單相逆變器的工作原理講解

在讀大學(xué)的時(shí)候，開關(guān)電源這門課，在我映像里都是寫鋪天蓋地推導(dǎo)公式，讓人看得眼花繚亂，精髓真的很難把握，同感的舉個(gè)爪!其實(shí)開關(guān)電源這門課真的很實(shí)用，大到航天電網(wǎng)，小到家電玩具，各個(gè)角落都有它的身影，別不信，你現(xiàn)在玩的電腦或者手機(jī)里都有它的存在。

開關(guān)電源真的很有趣，在開關(guān)管、二極管、電感、電容、電阻的配合下，就把一種電源變?yōu)榱硪环N電源，滿足各種電器設(shè)備的使用。

開關(guān)電源的種類有很多，主要分三類DC-DC(直流電源轉(zhuǎn)化為直流電源)、AC-DC(交流電源轉(zhuǎn)化為直流電源)、DC-AC(直流電源轉(zhuǎn)化為交流電源)，這只是開關(guān)電源的幾種類型，在每種類型下，又各自有很多種電路，比如DC-DC類，它又分為boost電路(升壓電路)、buck電路(降壓電路)、flyback電路(buck類)、cuk電路、buck-boost電路等，各種電路都有各自的特性和作用。

今天我們展示的內(nèi)容是開關(guān)電源中的DC-AC類，也就是我們常說的逆變器，逆變器的作用即使把直流電變?yōu)樾枰慕涣麟?。說到這里，有人會(huì)問我，逆變器的運(yùn)用場景有什么呢?

逆變器的重要運(yùn)用之一就是可以用來給交流電機(jī)調(diào)速，只要改變電機(jī)的勵(lì)磁線圈中的勵(lì)磁電流的頻率，那么電機(jī)中的磁場頻率旋轉(zhuǎn)頻率也在變，磁場頻率在變，那么電機(jī)的轉(zhuǎn)速就會(huì)改變。

逆變器的另一個(gè)重要的運(yùn)用是工業(yè)冶煉爐，冶煉爐的爐體通過帶高頻電流的線圈作用進(jìn)行升溫(渦流效應(yīng))，進(jìn)而對(duì)爐內(nèi)的礦物進(jìn)行冶煉。

除此之外，逆變器還運(yùn)用在新能源設(shè)備的發(fā)電上，新能源包括太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電、海浪發(fā)電等，這些設(shè)備的都是把自然界的其他形式的能量轉(zhuǎn)化為電能，這個(gè)電能除了自己的用電設(shè)備使用外，還可以把電賣給電網(wǎng)，嘿嘿，是不是發(fā)現(xiàn)了一個(gè)賺錢之道!但是你賣電之前要做的事就是要把你發(fā)的電調(diào)制成電網(wǎng)要求的形式，比方說330KV/50HZ，如果你不按要求調(diào)制的話，那么你發(fā)的電就賣不出去了，至于賣不出去的原因大家可以百度下，這里不是我介紹的重點(diǎn)，你只需要知道，你發(fā)的電質(zhì)量太差，頻率和幅值都是不穩(wěn)定的，直接輸送電網(wǎng)會(huì)對(duì)電網(wǎng)和電網(wǎng)上的設(shè)備造成危害。在調(diào)制過程中就使用到逆變器，他把各式各樣的發(fā)電設(shè)備發(fā)出來并轉(zhuǎn)化成直流電進(jìn)行頻率調(diào)制，頻率調(diào)制好后的交流電在通過電力變壓器進(jìn)行升壓，最終就實(shí)現(xiàn)了新能源設(shè)備發(fā)的電傳輸?shù)诫娋W(wǎng)。

逆變器真的很好玩，直接把直流電轉(zhuǎn)化為交流電。

逆變器的整個(gè)工作原理是什么樣的呢?

今天的講解我這里就只用單相逆變器進(jìn)行闡述了，因?yàn)槲业碾娔X太卡了，只能仿真簡單的，復(fù)雜的運(yùn)行不起來，大家諒解下。

單相逆變器的原理就是一個(gè)H橋，該電路由四部分組成，15V直流源、4個(gè)開關(guān)管(M1、M2、M3、M4，M1和M4是PMOS管，M2和M3是NMOS管)、電感L1、開關(guān)管控制電源(PWM1、PWM2，PWM1和PWM2的控制邏輯相反)

實(shí)驗(yàn)電路

H橋的原理就是四個(gè)開關(guān)管在同一個(gè)時(shí)刻，只有對(duì)角上的兩個(gè)管子導(dǎo)通，另一個(gè)對(duì)角上的兩個(gè)管子處于關(guān)斷，下一個(gè)時(shí)刻兩個(gè)對(duì)角的管子的開通和關(guān)斷的邏輯相反，比如說，t=0s時(shí)，M1和M3處于開通狀態(tài)，M2和M4處于關(guān)斷狀態(tài);t=0.5s時(shí)，M2和M4處于開通狀態(tài)，M1和M3處于關(guān)斷狀態(tài)。根據(jù)上面的講解，那么我們就知道，控制M1和M3的控制信號(hào)的邏輯要一致，控制M2和M4的控制信號(hào)的邏輯要一致，并且控制M1和M3的信號(hào)的邏輯與控制M2和M4的信號(hào)的邏輯要相反。

如果4個(gè)開關(guān)管都是NMOS的情況，我們直接按照上面的講解的邏輯直接驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，但不幸的是，我們搭建的H橋使用的M1和M4是PMOS，而不是NMOS。如果我們使用了NMOS，會(huì)存在一個(gè)問題，M1和M4的地會(huì)隨著電感兩端的電壓變化而變化，該地是浮動(dòng)地，因此要正常驅(qū)動(dòng)M1和M4就要使用一個(gè)帶有浮動(dòng)地的電源，也不是不可以搭建，但是想想自己電腦的配置，瞬間沒了動(dòng)力，因此這里就使用PMOS了，使用PMOS就不用單獨(dú)搭建一個(gè)浮動(dòng)地電源。

PMOS開通要求門極(G)電壓比漏極(D)電壓低10V即可，PMOS關(guān)斷要求門極(G)電壓和漏極(D)電壓一致即可;NMOS開通要求門極(G)電壓比漏極(D)電壓高10V即可，NMOS關(guān)斷要求門極(G)電壓等于漏極(D)電壓即可?？吹竭@里我猜有人會(huì)問，為什么是10V呢?因?yàn)橐话愦蠊β实腗OS管(不分PMOS還是NMOS)的開通電壓一般為兩倍的閾值電壓即可，而一般的大功率的開關(guān)管的閾值電壓的絕對(duì)值大概就是5V左右，因此這里選擇10V。

因此直接綜上，我們加入兩個(gè)PMOS后的控制邏輯如下：M1和M2一致，M3和M4一致，M1和M2與M3和M4控制邏輯相反。

至于控制的信號(hào)產(chǎn)生，我們這里使用一個(gè)三角波和一個(gè)正弦波進(jìn)行比較輸出控制信號(hào)PWM，正弦波是我們逆變輸出的參考波形，這個(gè)參考波形頻率是10HZ，那么也就決定了我們逆變輸出的正弦波的頻率也是10HZ，

參考正弦波

三角波

比較輸出控制波形PWM_1

比較輸出控制波形PWM_1展開細(xì)節(jié)

PWM_1輸出波形的整個(gè)過程中的波形展示

控制波PWM_1和PWM_2的波形展示

控制波PWM_1和PWM_2的波形細(xì)節(jié)展示

逆變輸出正弦波展示

逆變輸出正弦波細(xì)節(jié)展示

我們可以從上面的仿真輸出結(jié)果看出，輸出的正弦波的幅值為200多安培，注意逆變器輸出的是電流型的正弦波，不是我們正常說的電壓正弦波!逆變的過程就是利用了電感的電流不能突變的原理，根據(jù)我們高中的知識(shí)，電感兩端的電壓和電流滿足要求：

UL=L*di/dt

兩邊同時(shí)對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分得：IL=Ut/L

電感兩端的電壓是常量，也就是我們的直流電源15V，UL=15V(忽略開關(guān)管的壓降)，t是每次開關(guān)管的開通的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間是變化的，從上面的PWM波就可以看出來，L就是我們的電感0.3mH，根據(jù)上面的公式就可以計(jì)算出每一次開關(guān)后電感上面的電流變化的大小，電流變化的情況可以從最后一幅圖中看出，逆變輸出的波形上面的鋸齒狀的變化就是每次開關(guān)管造成的電感的電流的變化，電感越小電流變化的越明顯，我們把電感從0.5mH變?yōu)?.05mH的輸出波形如下，明顯看出電感的電流變化更大了，也可以說輸出的正弦波的紋波更大了。

0.05mH的輸出波形

從上面的演示結(jié)果來看，逆變的原理是不是更清晰了。逆變沒有那么復(fù)雜，主要就是通過開關(guān)管搭建的回路讓直流電源短時(shí)間給電感充放電，電感天生擁有電流不會(huì)突變的特性，這就意味著電感每次開關(guān)只會(huì)讓電感上的電流小幅度變化，這就是DC-AC的精妙之處。我也不是光說不練的假把式，我曾經(jīng)開發(fā)過風(fēng)電的IGBT驅(qū)動(dòng)器，做過連續(xù)功率、雙脈沖、短路等強(qiáng)功率試驗(yàn)，對(duì)這些還是基本能運(yùn)籌帷幄，我這次目的就是想讓大家好好了解下逆變器的原理，希望我的經(jīng)驗(yàn)助你進(jìn)步一臂之力!