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目录一、引言.................................................................3二、设计任务...........................................................6（一）设计任务........................................................6（二）设计要求........................................................6三、结构设计方法要点..................................................6四、总体电路设计.......................................................7（一）逆变器设计流程图................................................8（二）混合电平式逆变器结构............................................9（三）混合单元式逆变器结构...........................................11五、各功能模块电路设计...............................................12（一）逆变器的主要技术指标...........................................12（二）有源逆变模块..................................................13（三）逆变能量的变换关系模块.........................................14六、总体电路..........................................................15（一）主电路图.......................................................15（二）总体电路原理图说明.............................................16七、总结...............................................................20八、参考文献..........................................................22一、引言逆变器也称逆变电源，是将直流电能转变成交流电能的变流装置，是太阳能、风力发电中一个重要部件。随着微电子技术与电力电子技术的迅速发展，逆变技术也从通过直流电动机——交流发电机的旋转方式逆变技术，发展到二十世纪六、七十年代的晶闸管逆变技术，而二十一世纪的逆变技术多数采用了MOSFET、IGBT、GTO、IGCT、MCT等多种先进且易于控制的功率器件，控制电路也从模拟集成电路发展到单片机控制甚至采用数字信号处理器（DSP）控制。各种现代控制理论如自适应控制、自学习控制、模糊逻辑控制、神经网络控制等先进控制理论和算法也大量应用于逆变领域。其应用领域也达到了前所未有的广阔，从毫瓦级的液晶背光板逆变电路到百兆瓦级的高压直流输电换流站；从日常生活的变频空调、变频冰箱到航空领域的机载设备；从使用常规化石能源的火力发电设备到使用可再生能源发电的太阳能风力发电设备，都少不了逆变电源。毋须怀疑，随着计算机技术和各种新型功率器件的发展，逆变装置也将向着体积更小、效率更高、性能指标更优越的方向发展。在传统双转换逆变电路中，变压器室电路不可或缺的重要组成部分，并在总多方面展现其不容小觑的优势。最初的UPS输出逆变器都是带有变压器的。应该说，带变压器是UPS输出逆变器电路形式所决定的，而变压器的存在却是弊大于利。逆变器电路技术演变过程的一个显著的表现形式是:是否必须用变压器以及如何配置变压器。19世纪70年代生产的第一代三相UPS的典型电路结构形式(MGEUPSMG240系列)。这个系列的UPS包括一个由降压式自藕变压器绕组供电的二极管全波整流器和一个与整流器相并联的、由自稍变压器的辅助二次侧绕组供电的电池充电器。当电网停电时静态开关可将电池组连接到直流母线上供电。逆变器由4个三相变换器以全波方式运行(按照基波频率进行换向)，每一个三相变换器都与变压器的一次侧绕组相连接(A连接)，把这些二次侧绕组开放式的变压器(OpenPhaseTransformers)以一定方式进行串联，以获得合成的输出电压。这4个变压器被分为两组，每一组都包含一个Y形和一个曲折Y型(Z形)的二次侧绕组，这两个二次侧绕组之间具有30。相位差。这一特殊连接可消除序号为n=6k±1次的电压谐波，其中K为奇数，这等效于一个具有两组移相式整流桥的变压器一次侧绕组所吸收的电流。对于在变压器一次侧绕组中每相可能出现的3次和3n次谐波，由一次侧绕组的人接线方式来抵消。因此，首先需要滤除的谐波为第11次谐波。输出电压的调整是通过移动两组变压器之间的相位来完成的。由于首先进行滤除的是第11次谐波，所以输出滤波器的尺寸较小，这使得逆变器对负载变化的动态响应特性加快。超过90%的逆变器效率，这在当时已经足够让人满意了，这样的输出效率得益于采用较低频率的斩波以降低换向损耗。尽管当时这种换向电路(如图2-21所示)是先进的，但仍然存在不容忽视的损耗。这种类型电路的主要缺点为:在某些情况下例如过载时，不可能便所有可控硅立即关断，进而使逆变器完全停止工作。这给设备的安全造成威胁。改进的逆变器换向电路，可明显降低此类电路的换向能量损耗并实现所有可控硅的同时关断。图中的每只可控硅都有一个关断电路。每个关断电路包含一只可通过一个电阻做预充电的电容器、一个换向电感L1、一只辅助可控硅Ta和一只辅助二极管Da。Ta导通时关断电流在历Ta、L1和C组成的电路中产生环流，这使得电容两端的电压在振荡的第一个1/2周期末发生反向。对于紧接而来的第二个1/2周期，反相电流流过Da中的电流会使主可控硅Tp中的电流减小，直到完全消失。并通过连接于换向电路的Dp，便Tp上的电压反向。辅助可控硅历上的电压在这个1/2周期中也被通导的Da和Tp反向关断。在此周期的最后，电容器两端的电压被再次反向，且通过与其连接的电阻与直流电源的另一极形成回路，完成充电动作，使电容电压恢复到起始值状态。为减少电路的能量损失和改善控制功能，下一代系统开始采用一种新的脉冲电路，每个晶闸管都变压器的数量从4个减少到2个，但为了实现只采用一个变压器的目标，就不得不提高逆变器电路的性能以实现只需变化PWM就能达到目的，而无需再采用两组变压器的方式。以前用两组移相30。的变压器是为减小低频谐波，因为要滤除他们比较困难。由此，MGE于1980年推出了AIpase4000系列UPS。在该系列中，变压器的一次侧绕组之间不做连接，而其二次侧绕组则为Z形连接。Z形连接的变压器可消除谐波次数为3n次的谐波。每个逆变器以基波的7倍频率来斩波直流电压。这种斩波方式是固定频率斩波，在设计时以尽可能减小输出电压的失真度以及减小滤波器的尺寸为目标。输出电压的调整是通过移动两组逆变器之间的相位差进行的。自19世纪80年代起，UPS逆变器开始只含有一台变压器。同时，随着功率半导体的革新，双极型晶体管以及电子控制级的IGBT等功率半导体器件的出现，逆变电路中的可控硅器件被取代(图2-26和图2-27)，但带输出变压器这种情况仍在继续且一直持续到21世纪伊始，其间，虽然在1995年出现了无变压器的逆变器结构，然而此类产品仅适用于功率≤3OkVA的UPS。造成这一情形的主要原因是功率半导体器件换向时的损耗较大，而较高的耐压要求又使得人们很难在不用变压器的条件下成功地制造出大容量的逆变器。无论是否有变压器，此种配置都可使从整流器到逆变器的整机效率提高到94%。不仅仅只是一个变换器的事情了，此变压器的藕合方式采用一次侧A/二次侧Z形连接。Z形连接不能消除三次及3n次的电压谐波，谐波抑制是通过一次侧A连接来实现。这种连接方式可实现两个额外的功能:首先，它可以实时地调节每相的输出电压，而各相电压都与相应的电压变换器的输出同相;此外，它可以吸收负载的3n次谐波电流，避免这些谐波传输到一次侧绕组，这样，IGBT的换向电流得以减弱，从而减少了换向损耗。逆变技术的原理早在1931年就有人研究过，从1948年美国西屋电气公司研制出第一台3KHZ感应加热逆变器至今已有近60年历史了，而晶闸管SCR的诞生为正弦波逆变器的发展创造了条件，到了20世纪70年代，可关断晶闸管（GTO）、电力晶体管（BJT）的问世使得逆变技术得到发展应用。到了20世纪80年代，功率场效应管（MOSFET）、绝缘栅极晶体管（IGBT）、MOS控制晶闸管（MCT）以及静电感应功率器件的诞生为逆变器向大容量方向发展奠定了基础，因此电力电子器件的发展为逆变技术高频化，大容量化创造了条件。进入80年代后，逆变技术从应用低速器件、低开关频率逐渐向采用高速器件，提高开关频率方向发展。逆变器的体积进一步减小，逆变效率进一步提高，正弦波逆变器的品质指标也得到很大提高。另一方面，微电子技术的发展为逆变技术的实用化创造了平台，传统的逆变技术需要通过许多的分立元件或模拟集成电路加以完成，随着逆变技术复杂程度的增加，所需处理的信息量越来越大，而微处理器的诞生正好满足了逆变技术的发展要求，从8位的带有PWM口的微处理器到16位单片机，发展到今天的32位DSP器件，使先进的控制技术如矢量控制技术、多电平变换技术、重复控制、模糊逻辑控制等在逆变领域得到了较好的应用。总之，逆变技术的发展是随着电力电子技术、微电子技术和现代控制理论的发展而发展，进入二十一世纪，逆变技术正向着频率更高、功率更大、效率更高、体积更小的方向发展。多电平逆变器由于输出电压du-dt小、谐波含量低等优点，在高压大功率变换领域得到广泛应用。级联型多电平逆变器是最早的多电平逆变结构，1980年出现了二极管箝位型多电平逆变器，1992年，T.A.Meynard提出了电容箝位型多电平逆变器。由于级联型多电平逆变器不存在直流侧电容电位不平衡问题、控制简单，以及器件较少等优点，近十几年来得到广泛的应用。混合型多电平逆变器是最近发展起来的一种有效的多电平改进模式，该电路由级联型多电平逆变电路发展而来，且主电路是单元级联式结构，因此可用较少的元件数量实现尽可能多的电平数，从而降低了系统成本，减小了输出电压的谐波总含量(THD)。按实现电路方式的不同，本文将混合型多电平逆变器分为各级联单元电压等级不同的混合电平式逆变器和各级联单元拓扑结构不同的混合单元式逆变器，并分析了这两类逆变器电路结构的特点。针对这两类混合型多电平逆变器存在高压单元功率器件电压应力过高、低压单元电流倒灌的问题，本文提出了一种有效的主电路拓扑结构设计方法。二、设计任务(一)设计目的培养以下几个方面的能力：（1）综合运用所学知识，进行电力电子电路和系统设计的能力。（2）了解与熟悉常用的电力电子电路的电路拓扑、控制方法。（3）理解和掌握常用的电力电子电路及系统的主电路、控制电路和保护电路的设计方法，掌握元器件的选择计算方法。（4）具有一定的电力电子电路及系统实验和调试的能力。（5）培养学生综合分析问题.发现问题.解决问题的能力.（二）设计要求(1)注明输入电压(2)注明输出功率(3)用集成电路组成触发电路.(4)负载性质:电阻.电阻电感.(5)对电路进行设计、计算与说明.(6)计算所有元器件型号参数.三、结构设计方法要点由前面分析可知，混合型逆变器存在高压单元电压应力过高、低压单元电流倒灌的问题。为了解决以上问题，在设计时可从以下两方面进行改进：（1）克服高压单元功率器件电压应力过高问题选择高阻断能力器件（如IGCT、GTO）或