摘要：近年来，400Hz中频交流电大量应用于航空航天、雷达、船舰、冶金等国防工业领域，是国防工业中的重要供电电源，其中最重要的技术就是逆变技术。270V高压直流供电将是飞机电源发展的主要趋势，但目前国内航空二次电源中的静止变流器多集中在低压28V的产品。本文中建立了115V/400Hz的单相和三相航空逆变器仿真模型，前级Boost仿真，将270（）VDC升压到360V，起到升压稳压作用，后级DC/AC直交变换，对输出电压进行稳压稳频控制。通过建立仿真模型，对逆变器输出电压波形进行分析，并分析其影响因素，为航空逆变器的研究奠定基础。

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引言

    为了飞机的安全稳定运行，航空供电系统承担着为飞机的雷达、导航、飞控、环控等关键系统提供高质量电能的任务^[1-3]。400Hz中频逆变交流电是国防工业中的主要供电电源之一，属于特种电源，随着科学技术的不断进步和工业的飞速发展，400Hz交流电已大量应用于航天、雷达、通讯、机车等设备中，其中最重要的技术就是逆变技术^[4-5]。航空配电系统所用115V/400Hz交流电通常由直流逆变所得，由于对电能质量要求较高，所以逆变器必须能输出高质量的电压波形，要求其同时具有高精度、高可靠性及高稳定性。将脉宽调制技术应用于逆变技术，可以有效地解决输出电压谐波含量大和波形失真等问题 ^[6-7]。如今，在工业技术及生产中应用最广泛的是SPWM技术，利用SPWM波形规律性改变的特征来控制逆变电路，输出规则的正弦波^[8]。但由于在SPWM调制波的输出中所含谐波分量较多，因此需要在输出端加滤波器来消除谐波，使输出波形中的谐波分量减少，输出的正弦波更加标准^[9-10]。

自飞机发明后50年里，28V低压直流供电系统以其供电安全可靠、易实现不间断供电，能方便地实现电力的控制，设备总重量轻，电压低、电路设备易制造，系统理论及技术简单、易维护且维护费用低的优点，一直被作为飞机的主要供电系统。但随着需求的增加，现代飞机向着多任务、高自动化的方向发展，从而机械设备也增加，对飞机的供电系统有了更高的要求，低压直流供电系统不再能满足用电要求较高的现代飞机。于是交流供电系统成为研究热点，但直流供电的优势是无法被忽略的，在时机较为成熟的时候，高压直流供电系统结构简单、工作可靠，重量轻，易实现不间断供电，效率高、节能，安全的优越性便体现出来。半导体功率器件，大规模集成电路以及新型材料的发展，为高压直流供电提供了物质及技术的支持。由于200V/115V的三相交流电经整流后为270V直流电压，故高压直流母线电压采用270V，以保证与200V/115V/400Hz的工频交流电源兼容。如今，世界许多国家都在努力研发现代飞机的供配电系统，270V高压直流供电体制以其优越性成为首选方案，并将成为飞机主电源的发展方向，但现在国内航空二次电源中的静止变流器多集中在低压28V的产品，高压 270V 直流输入的产品研究则刚刚开始起步^[11]，所以270VDC输入逆变器的研究对推动我国国防事业和提高我国航空技术水平具有现实而深远的意义 ^[12]。

现在，人们越来越关注逆变器的建模、仿真和CAD研究，已经有了许多通用或专用的电力电子仿真软件（包括器件、装置和系统）。MATLAB是国际上比较流行的系统CAD软件，可以用来求解许多数学工程问题。

本文主要使用MATLAB/Simulink进行仿真，建立了单相和三相逆变器模型，研究了基于SPWM的逆变技术，首先通过Boost升压技术将270（）VDC升压到360V，然后通过LC低通滤波器对逆变后的波形进行过滤，最后进行仿真波形分析，讨论仿真效果及影响输出波形的各种因素。

1  逆变技术

逆变器通过电力电子器件，将直流电变换为交流电，它是整流器的逆向变换器。简单来说，逆变器就是将直流转换为交流的电力电子转换器，它一般由三部分构成，即逆变桥、控制逻辑和滤波电路。随着世界能源的紧缺，能源的优化利用及清洁能源的开发变得越来越重要，逆变技术的应用对于节约能源等方面有着重要的意义，能够大大提高电能的使用效率以及电源的质量。所以，逆变技术在开发和使用新能源中具有极其重要的地位^[13]。

此外，逆变器的应用前景在以下领域极其广泛：

（1）直流电源领域：以直流发电机、太阳能电池、蓄电池及燃料电池为主，例如航空静止变流器（28V或DC270V/AC115V、400Hz）；

（2）交流电源领域：以恒频或变频交流电为主，适用于使用交—直—交变换方式的情况，例如飞机变速恒频电源（变频交流电/AC115V、400Hz）、新型风力发电电源（变频交流电/AC220V 50Hz）和变频电源（AC220V 50Hz/AC115V 400Hz或AC115V 400Hz /AC220V 50Hz）；

（3）不间断电源（UPS）中的核心部件——逆变器等。

1.1  逆变技术的发展过程

1947年，固态电力电子学随着第一只晶体管的诞生而开启。1956年，电力电子学随着第一只晶闸管的问世而诞生，并且开始步入传统发展阶段。此时，继整流器之后，逆变器开始逐步发展起来。1961年，改进型强迫换向式逆变器被W.McMurray与B.D.Bedford提出^[14]。1960年以后，逆变器输出电压波形渐渐地成为人们关注及研究焦点。1962年，正弦波逆变器正式诞生，其标志为A.Kernick提出的“谐波中和消除法”。为了实现谐波最小、转矩脉动最小、效率最优等目标，1963年，“消除特定谐波法”被F.G.Turnbull提出，这一理论为之后的PWM优化法奠定了坚实的理论基础。

20世纪70年代末，全控型器件的迅速发展奠定了逆变器向大容量方向发展的基础。其中最具代表性的全控型器件有电力场效应晶体管（Power-MOSFET）、电力双极型晶体管（BJT）和门极可关断晶闸管（GTO）。到80年代末，复合型器件迅速崛起，其中最具代表性的器件为绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）。至此，脉冲宽度调制技术飞速成长起来，同时，电力电子技术已经步入了从传统到高频化的成长时期。

1964年，将SPWM技术使用到逆变器中的想法被 A.Schonung和H.Stemmler首先提出，但没有被推广起来。1975年，SPWM技术被Bristol大学的S.R.Bowes等人正式应用到逆变技术中，从而，逆变器的性能得到了迅速的提升，SPWM技术的发展达到了一个新的高度。随后电流滞环PWM、注入三次谐波的PWM技术和空间相量调制等各种PWM技术相继出现。至此，PWM逆变技术基本成熟。

人们通常将逆变技术的发展分为以下三个阶段：

1956-1980年，传统发展阶段。这个阶段，逆变器主要采用低速开关器件，开关频率较低，逆变器体积重量大，逆变效率低，主要用多重叠加法来改善逆变器输出的电压波形，此阶段为正弦波逆变技术发展的黎明时期。

1981-2000年，高频化新技术阶段。这个阶段，逆变器主要采用高速开关器件，开关频率较高，逆变器体积重量小，逆变效率高，多用PWM技术改善逆变输出的电压波形，此阶段为正弦波逆变技术发展的成长时期，发展日趋完善。

2000至今，高效低污染阶段。这个阶段，在逆变技术中，人们将低速、高速开关器件共用，在改善输出波形时，多重叠加法与PWM共用，逆变器的综合性能在实际应用中被考虑，开始逐渐形成高效环保的逆变技术。

1.2  当今逆变技术的发展现状

从当今的PWM逆变器发展来看，高频化是它重要的发展方向之一， SPWM逆变器开关频率的提高是减小交流滤波器体积重量最有效的方法，内高频环能够有效地减轻变压器的体积重量，因此能够使交流滤波器与输出变压器体积重的问题得到解决。但逆变器高频化会增大电磁干扰，增加开关损耗。除此之外，还有导体的集肤效应与邻近效应，以及磁元件的寄生参数和电容的ESR也是亟待解决的问题。针对这些现象，最好的解决办法就是提高开关器件速度以及软开关技术。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，两者均通过将LC滤波器与开关元件组成串联或并联回路，使元件工作在零电流或零电压转换的软开关模式，从而把开关损耗降到零。这样的方法固然可以使上述问题被解决，但无法按照PWM方式工作。20世纪80年代初期，美国的弗吉尼亚电力电子技术中心提出将软开关与PWM技术结合在一起，对谐振技术进行了改善， 在LC回路的一个周期内，用半谐振或部分谐振来代替全谐振，即准谐振变换技术。在上述理论基础上，1986年，一种新的逆变方式——直流谐振环软开关逆变技术，被来自美国威斯康星（Wisconsin）大学的D.M.Divan教授提出，1987年，O.D.Patterson，D.M.Divan教授又提出了伪谐振支路（Pseudo-Resonant Pole）软开关技术。此后，全球性软开关逆变技术研究热潮掀起^[15]。

研究软开关逆变技术的主要目的是获得PWM软开关技术，即将软开关技术应用于PWM逆变器中，使其既能够保持原先PWM调制的优点，又能够实现软开关工作。因此，需要把开关器件与LC组成谐振网络，在开关转换过程中产生谐振，实现软开关转换，其他时候则不发生谐振，保持原有特点。

PWM软开关技术是实现电力电子技术高频化的最有效方式，是当今电力电子学领域的研究热点。软开关技术已成为当前逆变器发展的主要方向之一，对优化逆变器性能有着极其关键的作用。但软开关技术只是减少了部分电能损耗或是把损耗转移到谐振元件上，并不会完全没有损耗。采用多重叠加方式获得的PWM多电平输出逆变技术，既能够改善输出电压的波形，又能够实现线性调压与稳压。和传统多电平逆变技术相比较，器件使用数目有所减少。