逆變電源基本原理解析

1 逆變電源基本原理

1.1 半橋式逆變電路

??從直流電源中獲取交流電能，有多種方式，但至少需要兩個功率開關器件，如圖1所示的半橋式逆變電路是單相逆變電源的一種拓撲結構。此電路由兩個串聯的功率開關和兩只串聯的電容組成。兩只串聯電容的中點為參考點。電路工作原理如下：當V1導通V2關斷時，電容C1上的能量釋放到負載R上，輸出電壓Uo為正，同時電容C2充電；當V1關斷V2導通時，電容C2上的能量釋放到負載R上，輸出電壓Uo為負，同時電容C1充電。開關管V1、V2交替導通使得負載獲得交流電能。

??半橋式逆變電路的優點是電路結構簡單，兩個電容的串聯中心作為中性參考點，這樣不會帶來直流分量和磁偏，適合帶動變壓器負載。其不足之處在于，當電路工作在工頻(50Hz- 60Hz)情況下，所需電容的容量比較大，增加電路的體積和成本。

圖1 半橋式逆變電路

1.2 全橋式逆變電路

??在大學生電子設計競賽中，全橋式逆變電路是應用最廣泛的一種電路。下面以下圖圖2(a)的單相全橋逆變電路說明全橋式逆變電路的基本原理。單相全橋逆變電路也稱為‘H橋’電路，由四個功率開關管及其驅動輔助電路構成，工作時Q1與Q4通斷互補、Q2與Q3通斷互補。當Q1、Q3閉合，Q2、Q4斷開時，負載電壓Uo為正;當Q1、Q3斷開，Q2、Q4閉合時，負載電壓Uo為負，Uo波形如圖2(b)所示。Q1、Q3和Q2、Q4交替導通，使得負載上獲得交流電能。當負載不是純電阻時，負載電壓和負載電流不是同相位，這時開關管的寄生二極管D1-D4則起著電流續流的作用。

圖 2

??與半橋式逆變電路相比，全橋式逆變電路開關管數量增加了一倍，意味電路復雜度和成本也會增加。但是在相同的開關電流下，全橋電路的輸出功率是半橋電路的兩倍，因此全橋電路更適合于大功率應用場合。### 1.3 PWM控制技術

??在電力電子發展史上，逆變電源占據非常重要的一環，而PWM控制技術在逆變電路中應用最廣泛，對逆變電路的影響也最為深刻。現在大量應用的逆變電源絕大多數都是PWM型逆變電源。正是由于在逆變電源中的應用，PWM技術才會發展得比較成熟，才確定了它在電力電子技術中的重要地位。

??PWM控制就是對脈沖的寬度進行調制的技術。即通過對一系列脈沖的寬度進行調制，來等效地獲得所需要波形(含形狀和幅值)。PWM控制技術的理論基礎為：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環節的輸出響應波形基本相同。如下圖3(a)(b)和(c)所示的三個波形分別為矩形波脈沖、三角波形脈沖以及正弦波形脈沖，顯然它們的形狀完全不同，但是面積完全相同，如果把它們分別加在具有同一個慣性的環節上時，其輸出作用完全相同。

圖3

?**?如果用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波，也就是說把正弦半波分成N等份，然后把它看成N個首尾相連的脈沖序列，而這些被平分的波形寬度完全相等，但幅值卻不相等。然后用矩形脈沖代替這些被平分的N份波形，矩形脈沖同樣被要求幅度相等，而寬度不相同，但是要保證它們的中點完全重合，面積與N份波形相同，這樣就可以得到脈沖序列，如下圖圖4所示。根據上述分析，PWM 波形和正弦半波是等效的，對于負半周也可以用同樣的方法得到該PWM波。這種新產生的PWM波叫做SPWM波。**

圖4 SPWM

2 多相逆變電路與控制方法

??在歷年的全國大學生電子設計競賽中，對逆變電源的考察主要以多相的形式出現。如2005年G題三相正弦波變頻電源，2017年微電網模擬系統。在全國大學生電子設計競賽電源方向的培訓中，多相逆變電源設計制作必不可少的，其中三相逆變電源最主要的。

2.1 三相基本概念

??（1）**三相交流電：是電能的一種輸送形式，是由三個頻率相同、振幅相等、相位依次互差120°的交流電勢組成，分別為A、B、C三相。**三相電的波形圖和矢量圖如下圖所示。

??（2）星形接法和三角形接法

?? 星形接法：也稱Y型接法 ，如下圖圖5(a)所示每一相的負載的一端都接在公共點上。公共點為中性點，N為中性線。

圖5

?? 三角形接法 ：如下圖圖6(b)所示，每一相的負載首尾相連,形成三角形接法。每一種接法有不同的應用場合，Y形接法用來為家庭和辦公中使用的日常單相設備供電，三角形接法最常用的情況是為功率較高的三相工業負載供電。

圖6

??（3）線電壓、線電流、相電壓和相電流

?? 線電壓 ：三相供電系統兩線之間的電壓。如下圖圖7(a)Y型接法ABC三線間的電壓Uab ，Uac，Ubc。

?? 相電壓 ：三相供電系統ABC三相分別對中性線的電壓。如下圖圖7(a)Y型接法ABC三相電壓Uan，Ubn，Ucn。

?? 線電流 ：線電流是三相電源中每根導線中的電流為線電流。如下圖圖7(a)Y型接法中ia，ib，ic。

?? 相電流 ：相電流是指三相電源中流過每相負載的電流。如下圖圖7(a)Y型接法中ian，ibn，icn。

??在Y型均衡接法中，線電壓和相電壓之間是呈現等邊三角形關系，如下圖圖8所示的電壓矢量圖。線電壓等效于等邊三角形的三邊，相電壓等效于等邊三角形的中心與頂點的連線。三個線電壓是對稱的：大小相等，為相電壓的 倍，相位領先對應的相電壓30度，互成120度。而線電流和相電流相等。

??在三角形接法中，線電壓與相電壓是相等的，線電流和相電流的關系和Y型接法中線電壓和相電壓的關系一樣。

圖7

圖8

??（4）三相負載功率計算

??三相負載上的總功率等于每相負載的功率之和，而每相負載功率等于該相的相電壓、相電流和該相的功率因素的乘積。

Y型對稱接法中：總功率P=3X相電壓X相電流X功率因素cosφ

由Y型接法中線電壓和相電壓，線電流和相電流之間的關系，可以得到：

總功率 P= 根號2倍X線電壓X線電流X功率因素cosφ。

2.2 三相有源逆變電路

??圖9為三相有源逆變電路結構，可看做由三個半橋組成，取三個半橋中間點作為三相的輸出。用三個互差120°的正弦波與高頻三角載波進行比較，每路結果再經反相器產生與原信號相反的控制波，分別控制上下橋臂MOS的導通與關斷。這樣產生的六路SPWM波分別控制六個MOS的通斷，從而在負載端產生與調制波同頻的三相交流電。(圖10的電路原理圖可以根據圖中的參數拿來直接用)

圖9 理論設計圖