逆变器电路——将直流电转换为交流电

0. 本文内容

• 半桥和全桥拓扑结构如何将直流母线转换为单相和三相交流电。

• 正弦脉宽调制 (PWM) 和空间矢量脉宽调制 (SVPWM) 如何产生平均电压。

• 电机、光伏组件系统 (PV PCS) 和电动汽车 (EV) 中的控制、损耗、死区时间、电磁干扰 (EMI) 和保护。

1. 什么是逆变器？

逆变器是一种功率转换器，它快速切换直流电源，并利用滤波或电机电感来合成交流电。理想的开关只能接通或断开电压，它不会直接产生正弦波。通过控制脉冲宽度、开关频率和相位，可以使负载获得所需的基波分量。

2. 输入、输出和拓扑结构

输入包括电池、整流器或光伏直流母线。单相全桥使用四个开关；三相两电平桥使用六个开关。同时开启上下器件会导致直流链路短路，因此会插入死区时间。NPC、T 型、多电平和模块化多电平电路在高电压和高功率下会共享器件间的电压。

3. PWM 数学原理：首先定义电压端子

从直流负极轨测量，理想的半桥中点电压在 0 和 V_{dc} 之间切换。如果上开关在周期 T_s 中导通的时间占 D 的比例，则平均值为 \bar v_{a-}=D V_{dc}。此以直流负极轨为参考的电压与交流负载上的电压不同。

使用双极性 PWM 的单相全桥电路会在 +V_{dc} 和 -V_{dc} 之间切换负载电压。如果正态占据分数 D，

平均值在 D=0.5 处为零，在 D>0.5 处为正，在 D<0.5 处为负。选择 D(t)=[1+m\sin(\omega t)]/2 可使 mV_{dc}\sin(\omega t) 的平均值在 0\le m\le1 的线性范围内。其中 m 为调制指数，\omega 为基频角频率。

对于 48 V 直流链路，D=0.75 的周期平均值为 24 V；D=0.25 的周期平均值为 -24 V。瞬时开关输出保持在 ±48 V。这些是使用远高于基频的开关频率的示例计算。

在三相系统中，应区分相电压和线电压。电感可以抑制高频电流纹波，但不会消除尖锐的端电压突变或共模电流。请参阅Imperix单相逆变器说明中的电路图和调制图。

4. 基本架构

实线箭头传输功率；虚线箭头传输测量值和门控指令。PWM 控制器不在负载功率路径中。

5. 控制回路和电机

在电机驱动中，外部速度或位置回路控制 q 轴电流，内部电流回路更新 PWM 占空比。对于忽略磁阻转矩的表面永磁同步电机 (PMSM)，i_d=0 为极对数，p 为永磁体磁链，\psi_f 为 i_q 为 q 轴电流：

因此，转矩遵循i_q。该关系式忽略了饱和、电阻压降、磁阻转矩和电流限制；它本身并不能保证测量的电机转矩。高速运行时，弱磁会降低反电动势。感应电机需要估算磁通和滑差频率。传感器分辨率、电流采样瞬时和死区时间补偿决定了低速转矩脉动。

6. 损耗、发热和电磁干扰

假设采用线性重叠转换，开关损耗和导通损耗可近似表示为：

该估算值必须根据器件开关波形、二极管反向恢复、温度和寄生参数进行修正。较高的f_s可以降低滤波器和电机脉动，但会增加损耗、栅极驱动功率和电磁干扰。SiC和GaN可以提高速度，但寄生电感过冲、误导通和爬电/间隙也会增加。严格的布局要求。T_j=T_c+P_{loss}R_{th,jc} 为初步估算值；瞬态热阻抗、冷却液温度和短路过载需要验证。

7. 拓扑结构比较

8. 复杂工况和保护

短路可在微秒内损坏开关，因此采用多层保护，包括 DESAT 栅极驱动器检测、电流传感器、熔断器和硬件关断。过长的死区时间会产生电压误差和低速转矩畸变。长电机电缆会产生反射浪涌和轴承电流。并网还需具备防孤岛运行、锁相、电流谐波以及电网断电时的断开功能。完整的设计还需检查预充电、隔离监测以及断电后直流母线电容器中残留的故障能量。

9. 实际选择

• 电动汽车和伺服电机：评估占空比内的连续电流和峰值电流、再生电压、冷却和位置传感。

• 光伏PCS：检查MPPT范围、电网电压、功率因数/无功功率、谐波和防孤岛运行。

• UPS：优先考虑切换时间、旁路、浪涌电流和冗余。

• 高频紧凑型电源：在利用GaN高速之前，应先进行布局、EMI和绝缘测试。

10. 三线总结

逆变器通过PWM对开关状态进行平均，从而将直流电合成交流电。

电机驱动闭合电流、速度和位置回路；并网逆变器闭合相位、电流和防孤岛回路。

效率必须与死区时间、发热量、电磁干扰 (EMI)、短路中断和绝缘性能一起验证。

参考资料

• IEEE 电力电子学会

• IEC 61800 可调速驱动系统

• NREL 电力电子研究 )

• Wolfspeed SiC 资源