用高頻變壓器替代低頻環(huán)節(jié)逆變技術(shù)中的工頻變壓器，克服了低頻環(huán)節(jié)逆變技術(shù)的缺點(diǎn)，顯著提高了逆變器特性。因此，該技術(shù)引起了人們的極大研究興趣。按照功率傳輸方向，高頻環(huán)節(jié)逆變技術(shù)可分為單向型(UnidirectionalPowerFlowMode)

9、和雙向型(BidirectionalPowerFlowMode)兩類；按照功率變換器類型，高頻環(huán)節(jié)逆變技術(shù)可分為電壓源(VoltageMode或BuckMode)和電流源(CurrentMode或BuckBoostMode)兩類。必須強(qiáng)調(diào)，這里的Buck、Buck-BoostMode已不是傳統(tǒng)意義上完整的Buck、BuckBoost變換器。圖5可變高頻環(huán)節(jié)逆變系統(tǒng)3.1電壓源高頻環(huán)節(jié)逆變技術(shù)1)單向電壓源高頻環(huán)節(jié)逆變技術(shù)在直流電源和逆變器之間加入一級(jí)高頻電氣隔離DC/DC變換器，使用高頻變壓器實(shí)現(xiàn)電壓比調(diào)整和電氣隔離，省掉了體積龐大且笨重的工頻輸出變壓器，降低了音頻噪音。單向電壓源高頻環(huán)節(jié)逆變

10、器3、4如圖6所示。該電路結(jié)構(gòu)具有單向功率流、三級(jí)功率變換重(DC/HFAC/DC/LFAC)、變換效率和可靠性不夠理想、但應(yīng)用較廣泛等特點(diǎn)。圖6單向電壓源高頻環(huán)節(jié)逆變器電路結(jié)構(gòu)針對(duì)單向電壓源高頻環(huán)節(jié)逆變器，各國(guó)學(xué)者提出了多種控制策略或改進(jìn)。其中相控諧振式單向電壓源高頻環(huán)節(jié)逆變器，使得功率器件實(shí)現(xiàn)了軟開關(guān)，降低了開關(guān)損耗和系統(tǒng)的電磁干擾EMI。但該電路拓?fù)涫謴?fù)雜，降低了系統(tǒng)變換效率和可靠性。高頻脈沖直流環(huán)節(jié)逆變器電路拓?fù)?3,它將圖6中整流器后的電感電容或電容濾波器換成了無功吸收支路，如圖7所示。這類軟開關(guān)逆變器由高頻脈沖直流環(huán)節(jié)電路與DC/AC逆變橋級(jí)聯(lián)而成，前級(jí)輸出的高頻脈沖直流電壓波為

11、DC/AC逆變橋功率器件實(shí)現(xiàn)ZVS開關(guān)創(chuàng)造了條件。圖7高頻脈沖直流環(huán)節(jié)逆變器電路結(jié)構(gòu)二一p+H麟電源殿需高觸壓輯ffil需無婀蚊ftDaAC®變?cè)?）雙向電壓源高頻環(huán)節(jié)逆變技術(shù)雙向電壓源高頻環(huán)節(jié)（高頻脈沖交流環(huán)節(jié)）逆變器1、7,如圖8所示。它具有雙向功率流、兩級(jí)功率變換（DC/HFAC/LFAC）等特點(diǎn)，這對(duì)提高逆變器效率和可靠性起到了關(guān)鍵作用。該電路特別適用于有雙向功率流的場(chǎng)合，可以用來構(gòu)成UPS。高頻脈沖交流環(huán)節(jié)逆變器采用傳統(tǒng)的PWM技術(shù)時(shí)周波變換器器件換流將打斷漏感中連續(xù)的電流而造成不可避免的電壓過沖。由于這個(gè)原因，這類方案都需另外采用一些緩沖電路或有源電壓箝位電路來吸收存儲(chǔ)在

12、漏感中的能量7o有源電壓箝位電路是以增加功率器件數(shù)和控制電路的復(fù)雜性為代價(jià)的，故不十分理想。圖8高頻脈沖交流環(huán)節(jié)逆變器高頻環(huán)節(jié)逆變器，如圖9所示。盡管用聯(lián)諧振逆變器功率開關(guān)工作在電流過零點(diǎn),但仍可以通過控制功率傳輸和回饋的時(shí)間比來控制諧振儲(chǔ)能電路的功率。而且只要雙向開關(guān)S5和S6也和電流過零點(diǎn)同步，就可以同時(shí)解決開關(guān)損耗和電磁干擾（EMI）問題。然而，該電路系統(tǒng)為變頻控制方式，電路設(shè)計(jì)難以優(yōu)化。圖9串聯(lián)諧振式雙向電壓源高頻環(huán)節(jié)逆變器因此，在不增加電路拓?fù)鋸?fù)雜程度的前提下，如何解決高頻脈沖交流環(huán)節(jié)逆變器固有的電壓過沖問題和實(shí)現(xiàn)周波變換器的軟換流技術(shù)，是高頻環(huán)節(jié)逆變技術(shù)的一個(gè)研究重點(diǎn)。為此，作者提

13、出了單極性、雙極性移相控制高頻環(huán)節(jié)逆變技術(shù)，分別使得逆變器開關(guān)實(shí)現(xiàn)ZVS（零電壓）或ZVZCS（零電壓、電流）軟開關(guān)，并已研制出1kVA原理樣機(jī)14、153. 2電流源高頻環(huán)節(jié)逆變技術(shù)基于Flyback變換器的電流源高頻環(huán)節(jié)逆變器新概念。*1及其電路結(jié)構(gòu)，如圖10所示。該逆變器由高頻逆變器、儲(chǔ)能式變壓器和周波變換器三部分組成。高頻逆變器將直流電壓能量變換成脈動(dòng)的電流能量?jī)?chǔ)存在儲(chǔ)能式變壓器中，周波變換器將此高頻脈動(dòng)電流低頻解調(diào)，經(jīng)輸出濾波電容濾波后供給負(fù)載，具有電路拓?fù)浜?jiǎn)潔、兩級(jí)功率變換(DC/HFAC/LFAC)、DCM工作模式、易并聯(lián)、變換效率高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、可靠性高等特點(diǎn)，但功率開關(guān)電

14、流應(yīng)力大；僅適用于小功率逆變場(chǎng)合。直流電源高頻逆變器儲(chǔ)能式變壓器周波變換器濾波器交流負(fù)載圖10電流源高頻環(huán)節(jié)逆變器DCpr?inmr部例月泌舞sm媒僦4逆變器技術(shù)的應(yīng)用DC/AC逆變器具有廣泛的應(yīng)用前景，可應(yīng)用到如下領(lǐng)域：1)以直流發(fā)電機(jī)、蓄電池、太陽能電池和燃料電池為主直流電源的場(chǎng)合，如航空靜止變流器(27V或270VDC/115V400HzAC)、通訊靜止變流器(48VDC/220V50HzAC);2)以變頻或恒頻交流電為主交流電源且采用交一直一交變換方案的場(chǎng)合，如飛機(jī)變速恒頻電源(變頻交流電/115V400HzAC)、新型風(fēng)力發(fā)電電源(變頻交流電/220V50H2AC)和變頻電源(220V50HzAC/115V400HzAC或115V400H2AC/220V50HzAC);3）不間斷電源UPS中的核心環(huán)節(jié)一逆變器；4）作為校表臺(tái)產(chǎn)品的電壓、電流標(biāo)準(zhǔn)源一電壓功率放大器、電流功率放大器。圖11為27VDC/115V400HzAC航空靜止變流器（ASI）,它采用單端反激Flyback變換器與SPWM逆變器級(jí)聯(lián)式電路結(jié)構(gòu)。實(shí)質(zhì)上，該電路就屬于單向電壓源高頻環(huán)節(jié)逆變器電路結(jié)構(gòu)。相當(dāng)于國(guó)外先進(jìn)國(guó)家第二代（80年代）航空靜止變流器技術(shù)水平，其特點(diǎn)是采用巨型晶體管GTR、硅鐵心材料和分立電子元