逆变器国内外研究现状和发展趋势

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逆变器的发展概况1956年，逆变器逐渐开始发展，伴随着第一只晶闸管的问世，首先出现的是可控硅SCR电压源型逆变器。1961年，有人提出了SCR逆变器发展的基础——改进型SCR强迫换向逆变器。1962年，有人使用“谐波中和消除法”改进可控硅SCR电压源型逆变器，标志着正弦波逆变器的诞生。1963年，有人提出了使用“特定谐波消除法”来减少逆变器的谐波，提高逆变器的转换效率，是后来的正弦波脉宽调制技术的优化的基本方法。48289

20世纪70年代后期，对功率场效应管的利用进入了一个新的阶段，这标志着在在高频化进程中，电力半导体器得到了一次重要的发展。

20世纪80年代，人们又通过降低对电力半导体器件的导通电阻、扩大电流和电压、消除寄生效应和集成化驱动电路等方面的大量研究，在电力半导体的发展上取得了重要的发展。功率场效应管中使用最多的是垂直双扩散金属-氧化物半导体场效应晶体管（VDMOS）。它的工作频率很高，能够达到几十至几百kHz，低压管甚至能达到MHz。其开关损耗也很小，安全工作区很宽，基本不存在二次击穿的问题。漏电为负温度特性所以方便并联。输入阻抗高也是它的优点之一。就是由于功率场效应管的这么多优点，它才能成为电力电子技术高频化中赖以发展的主要器件中的重要组成部分。80年代最突出的电力电子器件的成就就是开发出了双极性复合型器件。这种器件是非常理想的高压、高频大电流器件，拥有MOS器件和双极性器件的突出优点。目前MOS栅控晶闸管MCT和绝缘栅双极性晶体管IGBT复合器件是被认为最有发展前途的电力电子器件。

80年代中期，人们将电力电子技术和微电子技术结合，制造出了高压功率集成电路（HVIC）和智能功率集成电路（smart power IC），标志着电力电子技术向着微型化的方向发展。这两种功率集成电路的制造是利用微电子技术将主电路、驱动电路和控制电路等电路集成在一个芯片上，大大减少了整个系统的体积，所以为后来逆变器的高频化和高性能的发展提供了坚实的基础。

另外，问世于80年代中期的高压功率集成电路（HVIC）和智能功率集成电路（smart power IC）是电力电子技术的又一重要发展，现已展现出极其诱人的应用前景。它们是在制造过程中，将电力电子电路同微电子电路一起集成在一个芯片上或是封装在一个模块内产生的。它们是电力电子同微电子技术紧密结合的产物，是今后微型化电力电子装置的发展方向。总之，80年代飞速发展起来的场控器件和功率集成电路为实现逆变电源的高频化和高性能提供了物质基础。

1961年，A.Schonung和H.Stemmler提出在逆变技术中引入通信系统调制技术论文网，于是正弦波脉宽调制技术(Sinusoida-PWM，简称SPWM )诞生了。但是当时的开关器件速度太慢导致这个技术并未得到很好的推广与发展。直到1975年才由S.R.Bowes等把SPWM技术正式应用到逆变技术中，使逆变器的性能大大提高，并得到广泛应用和发展，也使SPWM技术达到了一个新的高度。在这之后，各种例如空间矢量PWM、随机PWM、电流滞环PWM等不同PWM技术相继出现，主导了高速开关器件的控制方式。也使正弦波逆变技术的发展得到基本的完善

在PWM逆变器中，占主要部分的是输出变压器和交流滤波电感，这两个器件的体积和重量太大，导致了逆变器的功率密度的减少。所以为了提高功率密度，就要提高PWM逆变器开关频率来减少输出变压器和交流滤波电感的大小，这就是我们所说的逆变器高频化发展。但是高频化也会出现一些问题，比如，增加开关损耗，增大电磁干扰，电容的等效串联电阻问题，导体的集肤效应和邻近效应问题等。其中最主要的是开关损耗和电磁干扰问题。解决这些问题有两个最有效的办法：一是提高开关器件速度，二是使逆变器的开关工作在软开关状态。1970年，F.C.Schwarz提出了电流谐振技术；1975年，N.O.Sokal提出了电压谐振技术，这两项技术都是采用了电容电感与开关器件共同组成一个串联谐振回路或并联谐振回路，在一个开关周期中，利用回路的全谐振使器件工作在串联谐振或并联谐振的软开关状态，从而减小把开关损耗。这是最早的软开关方式。20世纪80年代初，VPEC提出了准谐振变换技术，这种技术是对谐振技术的改进，即将电容电感回路在一个开关周期中的全谐振，改变为使软开关与PWM技术的结合的半谐振或部分谐振，并在DC/AC变换器中普遍采用。将软开关技术与PWM逆变器结合，把电容电感与开关器件组成一个谐振网络，使PWM逆变器在一般状态下不会谐振，在开关转换过程中才会产生谐振，实现软开关的转换，使它既能保持PWM逆变器的特点，有能够实现软开关的工作。这就是脉宽调制PWM (Pulse-Width Modulation)软开关技术，也是软开关技术研究的最终目。PWM软开关技术是一项理论性很强的研究工作，对它的研究有利于提高逆变器性能和进一步推广逆变器的应用，以及对逆变技术的发展，都有着十分重要的意义，是当前逆变器的发展方向之一，也是电力电子学领域最活跃的研究内容之一，是实现电力电子高频化的最佳途径。