DCAC逆變電路及原理總結(jié)

1、 逆變的概念 逆變與整流相對應(yīng)，直流電變成交流電。交流側(cè)接電網(wǎng)，為有源逆變有源逆變。交流側(cè)接負(fù)載，為無源逆變無源逆變。逆變與變頻變頻電路：分為交交變頻和交直交變頻兩種。交直交變頻由交直變換（整流）和直交變換兩部分組成，后一部分就是逆變。主要應(yīng)用各種直流電源，如蓄電池、干電池、太陽能電池等。交流電機(jī)調(diào)速用變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等電力電子裝置的核心部分都是逆變電路。以單相橋式逆變電路單相橋式逆變電路為例說明最基本的工作原理圖5-1 逆變電路及其波形舉例負(fù)載a)b)ts1s2s3s4iououduoiot1t2s1s4是橋式電路的4個臂，由電力電子器件及輔助電路組成。s1、s4閉合閉合，s

2、2、s3斷開斷開時，負(fù)載電壓uo為正正。s1、s4斷開斷開，s2、s3閉合閉合時，負(fù)載電壓uo為負(fù)負(fù)。直流電交流電逆變電路最基本的工作逆變電路最基本的工作原理原理 改變兩組開關(guān)切換頻率，可改變輸出交流電頻率。圖5-1 逆變電路及其波形舉例a)b)tuoiot1t2電阻負(fù)載電阻負(fù)載時，負(fù)載電流i io o和u uo o的波形相同，相位也相同。阻感負(fù)載阻感負(fù)載時，i io o相位滯后于u uo o，波形也不同。換流換流電流從一個支路向另一個支路轉(zhuǎn)移的過程，也稱為換相換相。開通：適當(dāng)?shù)目刂茦O驅(qū)動信號就可使器件開通。關(guān)斷：全控型器件可通過門極關(guān)斷。研究換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷。1）逆變電路的分

3、類 根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同電壓型逆變電路又稱為電壓源型逆變電路voltage source type inverter-vsti直流側(cè)是電壓源電壓源電流型逆變電路又稱為電流源型逆變電路current source type inverter-csti直流側(cè)是電流源電流源1）單相半橋逆變電路u圖56 單相半橋電壓型逆變電路及其工作波形a)ttooonb)oum- -umiot1t2t3t4t5t6v1v2v1v2vd1vd2vd1vd2工作原理v1和v2柵極信號在一周期內(nèi)各半周正偏、半周反偏，兩者互補(bǔ)，輸出電壓uo o為矩形波，幅值為um=ud/2。v1或v2通時，io

4、和uo o同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量；vd1或vd2通時，i io o和u uo o反向，電感中貯能向直流側(cè)反饋。vd1、vd2稱為反饋二極管反饋二極管, ,它又起著使負(fù)載電流連續(xù)的作用，又稱續(xù)流二極管續(xù)流二極管。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：電路簡單，使用器件少。缺點(diǎn)缺點(diǎn)：輸出電壓幅值為u ud d/2/2，負(fù)載上的功率為全橋的1/4，開關(guān)管承受的電壓為u ud d，且直流側(cè)需兩電容器串聯(lián)，要控制兩者電壓均衡。根據(jù)不同的負(fù)載類型計算負(fù)載等效阻抗：電阻型：z=r電阻電感型：z=r+jl z=(r2+(l)2 ) 對于rlc：z=r+jl-1/jc對于電阻：i2p/udud/2r對于電阻電感：i2p/udcosu

5、d/2z開關(guān)管上的電壓：u=(23)ud 電流：i=(1.52)(2)1/2i例：逆變器輸入電壓為550v，輸出功率為20kw，逆變器開關(guān)頻率為20khz，rlc諧振負(fù)載，其等效電阻為：r=ud2/4p=3.78負(fù)載上的電流有效值為：iud/2r=72.75a開關(guān)管上的電壓：u=(23)ud=11001650v電流：i=(1.52)(2)1/2i=154205a5-122) 全橋逆變電路共四個橋臂，可看成兩個半橋電路組合而成。兩對橋臂交替導(dǎo)通180。輸出電壓和電流波形與半橋電路形狀相同，幅值高出一倍。改變輸出交流電壓的有效值只能通過改變直流電壓ud來實(shí)現(xiàn)。圖5-7 單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方

6、式utototototo b)g1ug2ug3ug4uoiot1t2t3iouo2）單相電壓型全橋逆變電路的特點(diǎn) (1)直流側(cè)為電壓源或并聯(lián)大電容，直流側(cè)電壓基本無脈無脈動動。 (2)輸出電壓幅值為ud的矩形波，負(fù)載上的功率為半橋逆變器的4倍，輸出電流因負(fù)載阻抗不同而不同。 (3)阻感負(fù)載時需提供無功功率。為了給交流側(cè)向直流側(cè)反饋的無功能量提供通道，逆變橋各臂并聯(lián)反饋二極管。 (4)控制方式有pwm，雙極性和移相控制方式。根據(jù)不同的負(fù)載類型計算負(fù)載等效阻抗：電阻型：z=r電阻電感型：z=r+jl z=(r2+(l)2 ) 對于rlc：z=r+jl-1/jc對于電阻：ip/udud/r對于電阻電

7、感：ip/udcosud/z開關(guān)管上的電壓：u=(23)ud 電流：i=(1.52)(2)1/2i例：逆變器輸入電壓為550v，輸出功率為20kw，逆變器開關(guān)頻率為20khz，rlc諧振負(fù)載，其等效電阻為：r=ud2/p=15.125負(fù)載上的電流有效值為：iud/r= 36.36a開關(guān)管上的電壓：u=(23)ud=11001650v電流：i=(1.52)(2)1/2i=77102a5-16阻感負(fù)載時，還可采用移相得方式來調(diào)節(jié)輸出電壓移相調(diào)壓移相調(diào)壓。a)圖5-7 單相全橋逆變電路的移相調(diào)壓方式tototototo b)ug1ug2ug3ug4uoiot1t2t3iouov3的基極信號比v1落后

8、 （0 180 ）。v3、v4的柵極信號分別比v2、v1的前移180。輸出電壓是正負(fù)各為的脈沖。改變就可調(diào)節(jié)輸出電壓。3） 帶中心抽頭變壓器的逆變電路圖5-8 帶中心抽頭變壓器的逆變電路ud和負(fù)載參數(shù)相同，變壓器匝比為1：1：1時，uo和io o波 形及幅值與全橋逆變電路完全相同。與全橋電路的比較：比全橋電路少用一半開關(guān)器件。器件承受的電壓為2ud，比全橋電路高 一倍。必須有一個變壓器 。交替驅(qū)動兩個igbt，經(jīng)變壓器耦合給負(fù)載加上矩形波交流電壓。兩個二極管的作用也是提供無功能量的反饋通道。電流型逆變電路主要特特點(diǎn)點(diǎn) (1) 直流側(cè)串大電感，電流基 本無脈動，相當(dāng)于電流源。直流電源為電流源的逆

9、變電路稱為電流型逆變電流型逆變電路電路。圖5-11 電流型三相橋式逆變電路 (2) 交流輸出電流為矩形波，輸出電壓波形和相位 因負(fù)載不同而不同。電流型逆變電路中，采用半控型器件的電路仍應(yīng)用較多。換流方式有負(fù)載換流、強(qiáng)迫換流。1) 電路原理由四個橋臂構(gòu)成，每個橋臂由igbt組成。工作方式為負(fù)載換相負(fù)載換相。電容c和l 、r構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。輸出電流波形接近矩形波，含基波和各奇次諧波，且諧波幅值遠(yuǎn)小于基波。負(fù)載電壓波形基本上是正弦波。1) 電路原理圖512 單相橋式電流型（并聯(lián)諧振式）逆變電路由四個橋臂構(gòu)成，每個橋臂的igbt管組成工作方式為負(fù)載換相負(fù)載換相。電容c和l 、r構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。輸出

10、電流波形接近矩形波，含基波和各奇次諧波，且諧波幅值遠(yuǎn)小于基波。totototototototoug1,4ug2,3itioidt1t2t3t4t5t6t7tfuotguabtdtbidivt1,4ivt2,3uvt2,3uvt1,4圖513并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形2) 工作分析一個周期內(nèi)有兩個一個周期內(nèi)有兩個導(dǎo)通階段和兩個換導(dǎo)通階段和兩個換流階段。流階段。t t1 1 t t2 2：v1和v4穩(wěn)定導(dǎo)通階段穩(wěn)定導(dǎo)通階段，i i= =i id d，t t2 2時刻前在c上建立了左正右負(fù)的電壓。t t2 2 t t3 3：t t2 2時v2和v3開通，進(jìn)入換流階換流階段段。lt使v1、v4不能立刻

11、關(guān)斷，電流有一個減小過程。v2、v3電流有一個增大過程。4個igbt全部導(dǎo)通，負(fù)載電容電壓經(jīng)兩個并聯(lián)的放電回路同時放電。lt1、vt1、vt3、lt3到c；另一個經(jīng)lt2、vt2、vt4、lt4到c。t=t4時，vt1、vt4電流減至零而關(guān)斷，換流階段結(jié)束。t4t2= tg g 稱為換流時間換流時間。io在t3時刻，即ivt1=ivt2時刻過零，t3時刻大體位于t2和t4的中點(diǎn)。totototototototoug1,4ug2,3itioidt1t2t3t4t5t6t7tfuotguabtdtbidivt1,4ivt2,3uvt2,3uvt1,4圖513并聯(lián)諧振式逆變電路工作波形電壓型電壓型逆

12、變電路輸入端并接大電容，提供恒壓源，輸出電壓是矩形波，幅值為電容電壓，輸出電流大小由負(fù)載決定，波形由負(fù)載性質(zhì)決定。電阻型負(fù)載的電壓和電流波形均為矩形波；純電感電流波形為三角波；當(dāng)采用rlc諧振負(fù)載，且開關(guān)頻率與諧振頻率一致，負(fù)載上的波形電壓和電流都是正弦波。電流型電流型逆變電路輸入端串聯(lián)大電感，提供恒流源，輸出電流是矩形波，含有較多諧波，幅值為電感電流，輸出電壓的大小由負(fù)載決定，電壓波形由負(fù)載性質(zhì)決定。電阻型負(fù)載的電壓和電流均為矩形波；純電感電流波形為三角波。緩沖原理 器件損壞，不外乎是器件在開關(guān)過程中遭受了過量di/dt、dv/dt或瞬時功耗的危害而造成的。緩沖電路的作用，就是改變器件的開關(guān)

13、軌跡，控制各種瞬態(tài)過電壓，降低器件開關(guān)損耗，保護(hù)器件安全運(yùn)行。5-255-26(a) 開通損耗波形 (b) 關(guān)斷損耗波形圖中 tdon 開通延遲時間tr 開通上升時間trr二極管的反向恢復(fù)時間t doff關(guān)斷延遲時間t tail尾部電流itail下降時間tf關(guān)斷下降時間(d i/ d t)on開通電流上升率irrm二極管反向恢復(fù)電流5-27每個脈沖 i gb t 的開通損耗近似為( mj )：每個脈沖 i gb t 的關(guān)斷損耗近似為：每個脈沖二極管的關(guān)斷損耗近似為： i gb t 的總開關(guān)損耗可近似表示為：式中 fsw逆變器的載波頻率5-28（d）(a) c緩沖電路 (b) rc緩沖電路(c)

14、 rcd緩沖電路 (d) 放電阻止型rcd緩沖電路c緩沖電路：采用薄膜電容，靠近igbt安裝，其特點(diǎn)是電路簡單，用作對瞬變電壓有效而低成本的控制，接在c1和e2之間（兩單元模塊）或p和n之間（六單元模塊），缺點(diǎn)是由分布電感及緩沖電容構(gòu)成lc諧振電路，易產(chǎn)生電壓振蕩。rc緩沖電路：其特點(diǎn)是適用于斬波電路，但在使用大容量igbt時，必須使緩沖電阻的阻值增大，否則，開通時集電極電流過大，使igbt的功能受到一定限制。5-29rcd緩沖電路：與rc緩沖電路相比，其特點(diǎn)是增加了緩沖二極管，從而使緩沖電阻增大，避開了開通時igbt功能受阻的問題。該緩沖電路中緩沖電阻產(chǎn)生的損耗為：式中：l為主電路中的分布電

15、感，ic為igbt關(guān)斷時的集電極電流，f為igbt的開關(guān)頻率，c為緩沖電容，ud為直流電壓。5-30rcd型截止緩沖電路適用于較大功率igbt模塊，緩沖二極管d可箝制瞬變電壓，從而能抑制由于母線寄生電感可能引起的寄生振蕩。其rc時間常數(shù)應(yīng)設(shè)計為開關(guān)周期的1/3。放電阻止型rcd緩沖電路：與rcd緩沖電路相比，其特點(diǎn)是產(chǎn)生的損耗小，適合于高頻開關(guān)，在該緩沖電路中緩沖電阻上產(chǎn)生的損耗為：5-31igbt采用緩沖電路后典型關(guān)斷電壓波形如圖所示。圖中，vce起始部分的毛刺v1是由緩沖電路的寄生電感和緩沖二極管的恢復(fù)過程引起的。其值由下式計算： v1=lsdi/dt（1） 式中：ls為緩沖電路的寄生電感

16、； di/dt為關(guān)斷瞬間或二極管恢復(fù)瞬間的電流上升率，其最惡劣的值接近0.02ic（a/ns）。 5-32采用緩沖電路后igbt關(guān)斷電壓波形 5-33如果v1已被設(shè)定，則可由式（1）確定緩沖電路允許的最大電感量。例如，設(shè)某igbt電路工作電流峰值為400a，v1100v， 則在最惡劣情況下， di/dt=0.02400=8a/ns 由式（1）得 ls=v1/（di/dt）=100/8=12.5nh 圖中v2是隨著緩沖電容的充電，瞬態(tài)電壓再次上升的峰值，它與緩沖電容的值和母線寄生電感有關(guān)，可用能量守恒定律求值。如前所述，母線電感以及緩沖電路及其元件內(nèi)部的雜散電感，在igbt開通時儲存的能量要轉(zhuǎn)儲

17、在緩沖電容中，因此有 lpi2/2=cv22/2（2） 式中：lp為母線寄生電感； i為工作電流， c為緩沖電容的值； v2為緩沖電壓的峰值。 從式（1）和式（2）不難看出，大功率igbt電路要求母線電感以及緩沖電路及其元件內(nèi)部的雜散電感愈小愈好。這不僅可以降低v1，而且可以減小緩沖電容c的值，從而降低成本。5-34實(shí)際的功率電路設(shè)計中可采用以下措施來減小所需電容值采用平板式匯流母線, 正負(fù)極重疊在一起, 中間用絕緣板隔開, 以獲得最小母線寄生電感因?yàn)閏值與關(guān)斷電流的平方成正比,所以采取必要的限流技術(shù)來限制功率電路的最大電流因?yàn)閏值反比于v2的平方, 所以若允許v2與igbt的vce之間有一定

18、的裕度則可使緩沖電容值明顯減小。在電路設(shè)計中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選取適當(dāng)?shù)木彌_保護(hù)電路，抑制igbt關(guān)斷時的浪涌電壓，在裝配時，要盡量降低主電路和緩沖電路的分布電感，接線越短越好，越粗越好。對緩沖電路的要求是：盡量減小主電路的布線電感l(wèi)；吸收電容應(yīng)采用低感（最好無感）吸收電容，它的引線應(yīng)盡可能短，最好直接接在igbt的端子上；吸收二極管應(yīng)選用快開通和軟恢復(fù)二極管，以避免產(chǎn)生開通過電壓和反向恢復(fù)引起的較大振蕩電壓。5-35rc吸收回路的作用，一是為了對感性器件在電流瞬變時的自感電動勢進(jìn)行鉗位，二是抑制電路中因dv/dt對器件所引起的沖擊，在感性負(fù)載中，開關(guān)器件關(guān)斷的瞬間，如果此時感性負(fù)載的磁通不為零，

19、根據(jù)愣次定律便會產(chǎn)生一個自感電動勢，對外界辭放磁場儲能，為簡單起見，一般都采用rc吸收回路，將這部份能量以熱能的方式消耗掉。rc緩沖電路并聯(lián)在igbt兩端。其作用包括抑制過電壓、減小開關(guān)損耗、限制電壓上升速率以及消除電磁干擾等幾個方面；(1)抑制過電壓igbt關(guān)斷時，線路電感會產(chǎn)生與直流電壓同向的感應(yīng)電壓 l di / dt，當(dāng)沒有緩沖電路時，由于dil / dt很大，使igbt的c、e極之間形成很高的過電壓。當(dāng)過電壓大于igbt所能承受的極限電壓時，會損壞器件。所以，為了使igbt可靠工作,必須為電感中的貯能提供一條釋放回路，以大幅度降低關(guān)斷瞬間電感的電流變化率,避免因過電壓損壞igbt。5

20、-36(2)減小功率開關(guān)管損耗igbt關(guān)斷時, igbt的功率損耗取決于集電極與發(fā)射極之間的電壓以及流過管子的電流瞬時值，兩者乘積的積分值越小越好。使用緩沖電路可以改變igbt關(guān)斷過程中的電壓、電流波形，從而減小igbt的功率損耗。由圖2 可知,當(dāng)無緩沖電路時,電壓vce瞬間升至最大值,而此時igbt的電流ic也是最大值,這種情況下功率損耗最嚴(yán)重。5-37(a) 無緩沖電路(b) 有緩沖電路采用rc緩沖電路后，vce將逐漸升高,從而避免ic和vce同時達(dá)到最大值的不利情況。所以，緩沖電路可以減小igbt的關(guān)斷損耗。(3)限制電壓上升率過大的電壓上升率duce / dt會在igbt的pn結(jié)中形成

21、很大的位移電流,它可能誤使igbt內(nèi)部寄生晶閘管開通,導(dǎo)致柵極失去控制作用,這就是所謂的動態(tài)擎住現(xiàn)象。igbt兩端并聯(lián)的rc緩沖電路能夠限制duce / dt的大小,有效地解決igbt的動態(tài)擎住問題。(4)消除電磁干擾在設(shè)備調(diào)試運(yùn)行過程中,當(dāng)無緩沖電路時，igbt管兩端的電壓會產(chǎn)生高頻振蕩,造成電磁干擾。采用緩沖電路即可抑制vce的高頻振蕩,起到消除和減少電磁干擾的作用。5-38緩沖電路中,緩沖電阻r 越小,電容c越大,則緩沖電路的作用越明顯。但同時要考慮功率損耗等因素。igbt關(guān)斷后,緩沖電容c上貯存電能,當(dāng)下次igbt開通后,這部分能量以熱能形式消耗在r上。5-39電阻r 的功耗為:igb

22、t開通后，電容c必須在再次關(guān)斷前放電完畢，以確保電容電壓的初始狀態(tài)始終為零。為此， rc放電時間常數(shù)必須受到限制。一般假設(shè)超過3倍時間常數(shù)可以放完電,則:3rcrcton式中 ton =dts digbt導(dǎo)通占空比 ts 開關(guān)周期1緩沖緩沖rc的參數(shù)計算的參數(shù)計算為了減少功率損耗,一般要求pr 120w計算電阻值時,還必須限制放電電流,使放電電流idis小于集電極電流ic的1 /4,即：5-40式中 ic 集電極電流(a)2隔直電容的參數(shù)計算隔直電容的參數(shù)計算對于全橋逆變電路，偏磁是一個必須認(rèn)真解決的問題,偏磁的積累將引起變壓器的磁飽和，從而導(dǎo)致逆變“顛覆”。采用串聯(lián)耦合隔直電容的方法來隔直糾

23、偏，隔直電容的參數(shù)可采用如下計算方法：式中 lr 變壓器二次側(cè)折算到一次側(cè)的等效電感與一次側(cè)電感之和(單位:h) fr lr與c組成的串聯(lián)諧振電路的諧振頻率(單位: khz)為了使耦合電容線性,一般選f r= 0. 1 f。此外,電容充電電壓不宜過大,一般以5% 10% vs為好,即需滿足如下不等式:5-41式中 vc 充電電壓; ic 充電電流; t充電時間, digbt導(dǎo)通占空比 ts 開關(guān)周期; vs 電源電壓。例：設(shè)計要求為頻率25khz,額定功率20 kw，效率85%。全橋式逆變器由功率開關(guān)管igbt1 igbt4和高頻變壓器等主要器件組成， igbt的4 個緩沖電路由rc組成，是為

24、了避免4個igbt在關(guān)斷時產(chǎn)生過高的電壓上升速率和減少igbt的關(guān)斷損耗。求rc。5-42電源輸入電壓為380vac，則vce=537.4v5-43又因?yàn)閜r 120w，因此，緩沖電容為:實(shí)際選用c = 0. 01f5-44計算緩沖電阻：ic = 75 a，所以：i=p/vce=20000/537.4=37a，ic取2倍的i，則實(shí)際選取r = 30實(shí)際電阻功率為：=0.50.0110-6537.4225103=36wrc取值為：c=0.01 f/1200v，r=30/50w為了確保功率開關(guān)管安全可靠地工作，則功率開關(guān)管必須工作在安全區(qū)。但在硬開關(guān)條件下，功率開關(guān)管在開通和關(guān)斷過程中可能承受過壓

25、、過流，過大的di/dt和dv/dt的沖擊，使開關(guān)管發(fā)熱，如不采取保護(hù)措施，可能使功率開關(guān)管超出安全工作區(qū)而損壞。為此，在功率電路中，通常設(shè)置緩沖電路或采用軟開關(guān)技術(shù)，以防止瞬時過壓、過流，過大的di/dt和dv/dt，減小開關(guān)損耗，確保開關(guān)管工作在安全工作區(qū)。5-45緩沖電路的形式很多，可根據(jù)不同的場合合理選用。常用的緩沖電路，簡單的有無源的并聯(lián)rc電路、并聯(lián)rcd緩沖電路、rcd限幅箝位緩沖電路等，還有較復(fù)雜的有源緩沖、軟開關(guān)電路等。有源緩沖電路在電路結(jié)構(gòu)、控制方法上都比較復(fù)雜，成本價格也比較高。而無源緩沖電路往往是用緩沖電容c吸收功率開關(guān)器件關(guān)斷時的能量，然后消耗在電阻r上，雖然可以改善

26、開關(guān)器件的關(guān)斷特性，但降低了電路的變換效率，并且在大功率場合，需要大功率的電阻，而消耗掉大量能量，甚至改變了設(shè)備的工作環(huán)境。為此，為了簡化電路，提高變換效率，有必要研究無源無損緩沖吸收電路。5-46cd2型無源無損緩沖電路：一只電容和兩只二極管構(gòu)成cld2型無源無損緩沖電路：一只電容、一只電感和兩只二極管構(gòu)成的5-47cd2型無源無損緩沖電路5-48cd2型無源無損緩沖電路可以應(yīng)用于半橋和全橋變換電路直流電源電壓為e，電容cs1，cs2和開關(guān)管s1，s2各為一橋臂構(gòu)成半橋電路，l，c，r為等效的輸出電路，其中l(wèi)包含功率電路中的寄生電感。vd1，vd2分別為s1，s2的反并聯(lián)二極管。s1的緩沖吸收電路由圖1中虛線框內(nèi)電容c1和二極管vd11，vd12組成。s2的緩沖吸收電路則由電容c2和二極管vd21，vd22組成。cld2型緩沖電路5-49(a)導(dǎo)通模式1）導(dǎo)通模式 s1導(dǎo)通，s2截止，如圖（a）所示。此時s1導(dǎo)通，有電流通過，c1兩端電壓上正下負(fù)，被箝位為電源電壓e，故vd12兩端電壓