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电力电子技术Power Electronics 苏鹭梅 sulumei@xmut.edu.cn 教3#，202室 第四章 直流－交流变换器 直流－交流功率变换称为逆变。 逆变的概念 逆变——与整流相对应，直流电变成交流电。 交流侧接电网，为有源逆变。 交流侧接负载，为无源逆变。 主要应用 交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。 本章主要内容： 逆变电路的结构和工作原理（单相桥式、三相桥式逆变电路） 4.1 逆变电路概述 1.逆变电路的基本工作原理 以单相桥式逆变电路为例说明最基本的工作原理 S1~S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。 S1、S4闭合，S2、S3断开时，负载电压uo为正。 S1、S4断开，S2、S3闭合时，负载电压uo为负。 逆变电路最基本的工作原理 ——改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。 电阻负载时，负载电流io和uo的波形相同，相位也相同。 阻感负载时，io相位滞后于uo，波形也不同。 2. 逆变电路的分类 3. 换流方式 换流——电流从一个支路向另一个支路转移的过程，也称为换流。 开通：适当的门极驱动信号就可使器件开通。 关断： 全控型器件可通过门极关断。 半控型器件晶闸管，必须利用外部条件才能关断。 一般在晶闸管电流过零后施加一定时间反压，才能关断。 研究换流方式主要是研究如何使器件关断。 本章换流及换流方式问题最为全面集中,因此安排在本章集中讲述。 换流方式： 器件换流（Device Commutation） 利用全控型器件的自关断能力进行换流。 在采用IGBT 、电力MOSFET 、GTO 、GTR等全控型器件的电路中的换流方式是器件换流。 电网换流（Line Commutation） 电网提供换流电压的换流方式。 将负的电网电压施加在欲关断的晶闸管上即可使其关断。不需要器件具有门极可关断能力，但不适用于没有交流电网的无源逆变电路。 负载换流（Load Commutation） 由负载提供换流电压的换流方式。 强迫换流（Forced Commutation） 设置附加的换流电路，给欲关断的晶闸管强迫施加反压或反电流 的换流方式称为强迫换流。 换流方式总结： 器件换流——适用于全控型器件。 其余三种方式——针对晶闸管。 器件换流和强迫换流——属于自换流。 电网换流和负载换流——属于外部换流。 当电流不是从一个支路向另一个支路转移，而是在支路内部终止流通而变为零，则称为熄灭。 4.2 电压型逆变电路 电压型逆变电路的特点 (1)直流侧为电压源或并联大电 容，直流侧电压基本无脉动。 (2)输出电压为矩形波，输出电 流因负载阻抗不同而不同。 (3)阻感负载时需提供无功功率。 为了给交流侧向直流侧反馈的无功 能量提供通道，逆变桥各臂并联反 馈二极管。 4.2.1 单相电压型逆变电路 1. 半桥逆变电路 2. 全桥逆变电路 3. 带中心抽头变压器的逆变电路 1.半桥逆变电路 工作原理 V1和V2栅极信号在一周期内 各半周正偏、半周反偏，两者互 补，输出电压uo为矩形波，幅值 为Um=Ud/2。 V1或V2通时，io和uo同方向， 直流侧向负载提供能量；VD1或 VD2通时，io和uo反向，电感中 贮能向直流侧反馈。VD1、VD2 称为反馈二极管,它又起着使负载 电流连续的作用，又称续流二极管。 1.半桥逆变电路 优点：电路简单，使用器件少。 缺点：输出交流电压幅值为Ud/2， 且直流侧需两电容器串联，要控制 两者电压均衡。 应用： 用于几kW以下的小功率逆变 电源。 单相全桥、三相桥式都可看成 若干个半桥逆变电路的组合。 2.全桥逆变电路 共四个桥臂，可看成两个半桥电 路组合而成。 两对桥臂交替导通180°。 输出电压和电流波形与半桥电路 形状相同，幅值高出一倍。 改变输出交流电压的有效值只能 通过改变直流电压Ud来实现。 阻感负载时，还可采用移相得方 式来调节输出电压－移相调压。 V3的基极信号比V1落后 θ （0＜ θ＜180 °）。V3、V4 的栅极信号分别比V2、V1的 前移180°－θ。输出电压是正 负各为θ的脉冲。 改变θ就可调节输出电压。 3. 带中心抽头变压器的逆变电路 交替驱动两个IGBT，经变压器 耦合，给负载加上矩形波交流电压。 两个二极管的作用也是提供无 功能量的反馈通道。 Ud 和负载参数相同，变压器匝比 为1：1：1 时，uo和io波形及幅值 与全桥逆变电路完全相同。 与全桥电路的比较： 比全桥电路少用一半开关器件。 器件承受的电压为2Ud，比全桥 电路高一倍。必须有一个变压器 。 4.2.1 三相电压型逆变电路 三个单相逆变电路可组合成一个三相逆