基本问题

逆变器属于电力电子电路类设备。电力电子电路最被广泛接受的定义是电路实际上处理的是电能而不是信息。对于电力电子电路的分类而言，实际功率等级并不是非常重要。像逆变器这样的电力电子电路，其最重要的性能就是能量转换效率。要求其具有较高效率的最重要原因是要散去电力设备上的大量热能。当然，有选择地使用能源也很重要，尤其是当逆变器由电池供电时，比如在电动汽车中。由于这些原因，逆变器作为开关操作类电力设备，主要用来控制能量流动。在一个理想的切换操作过程中，开关中不会有功率损耗，因为要么开关中的电流为零（开关打开）要么电压为零（开关闭合），而功率损耗等于两者的乘积。然而，实际上有两种情况会产生一些损耗，即状态损耗和开关损耗。状态损耗是由于开关处于导通状态时通过开关的电压不为零，而是通常在1~3V的范围内（IGBTs）。对于功率场效应管，导通电压通常在相同的范围，但是实际上由于这些装置有一个纯电阻导电通道且没有像双极结器件（IGBTs）的固定最小饱和电压，所以导通电压会低于0.5V。开关损耗是第二种主要的损耗来源，原因是在打开和关闭的过渡期间，电流流动的同时整个装置仍承受电压。为了将开关损耗降到最低，个别逆变器的切换必须要快速（数十到数百纳秒），并且需要对其最高开关频率（确定转换的频率）进行仔细地考虑。

图1 单相全桥逆变器的拓扑结构

三相逆变器

图2所示是一个在今天的电动机驱动中应用最广泛的三相逆变器拓扑结构。该电路基本上是H桥式单相逆变器延伸出一个额外的分支。其控制策略与单相逆变器的控制相似，除了此时不同支路的参考信号的相移为120°而不是180°。

图2 三相逆变器的拓扑结构

图3显示了从设备起步到电机满载运行三相逆变器的典型输出波形。上面的图表显示了A相和B相之间的PWM波形，而下面的图表显示了所有三相中的电流。很明显，对于所施加的PWM电压，电动机起了一个低通滤波器的作用，电流呈现出带有非常少量开关纹波基本调制信号的波形。

图3 逆变器电压和电流的典型波形

基于H桥拓扑的单相逆变器可以传递和接受有功和无功功率。在许多情况下，直流总线由公共设施的一个二极管整流器供给，而功率回不到交流输入端。这样一个三相逆变器的拓扑与图2中去掉所有IGBT后的拓扑结构相同。

前端带有整流器的逆变器中功率流的逆转会导致直流总线电压上升并可能超出允许范围。如果到达负载的功率流只是像偶尔制动电动机那样短暂时间的逆转，直流总线电压可以通过一个所谓的制动电阻器中驱散功率来加以限制。为了适应制动电阻器，需要增设一个具有附加的第7个IGBT（称为“制动斩波器”）的逆变器模块。如图4所示。也可以用一个附加的三相逆变器来代替整流器。这个附加逆变器经常被称为可控同步整流器。附加逆变器包括它的控制器当然比一个简单的整流器要贵的多，但是可以实现双向功率流。此外，实用系统的接口可以像从应用系统中提取或传递有功和无功功率那样被单独控制。实用环节电流的谐波量也可以降低至几乎为零，其拓扑结构如图5所示。

图4 有制动斩波器IGBT的三相逆变器的拓扑结构

图5 用于双向功率流的三相逆变器系统的拓扑结构

多级逆变器

多级逆变器其正负终端间存在着具有多标签的直流电源或者多个独立的直流电源。多级逆变器的两个主要的优点是电压和功率容量较高，以及利用多直流电平技术可以降低输出波形的谐波含量。较高的电压容量是因为其使用钳位二极管将施加在IGBT两端的额定电压应力限制为直流总线两个标签之间的电势差。在采用级联H桥转换器的情况下，每个H桥上的电压应力被限制在单一直流电源的水平，从而实现拓扑结构完全模块化而且没有理论电压（和功率）的限制。

图6所示为一个三电平三相逆变器的拓扑结构，也被称为“中性点钳位”逆变器。这里每个分支包含4个与附加反平行钳位二极管相串联的IGBT。输出是在每相分支的中点处。通过分别打开IGBT对1和2、2和3或者3和4，每相的输出可以与顶端的直流总线、直流电源的中间、或者负直流总线相连接。

图6 三级逆变器的拓扑结构

另一种逆变器拓扑结构隐式限制了IGBT到个别H桥电压的电压应力，如图7所示。该逆变器的设计是基于级联H桥，其输出电压波形较为理想，而且可以实现不同电压等级的合成。

图7 三级不对称级联H桥逆变器的拓扑结构

图8显示了三种状态的参考波形和PWM输出电压以及整个级联的总输出电压。

图8 级联三级H桥逆变器的开关波形

图7所示的逆变器说明了一个用有限个级最大化输出等级数量的例子，图9（也是针对一相）所呈现的拓扑结构显示了一个更为常用的只有两个不同模块元素的结构。

图9 五级不对称级联H桥逆变器的拓扑结构

图10中上面的图所示为在90%调制电平且在基频下切换时，三个较低阶段的典型阶梯状输出电压。图10下面的图表显示了有90%调制理想正弦曲线参考的逆变器的高低压阶段的联合输出波形。

图10 级联五级H桥逆变器的开关波形

线整流逆变器

图11显示了一个线整流你摆弄起的拓扑结构。在图11中，晶闸管整流器是根据它们的触发顺序来编号的。该电路既可作为一个整流器又可作为一个逆变器运行。

图11 逆变器模式下的线整流逆变器

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