逆變器是如何將直流電(DC)轉(zhuǎn)變成交流電(AC)的？

開個新坑，記錄下新能源方面的學習過程；

能源是人類永恒的需求，人類的進化史就是一部能源的利用史，從林中的人類學會了使用火，從此成為地球的主宰；第一次工業(yè)革命誕生了蒸汽機，從此工廠的效率大大提升；第二次工業(yè)革命誕生了內(nèi)燃機，從此人類開始了星辰大海的征途；此后百年，再難突破，唯一的希望，在于半導體芯片技術(shù)。

談到芯片大家第一反應是計算機和手機里面的CPU和存儲器；其實相比在信息產(chǎn)業(yè)；芯片在能源產(chǎn)業(yè)的重要程度一點也不遜色，百年未有之大變局，能源結(jié)構(gòu)，能源安全，首當其沖；而能源芯片（功率半導體）正逐步走向舞臺中央。

對現(xiàn)代社會來說，能源中最重要的是電能，對電能的制造和利用決定了一個國家的上限；但是對于電本身，是沒那么好駕馭的，電的使用條件極其苛刻，直流電有大小，而交流電則既有大小，還有方向（正負）。想要隨心所欲控制電能，談何容易。

如何把直流電（DC）轉(zhuǎn)化成交流電（AC）？

如圖，不管是方波，正弦波，三角波，都是交流電，特點是方向周期性改變，而直流電則是方向不變，如何進行轉(zhuǎn)化？

為了簡單理解，我們先從直流轉(zhuǎn)方波入手；

定義電流從左到右為正，t=0秒開始我們閉合開關S2和S3，斷開S1和S4，如圖，我們看到，電流從電池的正級出發(fā)，沿著S2→負載→S3回到負極；那么負載上就流過正向的電流；

如果在t=1秒時我們斷開S2和S3，閉合S1和S4，會發(fā)生什么？

這時電流依然從電池正極出發(fā)，首選遇到S2，不過S2是斷開的，此路不通，S4是閉合的，那么電流只能從S4走，走過S4，發(fā)現(xiàn)S3也是斷開的，又只能走負載和S1回到負極。此時流過負載的電流是從右到左，方向和之前正好相反，是負值。

然后在t=2s時再斷開S1和S4，閉合S2和S3，t=3s時再斷開S2和S3，閉合S1和S4。。。

聰明的你已經(jīng)猜到了，此時負載上的電流就是一個方波，周期為2s，一半時間為正，一半時間為負。

好的，方波我們實現(xiàn)了，那如何實現(xiàn)比較復雜的正弦波呢？

這里需要介紹脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM：pulse width modulation）

這里利用了等效的工程思想，只要在每段足夠小的時間內(nèi)，等效方波的電流效果和正弦波是相同的，那么最終對負載而言，那都是正弦波。

如何等效呢？從上圖我們發(fā)現(xiàn)，核心思想就是調(diào)節(jié)每一段方波脈沖的寬度（就是控制每一段開通和關斷的持續(xù)時間）。

通過精密的計算，我們巧妙低控制每一段脈沖的寬度（時長），讓正弦波一開始的時刻，脈沖寬度小一些，關斷時間長一些，隨著正弦波接近波峰，我們把開通時間放長一些，隨著正弦波再次降下來，我們再把方波的脈寬調(diào)短一些，這樣，通過控制方波的脈寬，我們實現(xiàn)了對正弦波的等效；

圖中藍色線為等效的正弦波，可以看到還是有鋸齒，如果把每一段再劃分得密一些，比如1s內(nèi)發(fā)出10萬個脈沖，每個脈沖寬度都按照對應正弦波的位置來調(diào)整，那么可以得到與正弦曲線幾乎完美對應的效果。

好了現(xiàn)在只剩下一個問題了，怎么實現(xiàn)？舉的例子里面是1s變一次方向，要知道我們一般家用電器都是50Hz，也就是一秒變50次方向，每0.02s變一次方向，而且在每個0.02s內(nèi)的值都是連續(xù)變化的，怎么用來實現(xiàn)呢？總不能用手不停地撥開關吧？

這個時候我們的功率半導體芯片出場了，最典型的是功率MOSFET，它的作用就是一個電子開關！

如圖，開關S1，S2，S3，S4被替換成了4個MOSFET芯片，MOSFET有個特點，就是它的開通關斷是受到柵極控制的，因此，只需要提前編號制定的程序控制柵極，那么就能控制開關順序，從而實現(xiàn)不同脈寬的方波信號，最終實現(xiàn)對正弦波的等效。

當然MOSFET還有一個特點，就是開關頻率可以做到特別快，能做到MHz的水平，也就是說1s內(nèi)開關幾百萬次以上！試想一下，如此精細微小的脈沖寬度，最終作用在負載上的的效果幾乎就和原始的正弦波沒啥區(qū)別了！

以上就是直流電（DC）轉(zhuǎn)交流電（AC）的基本原理，本質(zhì)上是通過開關的順序來完成電流方向的改變，通過開關的閉合時間和斷開時間來實現(xiàn)單個脈沖寬度的控制，許許多多寬度不一的脈沖，對時間進行平均等效，就得到了正弦波的效果。

審核編輯：湯梓紅