dc／ac逆变器技术及其应用综述

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1、DC／AC逆变器技术及其应用综述Keywords：inverter；topology；lowfrequencylink；highfrequencylink1  引言DC／AC逆变器是应用功率半导体器件，将直流电能转换成恒压恒频交流电能的一种静止变流装置，供交流负载用电或与交流电网并网发电。随着石油、煤和天然气等主要能源的大量使用，新能源的开发和利用越来越得到人们的重视。利用新能源的关键技术—逆变技术能将蓄电池、太阳能电池和燃料电池等其它新能源转化的电能变换成交流电能与电网并网发电。因此，逆变技术在新能源的开发和利用领域有着至关重要的地位。2  低频环节逆变技

2、术传统的DC／AC逆变器采用低频环节逆变技术，主要有方波逆变器、阶梯波合成逆变器、正弦脉宽调制SPWM逆变器。  2．1  方波逆变器方波逆变器主要有推挽式、全桥式电路结构。推挽式方波逆变器由推挽逆变器、交流调压开关和输出滤波器构成，如图1(a)所示。推挽式方波逆变器主要是通过调节逆变器输出电压脉宽来实现调压功能的。一种调压方法是调节功率开关S1、S2驱动信号占空比，从而改变输出电压uAB即uCD的脉宽，如图1(b)所示。但这种调压方法存在明显缺点，即感性负载储能回馈到电网时，变压器T副边绕组感应有阴影部分电压，这部分电压随感性负载电感分量加大而加宽，纯电感

3、负载时有效脉宽调节范围为0～Ts／4，而纯电阻负载时有效脉宽调节范围为0～Ts／2。另一种调压方法是在变压器副边与输出交流滤波器之间加交流调压开关S3，调节功率开关S，驱动信号占空比，即可调节输出矩形波脉宽，交流开关将方波电压变成脉宽可调的矩形波电压。桥式方波逆变器电路拓扑及其原理波形如图2所示。改变功率开关驱动信号相位，即可得到矩形波输出电压，调节α角可实现输出电压的稳定。方波逆变器电路的特点为：1)工频变压器体积、重量大，推挽式原边绕组利用率低，桥式绕组利用率高；2)输出四阶交流滤波器体积、重量大，位于功率通道的Lf1、Cf1有较大的损耗；3)对于电网电

4、压和负载的波动，系统动态响应特性差；图1  推挽式逆变器电路拓扑及其原理波形图2  桥式方波逆变器电路拓扑及其原理波形4)变压器和输出滤波电感产生的音频噪音大；5)推挽式电路拓扑简洁，功率开关电压应力高(2Ui)，适用于低输入电压逆变场合。桥式电路功率开关数多，开关电压应力低(Ui)，适用于高输入电压逆变场合。2．2  阶梯波合成逆变器为了减小方波逆变器输出波形谐波含量，可采用DC／DC变换器和阶梯波合成逆变器级联式电路结构，如图3(a)所示。阶梯波的阶高按正弦规律变化，如果每个周期阶梯波的阶梯数为2N，则需要N台单相逆变器或N／3台三相逆变器。每个单相功率

5、电路相同，可采用推挽、桥式或三相桥式电路。大功率逆变器阶梯波合成常用的方法是移相迭加法，即将N个依次相移π／N、不同幅值的方波或矩形波迭加合成，最大限度地将某些低次谐波互相抵消，使合成波的谐波含量最小。因此，阶梯波合成逆变器又称为应用“谐波抵消”(Harmoniccancellation)的逆变器。每相输出变压器变比和绕组的联接方式由“谐波抵消”理论确定，N＝6时变压器绕组联接方式及阶梯波合成波形，如图3(b)、(c)所示。阶梯波合成逆变器电路的特点为：1)工频变压器体积、重量大，产生的音频噪音大；2)输出电压谐波含量很小，输出交流滤波器体积、重量小；3)对

6、于电网电压和负载的波动，系统动态响应特性好；4)输出滤波电感产生的音频噪音得到改善；5)电路拓扑复杂，功率开关数目多；6)逆变电路本身无调压功能，输出电压调节只能由前级DC／DC变换器来实现；7)整机体积、重量仍较大。2．3  正弦脉宽调制SPWM逆变器将正弦波(调制波)与高频载波(三角波)相交生成的正弦脉宽调制信号用来控制驱动逆变桥功率开关，便可得到脉宽宽度按正弦规律分布的SPWM波UAB，如图4所示。图4(b)为单极性正弦脉宽调制波，图4(c)为双极性正弦脉宽调制波。图3  阶梯波合成逆变器电路结构及其N=6时原理波形正弦脉宽调制SPWM逆变器电路的特点

7、为：1)变压器仍工作在工频，体积大且笨重，体积与重量仅和输出电压频率有关，与逆变器开关频率无关，提高逆变器开关频率并不能减小变压器体积和重量；图4  正弦脉宽调制逆变器电路拓扑及其原理波形2)输出滤波器体积、重量小；3)对于输入电压和负载的波动，系统的动态响应特性好；4)变压器和输出滤波电感产生的音频噪音得到改善；5)功率器件开关频率高，开关损耗增加，降低了系统变换效率。在低频环节DC／AC逆变技术中，由于工频变压器的体积和逆变器的开关频率无关，只和输出电压的频率有关。为克服此缺点，必须采用高频环节逆变技术。3  高频环节逆变技术为了克服低频环节逆变技术的缺

8、点，Mr．Espelage于1977年提出了可变高频