DC/AC逆變器,DC/AC逆變器的基本原理是什么?

DC/AC逆變器,DC/AC逆變器的基本原理是什么?

背景知識(shí)：

DC/AC逆變技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)直流電能到交流電能的轉(zhuǎn)換，可以從蓄電池、太陽能電池等直流電能變換得到質(zhì)量較高的、能滿足負(fù)載對(duì)電壓和頻率要求的交流電能。DC/AC逆變技術(shù)在交流電機(jī)的傳動(dòng)、不間斷電源(UPS)、變頻電源、有源濾波器、電網(wǎng)無功補(bǔ)償器等許多場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用。

DC/AC逆變技術(shù)的基本原理是通過半導(dǎo)體功率開關(guān)器件(例如SCR,GTO，GTR,IGBT和功率MOSFET模塊等)的開通和關(guān)斷作用，把直流電能變換成交流電能，因此是一種電能變換裝置。由子是通過半導(dǎo)體功率開關(guān)器件的開通和關(guān)斷來實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換的，因此轉(zhuǎn)換效率比較高。但轉(zhuǎn)換輸出的波形卻很差，是含有相當(dāng)多諧波成分的方波。而多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合要求逆變器輸出的是理想的正弦波，因此如何利用半導(dǎo)體功率開關(guān)器件的開通和關(guān)斷的轉(zhuǎn)換，使逆變器輸出正弦波和準(zhǔn)正弦波就成了DC/AC逆變器技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)主要問題。

基本原理：

常用逆變器主電路的基本形式有兩種分類方法：按照相數(shù)分類，可以分為單相和三相；按照直流側(cè)波形和交流側(cè)波形分類，可以分為電壓型逆變器和電流型逆變器。具體如下：

DC/AC逆變器按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)劃分，分為Buck型DC/AC逆變器，Boost型DC/AC逆變器，Buck-Boost型DC/AC逆變器。

1，Buck型DC/AC逆變器

Buck型DC/AC逆變器電路基本拓?fù)淙鐖D所示。

采用了兩組對(duì)稱的Buck電路，負(fù)載跨接在兩個(gè)Buck變換器的輸出端，并以正弦的方式調(diào)節(jié)Buck變換器的輸出電壓，進(jìn)行DC/AC的變換。它包括直流供電電源Vm，輸出濾波電感L1和L2，功率開關(guān)管S1-S4 。濾波電容C1和C2，續(xù)流二極管D1-D4，以及負(fù)載電阻R。通過滑?？刂?，使輸出電容電壓V1和V2隨參考電壓的變化而變化，從而使兩個(gè)Buck變換器各產(chǎn)生一個(gè)有相同直流偏置的正弦波輸出電壓，并且V1和V2在相位上互差180度。由于負(fù)載跨接在K和代的兩端，則DC/AC變換器的輸出電壓玲為如下式所示的正弦波，圖2所示即為逆變器的基本工作原理。

雖然有一個(gè)直流偏置電壓出現(xiàn)在負(fù)載的任一端，但負(fù)載兩端電壓為正負(fù)交變的正弦波電壓，并且其直流電壓為零。由于DC/AC變換器的輸出電流是正負(fù)交變的，因此要求電路中的Buck變換器的電流能雙向流通，如圖1所示電路由兩組雙向Buck變換器組成。一組電流雙向流通的Buck變換器可見圖3所示。凡與又是一對(duì)互補(bǔ)控制的開關(guān)管，D1和D2為反并止極管。當(dāng)開關(guān)S1閉合、S2打開時(shí)，若電感電流方向?yàn)檎瑒t電流流經(jīng)S1，若為負(fù)則電感電流經(jīng)D1續(xù)流。當(dāng)S1打開、S2閉合時(shí)，若電感電流方向?yàn)檎?，則電流經(jīng)D2續(xù)流，若為負(fù)則電感電流流經(jīng)S2。

2，Boost型AC/AC逆變器

Boost型DC/AC逆變器電路基本拓?fù)淙鐖D所示。采用了兩組對(duì)稱的Boost電路，負(fù)載跨接在兩個(gè)Boost變換器的輸出端，并以正弦的方式調(diào)節(jié)Boost變換器的輸出電壓，進(jìn)行D/AC的變換。它包括直流供電電Vm，輸出濾波電感L1和L2，功率開關(guān)管S1-S4，濾波電容C1和C2，續(xù)流二極管D1-D4，以及負(fù)載電阻R。通過滑模控制，使輸出電容電壓K和K隨參考電壓的變化而變化，從而使兩個(gè)Boost變換器各產(chǎn)生一個(gè)有相同直流偏置的正弦波輸出電壓，并且V1和V2在相位上互差180度。獲得的輸出電壓為V0 = V1-V2，是一個(gè)正弦電壓。

3，Buck-Boost型DC/AC逆變器。基本原理為上述兩種結(jié)構(gòu)的中和，這里就不做太多解釋了。

現(xiàn)狀和發(fā)展：

一般認(rèn)為，DC-AC逆變器的發(fā)展可以分為如下兩個(gè)階段。

1，1956-1980年為傳統(tǒng)發(fā)展階段。這個(gè)階段的特點(diǎn)是：開關(guān)器件以低速器件為主，逆變器的開關(guān)頻率較低，波形改善以多重疊加為主，體積重量較大，逆變效率低。正弦波逆變器開始出現(xiàn)。1960年以后，人們注意到改善逆變器波形的重要性，并開始進(jìn)行研究。

1963年，F(xiàn).G.Turnbull提出了“消除特定諧波法”，為后來的優(yōu)化PWM法奠定了基礎(chǔ)，以實(shí)現(xiàn)特定的優(yōu)化目標(biāo)，如諧波最小、效率最優(yōu)、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小等。

1980年到現(xiàn)在為高頻化新技術(shù)階段。這個(gè)階段的特點(diǎn)是：開關(guān)器件以高速器件為主，逆變器的開關(guān)頻率較高，波形改善以PWM法為主，體積重量較小，逆變效率高。正弦波逆變器技術(shù)發(fā)展日趨完善。

20世紀(jì)70年代后期，可關(guān)斷晶閘管GTO、電力晶體管GTR及其模塊相繼實(shí)用化。80年代以來，電力電子技術(shù)與微電子技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生了多種高頻化的全控器件，并得到了迅速發(fā)展，如功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管Power MOSFET，絕緣門極晶體管IGT或IGST,靜電感應(yīng)晶體管SIT,靜電感應(yīng)晶閘管SITH、場(chǎng)控晶閘管MCT, MOS晶體管MGT、IEGT以及IGCT等。這就使電力電子技術(shù)由傳統(tǒng)發(fā)展時(shí)代進(jìn)入到高頻化時(shí)代。在這個(gè)時(shí)代，具有小型化和高性能特點(diǎn)的新逆變技術(shù)層出不窮，特別是脈寬調(diào)制波形改善技術(shù)得到了飛速的發(fā)展。

今后，隨著工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電能質(zhì)量的要求將越來越高，包括市電電網(wǎng)在內(nèi)的原始電能的質(zhì)量可能滿足不了設(shè)備的要求，必須經(jīng)過電力電子裝置變換后才能使用，而DC/AC逆變技術(shù)在這種變換中將起到重要的作用。