一种新的有源阻抗源逆变器组，具有更少的元件和跨有源开关的更低电压应力

更小的电源箱与更低的电气应力

从电动汽车到工厂机器人，许多现代设备依赖电子“电源箱”，将稳定的电池电压转换为可控的高电压波形。问题在于，现有设计常常占用空间并对部件施加较大电气应力，这会缩短寿命并提高成本。本文提出了一类新的逆变器电路，它们可以在不改变电源的情况下挤出更多可用电压，同时使内部元件更凉、更少受压，并且整体更紧凑。

为何将直流变为交流如此具有挑战性

逆变器是将电池或电源的直流转换为适用于电机、加热器和工业流程的交流波形的装置。传统设计要么只能降压，要么需要额外的升压级，从而增加体积和复杂性。一种流行的变通方法称为Z源逆变器，它在输入端构建由电感和电容组成的特殊网络，能够在单级内既升压又整形电压。然而，许多此类设计在元件上产生较大的电压摆动、输入电流中断，以及需要大量笨重元件的缺点。这些缺点在真实机器中至关重要，因为体积、效率和可靠性都很关键。

以熟悉部件的新排列方式

作者提出了五种密切相关的电路布局，其核心思想很简单：保留产生输出波形的主功率桥，但将其连接到由仅两只电感、两只电容、两只二极管和一个额外开关组成的“有源阻抗”网络。通过改变输入电源接入该网络的位置，得到五种方案（命名为PT1至PT5），它们在电压增益与电气应力之间做出不同权衡。一个专用的控制方法对开关进行定时，使得在特殊时段内电流在网络内循环以积累能量，而在其余周期内将存储的能量以更高电压推动到输出。该方法避免了额外变压器并保持较低的元件数。

控制方案如何塑造能量流

要使新型逆变器工作，必须用精心设计的脉冲驱动开关。作者提出了一种脉宽调制策略，使用三角载波波形和一对简单的阶跃信号。这些信号的逻辑组合决定何时每相输出桥正常导通以及何时允许短暂的“短路”状态以便有源阻抗网络充能。通过调整处于该特殊状态的时间比例（称为占空比），电路可以平滑地调节输入电压的提升幅度。团队详细分析了每种工作模式，为电感、电容上的电压和各关键通路的电流建立方程，并由此导出选择元件尺寸和预测纹波的设计公式。

对应力、体积与效率的比较

凭借电压增益和电气应力的数学表达式，作者将五种布局与文献中多种知名替代方案进行了比较。他们考察了电容、二极管和开关上的总电压、增益对占空比的依赖程度以及所需电感和电容体积。总体上，新电路在提升电压能力方面匹配或优于先前设计，同时减小了元件上的总电压负担，尤其是在PT3、PT4和PT5拓扑中。由于无源元件可以更小且更少，整体功率密度得以提升。基于仿真的效率测试在不同功率下显示，首个拓扑PT1尤其能够在使用紧凑元件集的情况下达到90%以上的效率。

从方程到实验台上的硬件

这项工作不仅限于纸面设计。团队用常见的电感、电容、二极管和晶体管构建了PT1拓扑的物理原型，并在小型微控制器和栅极驱动器上实现了控制逻辑。对输出电压、内部电容电平、二极管和开关应力以及输入和电感电流的测量与解析模型的预测高度吻合，现实损耗仅导致小幅偏差。进一步实验表明，仅改变占空比即可实时调整输出电压，且输入电流和内部电流保持平滑，有助于降低噪声和发热。

对实际机器意味着什么

简单来说，这项研究展示了如何重新排列熟悉的电子部件，使逆变器能够在不损伤自身元件或增大体积的情况下提供更高且可调的输出电压。所提出的电路特别适合独立的工业系统，例如电镀槽和感应加热器，在这些应用中高频、非正弦波形可接受且不受严格电网标准约束。通过降低电压应力、减少元件数量并保持高效率，这些新的逆变器系列有望为未来工业设备提供更紧凑、更可靠且更具成本效益的电源级。

引用: Ranjbarizad, V., Babaei, E. & Salahshour, S. A new group of active impedance source inverters with lower components and voltage stress across active switches. Sci Rep 16, 11270 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40820-z

关键词: 电力电子学, 阻抗源逆变器, 高电压增益, 工业电力转换, 高能效逆变器