逆變器輸出的方波與正弦波

逆變器

逆變器是一種能把直流電(電池、蓄電池)變成交流電(市電)的一種設備，廣泛應用于空調、電腦、照明等等電器的使用，通常是在外出旅游或者工作時，用逆變器連接蓄電池產生交流電，從而供給需要交流電工作的儀器或電器來使用,逆變器的輸出功率從幾十瓦到幾千瓦的產品都有。

(A)逆變器的工作原理

想要把交流電(AC)變成直流(DC)是很容易實現的，只需要一個二極管就組成一個最簡單的整流電路; 但是，如果我們想要把直流電變成交流電就沒有那么簡單了,交流電的大小和方向是會隨時間作周期性的變化的，我們所用的市電，是呈現正弦函數規律變化的. 先看看方波交流電，下圖所示就是方波交流電的波形。

其實，舊式逆變器輸出的交流電是上面這種方波形式的交流電，方波交流電適用于一些要求不高的設備使用,先來看一下直流電是怎樣變成方波交流電的,在下圖中，當開關S1和S4都閉合時，電流的方向是這樣的。

而當S2和S3閉合時，電流方向是這樣的,可以看到負載上電流的方向發生了變化，產生的是方波交流電。

我們知道市電的頻率是50Hz的，這就意味著我們每秒打開和關閉開關要100次，我們可以使用半導體開關(MOS管)來控制電路的通斷，如下圖，在A、B、C、D點輸入控制信號，就能控制MOS管的導通與截止了，從而改變負載的電流的方向，輸出方波交流電。

(B )脈沖寬度調制

PWM是Pulse Width Modulation的縮寫，翻譯成中文叫脈沖寬度調制，是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術。

PWM基本原理

簡單的講無論是什么形狀的電壓波形只要波型與坐標軸t圍成的陰影面積相同則產生的效果(平均輸出電壓)是一樣的. 這就是面積等效原理.

上圖正弦波和方波輸出的平均電壓是一樣的

(1)PWM的占空比

一般常用的PWM是矩形脈沖(方波)形式的波形，下圖所示是一個幅度為5V，頻率為50Hz的方波。

占空比：是指高電平占整個周期的比例,如上圖的PWM中，在這個周期內，高電平占的比例是50%，所以占空比就是50%,在PWM頻率一定的條件下，通過改變占空比的大小，就可以實現改變輸出電壓的大小; 比如占空比為100% 時，輸出電壓為5V，占空比為0時，輸出電壓為0，當我們想要輸出2.5V電壓時候，只要將占空比改變成50%就能實現。

(2)分辨率 ：

是指PWM最小能達到的值，意思就是把一個周期的時間分成了多少份，如果是10份，那么占空比的精度就為10%。 如果分成1000份，那么占空比的精度就為0.1%。

(C) 純正弦交流電

了解了逆變器產生方波交流電的基本原理，方波輸出的逆變器效率高，雖然可以適用于許多電器，但部分電器就不適用,因而就需要采用純正弦交流電輸出的逆變器了，下面我們來看一下逆變器是怎樣產生純正弦交流電的。

如上圖所示，PWM的占空比是按正弦規律變化的，在需要電壓幅值大的地方就產生占空比大的PWM，在電壓幅值小的地方就產生占空比小的PWM,在短時間內，PWM平均輸出電壓的大小如紅線所示，可以看到，波形已經產生近似于正弦波的波形了,如果PWM越精確，那么正弦波的波形就會越平滑。

像這種脈沖寬度時間占空比按正弦規律排列的調制脈沖方式稱為SPWM，現在的問題是，我們怎樣產生這種正弦規律的SPWM?

過去采用模擬電路產生這種調制信號，精密而高速的電壓比較器對載波和調制波進行比較，當兩電壓相同時及時控制開關晶體管進行通斷切換，但模擬電路結構復雜，也難以實現精確的控制。

現在已有專用的集成電路用來產生上面這種調制信號，微處理器僅對其發出輸出頻率、電壓等參數就可產生高精度控制信號，輸出完好的正弦波，微處理器就有很多時間對整個逆變器進行檢測、保護等控制,這種方式電路簡單、效果好、可靠性高，是目前廣泛使用的控制方法,純正弦波SPWM芯片有：BC5016/BC6016、U3988/U3990、HT1112/ HT1215等。

審核編輯：湯梓紅