逆变器中的变压器和电感器

逆变器中的电磁元件有五个部分：工频变压器、高频变压器、驱动变压器、滤波电感器、贮能电感器和正激变压器。

1 工频变压器

在逆变器采用工频变压器绝缘的主电路中，起绝缘及功率变换作用的电磁元件是工频变压器。磁芯多数采用冷轧取向硅钢E型冲片叠装而成。线圈采用高强度漆包铜线。为了降低铁损和铜损，磁芯工作磁通密度取1.1～1.1T，线圈工作电流密度取1.5A/mm2。因此，工频变压器体积大，重量重。从国外的工频变压器绝缘方式的光伏发电用逆变器的样机来看，其中工频变压器约占逆变器总重量的50％，逆变器总效率约为90％左右。据报导，美国的10kVA工频变压器绝缘的太阳光发电站用逆变器，工频变压器采用铁基非晶合金卷绕式磁芯，铁损只有冷轧取向硅钢叠片式磁芯的1/5，总体效率可以达到95％。工作磁通密度取1.3T，体积和重量比硅钢磁芯还小。因此，可以预测在10kVA以上的太阳光发电站中，由于开关器件工作电流大，开关频率不宜高，而采用工频变压器绝缘的逆变器，其工频变压器采用铁基非晶合金卷绕式磁芯或者搭接式磁芯，效率高，成本也比较低，是一种综合指标较好的方案。



2 高频变压器

在逆变器采用高频变压器绝缘的主电路中，起绝缘及功率变换作用的电磁元件是高频变压器，多数采用MnZn软磁铁氧体作为磁芯。高频变压器绝缘的逆变器大量用于家庭太阳光发电站。其开关器件采用IGBT，工作频率20～40kHz，处于高频范围的低端，并不能充分发挥MnZn软磁铁氧体的优点。因此，可以考虑另一种方案，采用铁基非晶合金环型和CD型磁芯来制作逆变器中的高频变压器。

例如，新开发的铁基含钴非晶合金1K104，其饱和磁通密度1?86T，居里温度457℃，磁致伸缩系数1.49×10－6。热处理后，在200kHz/0.2T下损耗为3.7W/kg，20kHz/0.5T下损耗为25.6W/kg，40kHz/0.5T下损耗小于40W/kg。而MnZn软磁铁氧体，其饱和磁通密度0.4T，居里温度180℃，磁致伸缩系数为14×10－6，在20kHz/0.2T下损耗为12.5W/kg。从这两种材料性能对比可以看出，采用1K104铁基非晶合金太阳光发电站用高频变压器，工作磁通密度高，可达0.5T，它的体积和重量比软磁铁氧体小，总损耗小，效率比软磁铁氧体高。它的居里温度高，在－70℃～＋100℃范围内受温度变化影响比软磁铁氧体影响小。它的磁致伸缩系数小，产生的电磁干扰比软磁铁氧体低。因此，是工作频率为20kHz～40kHz逆变器中高频变压器比较理想的磁芯材料。

3 驱动变压器

在逆变器中，进行信号变换和驱动开关器件的电磁元件是驱动变压器。工频驱动变压器采用冷轧取向硅钢冲片叠装磁芯。高频驱动变压器采用MnZn软磁铁氧体磁芯。驱动变压器参数与采用的驱动电路有关。图5是一种驱动IGBT的电路原理与相关波形图。驱动变压器原边和副边都工作在正弦波电压下，在正弦波电压高于门限电压时，IGBT导通，低于门限电压时，断开。稳压器Dz决定门限电压Vth的大小，使它与副边输出电压幅值相近，从而使开关器件导通接近180°。在这种驱动电路中，工作在正弦波电压下的驱动变压器损耗小，体积和重量也小，不会产生电磁干扰。
作为高频SPWM逆变电路中的驱动变压器，载波频率一般都高于20kHz，还要进行正弦脉冲宽度调制（SPWM）。驱动电路和驱动变压器比图5中要复杂一些，但是，设计原则仍然是减小损耗，降低体积、重量和制造成本。一般都采用MnZn软磁铁氧体磁芯来制作SPWM驱动变压器。

4 滤波电感器

在逆变器中，起消除直流和交流中高次谐波作用的电磁元件是滤波电感器。直流滤波电感器接在逆变器的输入端，要承受直流和交流的叠加，工作电流大，电感也大，要求磁芯具有恒磁导特性，至少是同样参数的交流滤波电感器容量的2倍。交流滤波电感器只承受交流，磁芯中磁通双向工作，不要求具有恒磁导特性，磁导率远大于直流滤波电感器，一般与电容器组成π型或者T型滤波电路，主要针对高次谐波含量最大的3次谐波来设计。直流滤波电感器可采用铁粉芯，交流滤波电感器采用取向硅钢和非晶合金。



5 贮能电感器和正激变压器

在逆变器采用无变压器无绝缘的主电路中，升压部分起贮能和变换作用的电磁元件是贮能电感器。由于它的线圈只有一个绕组，在变换同样容量的条件下，体积和重量都比变压器小。设计时要根据升压电路型式和参数来决定。但是损耗也比变压器小，因此，无变压器无绝缘的逆变器效率高，贮能电感器可采用铁粉芯、取向硅钢和非晶合金。
从无变压器无绝缘的逆变器改进而来的正激变压器绝缘的逆变器中，起贮能和变换及绝缘作用的电磁元件是正激变压器，其设计原则与升压部分贮能电感器类似，只是多了副绕组和恢复绕组，体积和重量比同容量高频变压器大。不过总体效率仍然比采用高频变压器绝缘的逆变器高。具体设计原则仍然是减小损耗，降低体积、重量和制造成本，正激变压器可采用软磁铁氧体和非晶体合金，一般载波频率为20kHz左右。