逆变器类型及性能指标分析

4.1.1 逆变电路的工作原理

直流-交流功率变换是通过逆变器实现的。逆变器的输入为直流量，输出为交流量，交流输出量除含有较大的基波成分外，还可能含有一定频率和幅值的谐波，其基波频率和幅值都应该可以调节控制。那么如何来调节控制呢？由电路知识可知，频率、幅值和初相位是决定一个正弦交流量的三要素。以图4-1（a）的单相桥式逆变电路为例说明其基本的工作原理。图中S1～S4是桥式电路的4个臂，它们由电力电子器件及其辅助电路组成。当开关S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压为正；当开关S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压为负。其波形如图4-1（b）所示。这样，就把直流电变成了交流电。改变直流电源的幅值，即可改变输出交流电的幅值；改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率；改变两组开关的切换时刻，即可改变输出交流电的初相位。这就是逆变电路最基本的工作原理。

图4-1 逆变电路及其波形举例

4.1.2 逆变电源发展概况与分类

逆变电源的发展是和电力电子器件的发展联系在一起的，器件的发展带动着逆变电源的发展。逆变电源出现于电力电子技术飞速发展的20世纪60年代，到目前为止，它可以分成如下两个阶段。

1956—1980年为传统发展阶段。这个阶段的特点是以低速开关器件为主，逆变电源的开关频率较低，波形改善以多重叠加法为主，逆变效率低，体积大，较笨重。这一阶段主要采用可控硅（SCR）作为逆变器的开关器件。可控硅逆变电源的出现虽然可以取代旋转型变流机组，但由于SCR是一种没有自关断能力的器件，因此必须增加换流电路来强迫关断SCR，但由于换流电路复杂、噪声大、体积大、效率低等原因却限制了逆变电源的进一步发展。

1980年到现在为高频化新技术阶段。这个阶段的主要特点是以高速开关器件为主，逆变电源的开关频率高，波形改善以PWM法为主，体积小，质量小，逆变效率高，正弦波逆变电源技术发展日趋完善。自20世纪70年代后期，各种自关断器件应运而生，它们包括门极可关断晶闸管（GTO）、功率场效应晶体管（Power MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。自关断器件在逆变器中的应用大大提高了逆变电源的性能，逆变电源采用自关断器件。一方面，由于自关断器件不需要换流电路，因而主电路得以简化，成本降低，可靠性提高；另一方面，由于自关断器件的使用，使得开关频率得以提高，逆变桥输出电压中低次谐波含量大大降低，输出滤波器的尺寸得以减小，逆变电源的动态特性及对非线性负载的适应性也得以提高。在自关断器件当中，IGBT以其开关频率高、通态压降小、驱动功率小、模块的电压电流等级高等优点已成为中小功率逆变电源的首选器件。

逆变器应用广泛，类型很多。其主要分类方式叙述如下：

（1）按逆变器输出交流的频率分为：工频逆变器（50～60 Hz）、中频逆变器（400 Hz到几十kHz）和高频逆变器（几十kHz到几MHz）；

（2）按逆变器输出交流能量的去向分为：无源逆变器和有源逆变器，交流能量供给负载的为无源逆变器，交流能量供给电网的为有源逆变器；

（3）按逆变器功率的流动方向分为：单向逆变器和双向逆变器；

（4）按逆变器输出电压的波形分为：正弦波逆变器和非正弦波逆变器；

（5）按逆变器输出电压的电平分为：二电平逆变器和多电平逆变器；

（6）按逆变器输出交流的相数分为：单相逆变器，三相逆变器和多相逆变器；

（7）按逆变器输入与输出的电气隔离分为：非隔离型逆变器，低频链逆变器和高频链逆变器；

（8）按逆变器输入直流电源的性质分为：电压源型逆变器和电流源型逆变器；

（9）按逆变器的电路结构分为：单端式逆变器、推挽式逆变器、半桥式逆变器和全桥式逆变器；

（10）按逆变器的功率开关管分为：晶闸管（SCR）逆变器，门极可关断晶闸管（GTO）逆变器，功率场效应晶体管（Power MOSFET）逆变器和绝缘栅双极晶体管（IGBT）逆变器；其中，大功率逆变器多用GTO，中功率逆变器多用IGBT，小功率逆变器则用Power MOSFET。

（11）按逆变器的功率开关管工作方式分为：硬开关逆变器，谐振式逆变器和软开关逆变器。本章将只讨论全控型器件构成的正弦波逆变器。

4.1.3 逆变器输出波形性能指标

实际逆变器的输出波形除基波外总含有谐波，为了评价逆变器输出波形的质量，引入下述几个参数的定义和性能指标。

1）畸变波形的均方根值

周期性电流和电压的瞬时值都随时间而变，在工程实际应用中常采用均方根值来衡量电流和电压的大小。以周期电流i(t)为例，它的均方根（连续采样）值定义为

均方根值通常又称为有效值。

在时域分析中，可将一个周期T分成N个等时间间隔，对i(t)做N次等间隔采样。设tk时刻的电流采样瞬时值为ki，则此电流的均方根值的算式为

在频域分析中，将畸变的周期性电压和电流分解成傅立叶级数：

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式中 V1、I1——n＝1时电压和电流的基波的均方根值；

ω1——基波的角频率；

Vn、 In——第n次谐波电压和电流的均方根值。

若将式（4-4）代入式（4-1）便可得到畸变电流波形均方根值的算式：

同理，电压的均方根值算式为

2）畸变波形的峰值

为了表征波形畸变对绝缘等问题的影响，引入波峰系数 CF（Crest Factor），定义为畸变波形的峰值与均方根值（或基波的均方根值）之比值。如果不考虑相位关系，最大波峰系数可用下式求得：

3）谐波含有率IHD（Individual Harmonic Distortion）或谐波系数HF（Harmonic factor）

工程上常要求给出电压或电流畸变波形中某次谐波的含有率，以便监测和采取抑制措施。第n次谐波系数HFn定义为第n次谐波分量有效值与基波分量有效值之比，即

4）总谐波畸变率THD（Total Harmonic Distortion）

THD为各次谐波有效值的平方和的方根值与其基波有效值的百分比，简称畸变率DF（Distortion Factor）。

电压的总谐波畸变率为

电流的总谐波畸变率为

总谐波系数表征了一个实际波形与其基波分量接近的程度。输出为理想正弦波时THD为零。

5）最低次谐波LOH（Lowest-order harmonic）

最低次谐波定义为与基波频率最接近的谐波。

其他指标：

对于逆变装置来说，其性能指标除波形性能指标外，还应包括下列内容：

（1）逆变效率；

（2）单位质量（或单位体积）输出功率；

（3）逆变器输入电流交流分量的大小和脉动频率；

（4）电磁干扰EMI及电磁兼容性EMC；

（5）可靠性指标。