工作频率的增加如何导致逆变器电路的尺寸减小?

电器工程 逆变器 高频
2022-01-27 04:51:02

我在一本教科书中读到关于逆变器的内容,作者说

如果提高工作频率,可以在一定程度上降低电路的尺寸和成本,但必须使用成本较高的逆变级晶闸管。

频率的增加如何影响逆变器电路的尺寸(或者它是否也会影响电路的其余部分?)。是否有一些物理因素导致了这种情况?

3个回答

最大的单一因素通常是电感器尺寸。例如,如果您将频率加倍,则通常可以将电感减半(因为纯电感器的阻抗与频率成正比)。在实践中,有许多因素适用,因此它不是直接的线性关系,但足够好。

如果您需要 1A 的峰值电流,那么从 0A 上升到 1A 所需的时间主要与电感和施加的电压有关。如果电感器小 10 倍,则电流以大约 10 倍的速率上升。放电时间也同样加快,整个周期更快,因此工作频率更高。您可以将其视为导致更高频率操作的较小电感器或允许更小电感器的更高频率。

如果文本在这种情况下提到晶闸管,它可能是旧的,或者正在处理极高的功率水平。如今,对于大多数用途,逆变器通常使用 MOSFET 或 IGBT。最大的逆变器可能仍使用闸流管阀 - 例如用于直流海底电缆的直流到交流电源转换的许多兆瓦单元。

在典型的便携式现代应用中,可能在 10 多年前以 100 kHz 或更低频率运行的逆变器现在可以在 500 kHz 至 2 MHz 下运行,并且少数再次以更高的频率运行。在 1 MHz+ 和几瓦的功率水平下,电感器尺寸可能是 100 kHz 时尺寸的 10%-20%,电感器可能仍占整体尺寸的主导地位。


请注意,载流能力 ~ 与导线面积成正比,但电感与匝数的平方成正比。这并不意味着磁芯尺寸仅随频率的平方而变化,因为您会遇到磁芯横截面、磁芯路径长度、绕组窗口尺寸等问题以增加乐趣。

更高频率的使用需要更小的电容器、物理上更小的电感器/变压器及其磁芯,因此减小了设计的整体尺寸。

  • 容抗,因此对于所需的任何给定电抗(滤波等),较高的频率允许较低的电容XC=12πfCfC
  • 感抗同样,对于任何给定的电抗,较高的频率允许较小的电感XL=2πfLfL

另一方面,根据预期用途,高频逆变器可能不适合该用途:对于家用电源逆变器,大多数设备都需要至少接近电源频率的输出。

一些正弦波逆变器解决这个问题的方法是在更高的频率下运行,从千赫到兆赫,并通过 PWM 生成正弦波形。因此,大部分电力传输发生在较高频率,最后一级低通滤波器从 PWM 信号中去除高次谐波,并留下所需的 50 / 60 Hz 的平滑正弦波。

我遇到了同样的问题,这就是我发现的:

XL = 2πfL
Z= (R2 + XL )1/2
I= V/Z

当 f 增加时,XL 增加。
当 XL 增加时,Z 增加。
I 与 Z 成反比,因此当 Z 增加时,I 减小。
因此,频率的增加会导致电流的减少。