基本問題

逆變器屬于電力電子電路類設備。電力電子電路最被廣泛接受的定義是電路實際上處理的是電能而不是信息。對于電力電子電路的分類而言，實際功率等級并不是非常重要。像逆變器這樣的電力電子電路，其最重要的性能就是能量轉換效率。要求其具有較高效率的最重要原因是要散去電力設備上的大量熱能。當然，有選擇地使用能源也很重要，尤其是當逆變器由電池供電時，比如在電動汽車中。由于這些原因，逆變器作為開關操作類電力設備，主要用來控制能量流動。在一個理想的切換操作過程中，開關中不會有功率損耗，因為要麼開關中的電流為零（開關打開）要麼電壓為零（開關閉合），而功率損耗等于兩者的乘積。然而，實際上有兩種情況會産生一些損耗，即狀态損耗和開關損耗。狀态損耗是由于開關處于導通狀态時通過開關的電壓不為零，而是通常在1~3V的範圍内（IGBTs）。對于功率場效應管，導通電壓通常在相同的範圍，但是實際上由于這些裝置有一個純電阻導電通道且沒有像雙極結器件（IGBTs）的固定最小飽和電壓，所以導通電壓會低于0.5V。開關損耗是第二種主要的損耗來源，原因是在打開和關閉的過渡期間，電流流動的同時整個裝置仍承受電壓。為了将開關損耗降到最低，個别逆變器的切換必須要快速（數十到數百納秒），并且需要對其最高開關頻率（确定轉換的頻率）進行仔細地考慮。

圖1 單相全橋逆變器的拓撲結構

三相逆變器

圖2所示是一個在今天的電動機驅動中應用最廣泛的三相逆變器拓撲結構。該電路基本上是H橋式單相逆變器延伸出一個額外的分支。其控制策略與單相逆變器的控制相似，除了此時不同支路的參考信号的相移為120°而不是180°。

圖2 三相逆變器的拓撲結構

圖3顯示了從設備起步到電機滿載運行三相逆變器的典型輸出波形。上面的圖表顯示了A相和B相之間的PWM波形，而下面的圖表顯示了所有三相中的電流。很明顯，對于所施加的PWM電壓，電動機起了一個低通濾波器的作用，電流呈現出帶有非常少量開關紋波基本調制信号的波形。

圖3 逆變器電壓和電流的典型波形

基于H橋拓撲的單相逆變器可以傳遞和接受有功和無功功率。在許多情況下，直流總線由公共設施的一個二極管整流器供給，而功率回不到交流輸入端。這樣一個三相逆變器的拓撲與圖2中去掉所有IGBT後的拓撲結構相同。

前端帶有整流器的逆變器中功率流的逆轉會導緻直流總線電壓上升并可能超出允許範圍。如果到達負載的功率流隻是像偶爾制動電動機那樣短暫時間的逆轉，直流總線電壓可以通過一個所謂的制動電阻器中驅散功率來加以限制。為了适應制動電阻器，需要增設一個具有附加的第7個IGBT（稱為“制動斬波器”）的逆變器模塊。如圖4所示。也可以用一個附加的三相逆變器來代替整流器。這個附加逆變器經常被稱為可控同步整流器。附加逆變器包括它的控制器當然比一個簡單的整流器要貴的多，但是可以實現雙向功率流。此外，實用系統的接口可以像從應用系統中提取或傳遞有功和無功功率那樣被單獨控制。實用環節電流的諧波量也可以降低至幾乎為零，其拓撲結構如圖5所示。

圖4 有制動斬波器IGBT的三相逆變器的拓撲結構

圖5 用于雙向功率流的三相逆變器系統的拓撲結構

多級逆變器

多級逆變器其正負終端間存在着具有多标簽的直流電源或者多個獨立的直流電源。多級逆變器的兩個主要的優點是電壓和功率容量較高，以及利用多直流電平技術可以降低輸出波形的諧波含量。較高的電壓容量是因為其使用鉗位二極管将施加在IGBT兩端的額定電壓應力限制為直流總線兩個标簽之間的電勢差。在采用級聯H橋轉換器的情況下，每個H橋上的電壓應力被限制在單一直流電源的水平，從而實現拓撲結構完全模塊化而且沒有理論電壓（和功率）的限制。

圖6所示為一個三電平三相逆變器的拓撲結構，也被稱為“中性點鉗位”逆變器。這裡每個分支包含4個與附加反平行鉗位二極管相串聯的IGBT。輸出是在每相分支的中點處。通過分别打開IGBT對1和2、2和3或者3和4，每相的輸出可以與頂端的直流總線、直流電源的中間、或者負直流總線相連接。

圖6 三級逆變器的拓撲結構

另一種逆變器拓撲結構隐式限制了IGBT到個别H橋電壓的電壓應力，如圖7所示。該逆變器的設計是基于級聯H橋，其輸出電壓波形較為理想，而且可以實現不同電壓等級的合成。

圖7 三級不對稱級聯H橋逆變器的拓撲結構

圖8顯示了三種狀态的參考波形和PWM輸出電壓以及整個級聯的總輸出電壓。

圖8 級聯三級H橋逆變器的開關波形

圖7所示的逆變器說明了一個用有限個級最大化輸出等級數量的例子，圖9（也是針對一相）所呈現的拓撲結構顯示了一個更為常用的隻有兩個不同模塊元素的結構。

圖9 五級不對稱級聯H橋逆變器的拓撲結構

圖10中上面的圖所示為在90%調制電平且在基頻下切換時，三個較低階段的典型階梯狀輸出電壓。圖10下面的圖表顯示了有90%調制理想正弦曲線參考的逆變器的高低壓階段的聯合輸出波形。

圖10 級聯五級H橋逆變器的開關波形

線整流逆變器

圖11顯示了一個線整流你擺弄起的拓撲結構。在圖11中，晶閘管整流器是根據它們的觸發順序來編号的。該電路既可作為一個整流器又可作為一個逆變器運行。

圖11 逆變器模式下的線整流逆變器

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