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2025年8月电工技术学报Vol.40No.16

第40卷第16期TRANSACTIONSOFCHINAELECTROTECHNICALSOCIETYAug.2025

DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.242054

逆变器功率密度的极限分析与提升方法

牛富丽曾正孙鹏邹铭锐

(输变电装备技术全国重点实验室(重庆大学电气工程学院)重庆400044)

摘要“双碳”目标背景下,新能源发电和交通电气化对高功率密度逆变器提出越来越严苛

的要求。然而,现有逆变器的功率密度不高,功率密度的物理极限缺乏数学模型表征,功率密度

的提升途径缺乏方法论指导,亟须基础理论研究。该文计及死区时间、功率损耗和热稳定等影响

因素,研究功率器件的开关频率极限;基于商业化产品的性能分析,研究了母线电容、滤波电感

和散热器的体积-效能极限;基于无源元件、散热器和功率器件之间的配合规律,揭示了逆变器功

率密度的理论极限。此外,围绕热阻、最高工作结温、环境温度、变换效率、元件布局、开关损

耗测量等关键因素,定量描述了高功率密度逆变器的影响规律,进一步阐释了提升逆变器功率密

度的方法,为下一代小型化、轻量化逆变器的设计、研发和应用,提供基础理论模型和方法指导。

关键词:逆变器高功率密度理论极限影响规律提升方法

中图分类号:TM614

采用SiC或GaN功率器件,提高功率器件的开关频

0引言

率,可以大幅减小无源元件的体积和质量,成倍提

新能源发电和交通电气化,是实现“碳达峰、升逆变器的功率密度[11-13]。然而,功率器件的开关

碳中和”目标的基础保障。2060年,我国70%以上损耗与开关频率成正比,提升开关频率会增加散热

的电能将来自新能源,大约15%的电能将消耗在交器的体积和质量[14-15],成为制约功率密度进一步提

通运输[1-3]领域。在光伏电站、海上风电、电动汽车、升的关键技术难题。在热管理方面,采用先进的导

轨道交通、多电飞机等领域,逆变器的容量较高、热材料、传热媒质、散热结构等优化传热传质方

体型庞大、笨重,制造、存储、运输、安装、运维法[16-21],提升散热器的热通量;采用先进调制算法、

等环节的成本较高,体积小、轻量化已成为逆变器变开关频率控制、优化输出无功功率等主动热管理

的持续且共性要求[4-6]。据预测,到2025年,车用方法[22-24],减少功率器件的热损耗,都能大幅提升

逆变器的功率密度将超过100kW/L,新能源逆变器逆变器的功率密度。综上所述,提升功率器件的开

的功率密度将大于2kW/L[7-8]。然而,受制于功率关频率,从源头上减小功率器件的开关损耗,从热

器件、无源元件和散热器的性能,现有逆变器的功路上增强散热器的热耗散能力,是提升逆变器功率

率密度还不高,商业化车用逆变器的功率密度小于密度的关键。然而,逆变器功率密度的理论极限还

40kW/L[9],商业化光伏逆变器的功率密度小于缺少模型描述,功率密度的影响规律还缺少定量分

1kW/L[10],高功率密度逆变器的设计缺乏基础模析,功率密度的提升方法还缺少理论指导。

型,如何有效提升逆变器的功率密度,还缺少方法本文针对高功率密度逆变器面临的理论极限不

论指导,技术上亟待突破。明确、模型缺失等问题,研究其功率密度的理论极

针对高功率密度逆变器的研究已有部分探索,限与关键因素,建立表征模型以揭示极限边界,分

主要集中在高频化和热管理方

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