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文章编号: 1004—289X (2004) 06- 0018- 05 DCöA C 逆变器技术及其应用综述 张友军 (苏州大学, 江苏　苏州　215021) 摘　要: 系统地论述了DCöA C 逆变器技术的发展、现状与应用, 并指明了它们的优缺点。高频环节逆变技术取代 低频环节逆变技术是发展的必然趋势。 关键词: 逆变器; 拓扑; 低频环节; 高频环节 中图分类号: TM 464　　　　　　文献标识码: B Summ ariza t ion of DCöA C Inverter T echno logy and A pp lica t ion ZH A N G Y ou - jun (Suzhou U n iversity, Suzhou J iangsu 215021, Ch ina) A b st ract: T he developm en t of DCöA C inverter techno logy and app lica t ion is summ arized in th is paper and its character is show ed in deta il. It is inevitab le fo r inverter to app ly h igh frequency link techno logy in stead of low frequency link techno logy. Key w o rds: inverter; topo logy; low frequency link; h igh frequency link 1　引言 DCöA C 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　低频环节逆变技术 传统的DCöA C 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, 纯电感负载时有效脉宽调节范围为 0～ T sö4, 而纯电 阻负载时有效脉宽调节范围为 0～ T sö2。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 S3 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L f1、C f1有较大的损耗; 3) 对于电网电压和负载的波动, 系统动态响应特 性差; 81 《电气开关》(2004. N o. 6) 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 (2U i) , 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 (U i) , 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 DCöDC 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 ö3 台三相逆变器。每个单相功率电路相同, 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ΠöN、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”(H ar2 mon ic cancella t ion)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DCöDC 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 91《电气开关》(2004. N o. 6) 图 4　正弦脉宽调制逆变器电路拓扑及其原理波形 高逆变器开关频率并不能减小变压器体积和重量; 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DCöA C 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点, M r. E s2 pelage 于 1977 年提出了可变高频环节逆变技术新概 念[2 ]。该系统由一个并联逆变器和十二个晶闸管组成 的周波变换器构成, 具有简单的自适应换流、高频电气 隔离、独立的有功能量和无功能量控制、固有的四象限 工作能力等优点, 如图 5 所示。受当时半导体器件的限 制, 谐振储能电路工作频率局限在 2k～ 4kH z 范围, 未 完全体现高频环节逆变技术的优越性。 用高频变压器替代低频环节逆变技术中的工频变 压器, 克服了低频环节逆变技术的缺点, 显著提高了逆 变器特性。因此, 该技术引起了人们的极大研究兴趣。 按照功率传输方向, 高频环节逆变技术可分为单 向型 (U n id irect ional Pow er F low M ode) 和双向型 (B i - d irect ional Pow er F low M ode) 两类; 按照功率变换 器类型, 高频环节逆变技术可分为电压源 (V o ltage M ode 或 Buck M ode) 和电流源 (Cu rren t M ode 或 Buck- Boo st M ode) 两类。必须强调, 这里的Buck、 Buck - Boo st M ode 已不是传统意义上完整的Buck、 Buck- Boo st 变换器。 图 5　可变高频环节逆变系统 3. 1　电压源高频环节逆变技术 1)单向电压源高频环节逆变技术 在直流电源和逆变器之间加入一级高频电气隔离 DCöDC 变换器, 使用高频变压器实现电压比调整和电 气隔离, 省掉了体积庞大且笨重的工频输出变压器, 降 低了音频噪音。单向电压源高频环节逆变器[3、4 ]如图 6 所示。该电路结构具有单向功率流、三级功率变换 (DCöH FA CöDCöL FA C )、变换效率和可靠性不够理 想、但应用较广泛等特点。 图 6　单向电压源高频环节逆变器电路结构 针对单向电压源高频环节逆变器, 各国学者提出 了多种控制策略或改进。其中相控谐振式单向电压源 高频环节逆变器, 使得功率器件实现了软开关, 降低了 02 《电气开关》(2004. N o. 6) 开关损耗和系统的电磁干扰 EM I。但该电路拓扑十分 复杂, 降低了系统变换效率和可靠性。 南京航空航天大学陈道炼博士提出了高频脉冲直 流环节逆变器电路拓扑[53 ] , 它将图 6 中整流器后的电 感电容或电容滤波器换成了无功吸收支路, 如图 7 所 示。这类软开关逆变器由高频脉冲直流环节电路与 DCöA C 逆变桥级联而成, 前级输出的高频脉冲直流电 压波为DCöA C 逆变桥功率器件实现 ZV S 开关创造 了条件。 图 7　高频脉冲直流环节逆变器电路结构 2)双向电压源高频环节逆变技术 双向电压源高频环节 (高频脉冲交流环节) 逆变 器[1、7 ]如图 8 所示。它具有双向功率流、两级功率变换 (DCöH FA CöL FA C)等特点, 这对提高逆变器效率和 可靠性起到了关键作用。该电路特别适用于有双向功 率流的场合, 可以用来构成U PS。 高频脉冲交流环节逆变器采用传统的 PWM 技术 时周波变换器器件换流将打断漏感中连续的电流而造 成不可避免的电压过冲。由于这个原因, 这类都需 另外采用一些缓冲电路或有源电压箝位电路来吸收存 储在漏感中的能量[7 ]。有源电压箝位电路是以增加功 率器件数和控制电路的复杂性为代价的, 故不十分理 想。 图 8　高频脉冲交流环节逆变器 　　文献[ 8、9 ]提出了串联谐振式双向电压源高频环 节逆变器, 如图 9 所示。尽管串联谐振逆变器功率开关 工作在电流过零点, 但仍可以通过控制功率传输和回 馈的时间比来控制谐振储能电路的功率。而且只要双 向开关 S5 和 S6 也和电流过零点同步, 就可以同时解 决开关损耗和电磁干扰 (EM I)问题。然而, 该电路系统 为变频控制方式, 电路设计难以优化。 图 9　串联谐振式双向电压源高频环节逆变器 因此, 在不增加电路拓扑复杂程度的前提下, 如何 解决高频脉冲交流环节逆变器固有的电压过冲问题和 实现周波变换器的软换流技术, 是高频环节逆变技术 的一个研究重点。为此, 作者提出了单极性、双极性移 相控制高频环节逆变技术, 分别使得逆变器开关实现 ZV S (零电压) 或 ZV ZCS (零电压、电流) 软开关, 并已 研制出 1kVA 原理样机[14、15 ]。 3. 2　电流源高频环节逆变技术 浙江大学黄敏超博士提出了基于 F lyback 变换器 的电流源高频环节逆变器新概念[10 ]及其电路结构, 如 图 10 所示。该逆变器由高频逆变器、储能式变压器和 周波变换器三部分组成。高频逆变器将直流电压能量 变换成脉动的电流能量储存在储能式变压器中, 周波 变换器将此高频脉动电流低频解调, 经输出滤波电容 滤波后供给负载, 具有电路拓扑简洁、两级功率变换 (DCöH FA CöL FA C)、DCM 工作模式、易并联、变换效 率高、动态响应速度快、可靠性高等特点, 但功率开关 电流应力大, 仅适用于小功率逆变场合。 图 10　电流源高频环节逆变器 4　逆变器技术的应用 DCöA C 逆变器具有广泛的应用前景, 可应用到如 下领域: 1)以直流发电机、蓄电池、太阳能电池和燃料电池 为主直流电源的场合, 如航空静止变流器 (27V 或 270VDCö115V 400H zA C)、通讯静止变流器 (48VDCö 220V 50H zA C) ; 2)以变频或恒频交流电为主交流电源且采用交- 直- 交变换方案的场合, 如飞机变速恒频电源 (变频交 12《电气开关》(2004. N o. 6) 流电ö115V 400H zA C)、新型风力发电电源 (变频交流 电ö220V 50H zA C ) 和 变 频 电 源 ( 220V 50H zA Cö 115V 400H zA C 或 115V 400H zA Cö220V 50H zA C) ; 3)不间断电源U PS 中的核心环节- 逆变器; 4) 作为校表台产品的电压、电流源- 电压功 率放大器、电流功率放大器。 图 11 为中国航空工业贵阳 185 厂研制成功的 27VDCö115V 400H zA C 航空静止变流器 (A S I) , 达到 国内最新技术水平。它采用单端反激 F lyback 变换器 与 SPWM 逆变器级联式电路结构。实质上, 该电路就 属于单向电压源高频环节逆变器电路结构。相当于国 外先进国家第二代 (80 年代) 航空静止变流器技术水 平, 其特点是采用巨型晶体管 GTR、硅铁心材料和分 立电子元件、开关频率为 21. 6kH z、功率密度 (额定功 率为 750VA , 功率重量比为 93. 75VA ökg, 功率体积 比为 0. 07VA öcm 3) 与变换效率 (额定负载时 75% ) 不 够理想。 图 11　F lyback 变换器与 SPWM 逆变器级联式A S I电路及 其原理波形 5　结论 DCöA C 逆变技术具有广泛的应用前景。DCöA C 逆变技术可分为低频环节逆变技术和高频环节逆变技 术, 后者取代前者是发展的必然趋势。高频逆变环节是 实现高功率密度、高变换效率逆变器的合理方案。 参考文献 [ 1 ]　 I. Yam ato et a l,N ew conversion system fo r U PS u sing h igh frequency link, IEEE PESC’88, pp. 658～ 663. [ 2 ]　P. M. E spelage et a l, H igh frequency link pow er conversion, IEEE T ran s. on IA , 1977, V o l. 13, no. 5, pp. 387～ 394. [ 3 ]　陈道炼. 应用双环控制技术的开关型直流变换器 的研究. 南京航空航天大学硕士学位论文, 1989. [ 4 ] 　J. Ja lade et a l, N ew DCöA C h igh pow er cell st ructu re imp rove perfo rm ances fo r sine genera ter, IEEE PESC, 1980, pp. 326～ 331. [ 5 ]　陈道炼. 软开关 PWM 组合式航空静止变流器研 究. 南京航空航天大学博士学位论文, 1998. [ 6 ]　陈道炼. 高频环节航空静止变流器研究. 南京航 空航天大学博士后研究工作报告, 2001. [ 7 ] 　 I. Yam ato et a l, H igh frequency link DCöA C converter fo r U PS w ith a vo ltage clamper. IEEE PESC’90, pp. 749～ 756. [ 8 ]　Yong- Ho Chung et a l,B ila tera l series resonan t inverter fo r H igh frequency link U PS. IEEE PESC’89, pp. 83～ 89. [ 9 ]　H. P inherio et a l, Zreo vo ltage sw itch ing series resonan t based U PS. IEEE PESC’98, pp. 1879～ 1885. [ 10 ]　黄敏超. 高频链逆变技术的研究. 浙江大学博士 学位论文, 1998. [ 11 ]　吴保芳等. 一种具有高频环节的 SPW PM 变换 电路的研究 [J ]. 电力电子技术, 1997, N o. 2, pp. 44～ 47. [ 12 ]　K. H arada et a l, Phase con tro lled DCöA C con2 verter w ith h igh frequency sw itchng. IEEE PESC’87, pp. 13～ 19. [ 13 ]　M. M atsu i et a l, H igh frequency link DCöA C converter w ith supp ressed vo ltage clamp circu its- - natu ra lly comm u tated phase angle con tro ll w ith self tu rn- off devices. IEEE T ran s. on IA , 1996, V o l. 32, no. 2, pp. 293～ 300. [ 14 ]　张友军、陈道炼. U C3875 在正弦脉位调制高频 交流环节逆变器中的应用研究. 电工技术杂志 [J ], 2001, N o. 12, pp. 30～ 32. [ 15 ]　张友军. 高频脉冲交流环节航空静止变流器研 究. 南京航空航天大学硕士学位论文, 2002. 收稿日期: 2004- 08- 24 作者简介: 张友军 男, 1970 年生, 讲师, 硕士。发表论文及专业文章 20 余篇, 研究方向为电力电子变换技术。 22 《电气开关》(2004. N o. 6)