DC/AC逆变器,DC/AC逆变器的基本原理是什么?

DC/AC逆变器,DC/AC逆变器的基本原理是什么?

背景知识：

DC/AC逆变技术能够实现直流电能到交流电能的转换，可以从蓄电池、太阳能电池等直流电能变换得到质量较高的、能满足负载对电压和频率要求的交流电能。DC/AC逆变技术在交流电机的传动、不间断电源(UPS)、变频电源、有源滤波器、电网无功补偿器等许多场合得到了广泛的应用。

DC/AC逆变技术的基本原理是通过半导体功率开关器件(例如SCR,GTO，GTR,IGBT和功率MOSFET模块等)的开通和关断作用，把直流电能变换成交流电能，因此是一种电能变换装置。由子是通过半导体功率开关器件的开通和关断来实现电能转换的，因此转换效率比较高。但转换输出的波形却很差，是含有相当多谐波成分的方波。而多数应用场合要求逆变器输出的是理想的正弦波，因此如何利用半导体功率开关器件的开通和关断的转换，使逆变器输出正弦波和准正弦波就成了DC/AC逆变器技术发展中的一个主要问题。

基本原理：

常用逆变器主电路的基本形式有两种分类方法：按照相数分类，可以分为单相和三相；按照直流侧波形和交流侧波形分类，可以分为电压型逆变器和电流型逆变器。具体如下：

DC/AC逆变器按拓扑结构划分，分为Buck型DC/AC逆变器，Boost型DC/AC逆变器，Buck-Boost型DC/AC逆变器。

1，Buck型DC/AC逆变器

Buck型DC/AC逆变器电路基本拓扑如图所示。

采用了两组对称的Buck电路，负载跨接在两个Buck变换器的输出端，并以正弦的方式调节Buck变换器的输出电压，进行DC/AC的变换。它包括直流供电电源Vm，输出滤波电感L1和L2，功率开关管S1-S4 。滤波电容C1和C2，续流二极管D1-D4，以及负载电阻R。通过滑模控制，使输出电容电压V1和V2随参考电压的变化而变化，从而使两个Buck变换器各产生一个有相同直流偏置的正弦波输出电压，并且V1和V2在相位上互差180度。由于负载跨接在K和代的两端，则DC/AC变换器的输出电压玲为如下式所示的正弦波，图2所示即为逆变器的基本工作原理。

虽然有一个直流偏置电压出现在负载的任一端，但负载两端电压为正负交变的正弦波电压，并且其直流电压为零。由于DC/AC变换器的输出电流是正负交变的，因此要求电路中的Buck变换器的电流能双向流通，如图1所示电路由两组双向Buck变换器组成。一组电流双向流通的Buck变换器可见图3所示。凡与又是一对互补控制的开关管，D1和D2为反并止极管。当开关S1闭合、S2打开时，若电感电流方向为正，则电流流经S1，若为负则电感电流经D1续流。当S1打开、S2闭合时，若电感电流方向为正，则电流经D2续流，若为负则电感电流流经S2。

2，Boost型AC/AC逆变器

Boost型DC/AC逆变器电路基本拓扑如图所示。采用了两组对称的Boost电路，负载跨接在两个Boost变换器的输出端，并以正弦的方式调节Boost变换器的输出电压，进行D/AC的变换。它包括直流供电电Vm，输出滤波电感L1和L2，功率开关管S1-S4，滤波电容C1和C2，续流二极管D1-D4，以及负载电阻R。通过滑模控制，使输出电容电压K和K随参考电压的变化而变化，从而使两个Boost变换器各产生一个有相同直流偏置的正弦波输出电压，并且V1和V2在相位上互差180度。获得的输出电压为V0 = V1-V2，是一个正弦电压。

3，Buck-Boost型DC/AC逆变器。基本原理为上述两种结构的中和，这里就不做太多解释了。

现状和发展：

一般认为，DC-AC逆变器的发展可以分为如下两个阶段。

1，1956-1980年为传统发展阶段。这个阶段的特点是：开关器件以低速器件为主，逆变器的开关频率较低，波形改善以多重叠加为主，体积重量较大，逆变效率低。正弦波逆变器开始出现。1960年以后，人们注意到改善逆变器波形的重要性，并开始进行研究。

1963年，F.G.Turnbull提出了“消除特定谐波法”，为后来的优化PWM法奠定了基础，以实现特定的优化目标，如谐波最小、效率最优、转矩脉动最小等。

1980年到现在为高频化新技术阶段。这个阶段的特点是：开关器件以高速器件为主，逆变器的开关频率较高，波形改善以PWM法为主，体积重量较小，逆变效率高。正弦波逆变器技术发展日趋完善。

20世纪70年代后期，可关断晶闸管GTO、电力晶体管GTR及其模块相继实用化。80年代以来，电力电子技术与微电子技术相结合，产生了多种高频化的全控器件，并得到了迅速发展，如功率场效应晶体管Power MOSFET，绝缘门极晶体管IGT或IGST,静电感应晶体管SIT,静电感应晶闸管SITH、场控晶闸管MCT, MOS晶体管MGT、IEGT以及IGCT等。这就使电力电子技术由传统发展时代进入到高频化时代。在这个时代，具有小型化和高性能特点的新逆变技术层出不穷，特别是脉宽调制波形改善技术得到了飞速的发展。

今后，随着工业和科学技术的发展，对电能质量的要求将越来越高，包括市电电网在内的原始电能的质量可能满足不了设备的要求，必须经过电力电子装置变换后才能使用，而DC/AC逆变技术在这种变换中将起到重要的作用。