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(gè)功率開(kāi)關(guān)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此電路由兩個(gè)串聯(lián)的功率開(kāi)關(guān)和兩只串聯(lián)的電容組成。兩只串聯(lián)電容的中點(diǎn)為參考點(diǎn)。電路工作原理如下：當(dāng)V1導(dǎo)通V2關(guān)斷時(shí)，電容C1上的能量釋放到負(fù)載R上，輸出電壓Uo為正，同時(shí)電容C2充電；當(dāng)V1關(guān)斷V2導(dǎo)通時(shí)，電容C2上的能量釋放到負(fù)載R上，輸出電壓Uo為負(fù)，同時(shí)電容C1充電。開(kāi)關(guān)管V1、V2交替導(dǎo)通使得負(fù)載獲得交流電能。

??半橋式逆變電路的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，兩個(gè)電容的串聯(lián)中心作為中性參考點(diǎn)，這樣不會(huì)帶來(lái)直流分量和磁偏，適合帶動(dòng)變壓器負(fù)載。其不足之處在于，當(dāng)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(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中，全橋式逆變電路是應(yīng)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(shuō)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(gè)功率開(kāi)關(guān)管及其驅(qū)動(dòng)輔助電路構(gòu)成，工作時(shí)Q1與Q4通斷互補(bǔ)、Q2與Q3通斷互補(bǔ)。當(dāng)Q1、Q3閉合，Q2、Q4斷開(kāi)時(shí)，負(fù)載電壓Uo為正;當(dāng)Q1、Q3斷開(kāi)，Q2、Q4閉合時(shí)，負(fù)載電壓Uo為負(fù)，Uo波形如圖2(b)所示。Q1、Q3和Q2、Q4交替導(dǎo)通，使得負(fù)載上獲得交流電能。當(dāng)負(fù)載不是純電阻時(shí)，負(fù)載電壓和負(fù)載電流不是同相位，這時(shí)開(kāi)關(guān)管的寄生二極管D1-D4則起著電流續(xù)流的作用。

圖 2

??與半橋式逆變電路相比，全橋式逆變電路開(kāi)關(guān)管數(shù)量增加了一倍，意味電路復(fù)雜度和成本也會(huì)增加。但是在相同的開(kāi)關(guān)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(yīng)用場(chǎng)合。### 1.3 PWM控制技術(shù)

??在電力電子發(fā)展史上，逆變電源占據(jù)非常重要的一環(huán)，而PWM控制技術(shù)在逆變電路中應(yīng)用最廣泛，對(duì)逆變電路的影響也最為深刻。現(xiàn)在大量應(yīng)用的逆變電源絕大多數(shù)都是PWM型逆變電源。正是由于在逆變電源中的應(yīng)用，PWM技術(shù)才會(huì)發(fā)展得比較成熟，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位。

??PWM控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要波形(含形狀和幅值)。PWM控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)為：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，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(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。如下圖3(a)(b)和(c)所示的三個(gè)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(gè)慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，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(lái)代替一個(gè)正弦半波，也就是說(shuō)把正弦半波分成N等份，然后把它看成N個(gè)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(diǎn)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(jù)上述分析，PWM 波形和正弦半波是等效的，對(duì)于負(fù)半周也可以用同樣的方法得到該P(yáng)WM波。這種新產(chǎn)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(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中，對(duì)逆變電源的考察主要以多相的形式出現(xiàn)。如2005年G題三相正弦波變頻電源，2017年微電網(wǎng)模擬系統(tǒng)。在全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽電源方向的培訓(xùn)中，多相逆變電源設(shè)計(jì)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(gè)頻率相同、振幅相等、相位依次互差120°的交流電勢(shì)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(fù)載的一端都接在公共點(diǎn)上。公共點(diǎn)為中性點(diǎn)，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(fù)載首尾相連,形成三角形接法。每一種接法有不同的應(yīng)用場(chǎng)合，Y形接法用來(lái)為家庭和辦公中使用的日常單相設(shè)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(yè)負(fù)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(tǒng)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(tǒng)ABC三相分別對(duì)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(dǎo)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(guò)每相負(fù)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(xiàn)等邊三角形關(guān)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(diǎn)的連線。三個(gè)線電壓是對(duì)稱的：大小相等，為相電壓的 倍，相位領(lǐng)先對(duì)應(yīng)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(guān)系和Y型接法中線電壓和相電壓的關(guān)系一樣。

圖7

圖8

??（4）三相負(fù)載功率計(jì)算

??三相負(fù)載上的總功率等于每相負(fù)載的功率之和，而每相負(fù)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(duì)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(guān)系，可以得到：

總功率 P= 根號(hào)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(jié)構(gòu)，可看做由三個(gè)半橋組成，取三個(gè)半橋中間點(diǎn)作為三相的輸出。用三個(gè)互差120°的正弦波與高頻三角載波進(jìn)行比較，每路結(jié)果再經(jīng)反相器產(chǎn)生與原信號(hào)相反的控制波，分別控制上下橋臂MOS的導(dǎo)通與關(guān)斷。這樣產(chǎn)生的六路SPWM波分別控制六個(gè)MOS的通斷，從而在負(fù)載端產(chǎn)生與調(diào)制波同頻的三相交流電。(圖10的電路原理圖可以根據(jù)圖中的參數(shù)拿來(lái)直接用)

圖9 理論設(shè)計(jì)圖