單相逆變器工作原理

能夠?qū)⒅绷麟娹D(zhuǎn)換為交流電的電路稱為逆變電路，逆變電路也簡稱為逆變器。按逆變電路輸出交流電壓的相數(shù)不同，可分為單相逆變器、三相逆變器和多相逆變器。

圖3-13a所示為單相橋式逆變器，4個(gè)橋臂由開關(guān)構(gòu)成，輸入直流電壓E，逆變器負(fù)載是電阻R。當(dāng)將開關(guān)S1、S4閉合，S2、S3斷開時(shí)，電阻上得到左正右負(fù)的電壓；間隔一段時(shí)間后將開關(guān)S1、S4打開，S2、S3閉合，電阻上得到右正左負(fù)的電壓。以頻率f交替切換S1、S4和S2、S3，在電阻上就可以得到圖3-13b所示的電壓波形。顯然這是一種交變的電壓，隨著電壓的變化，電流也從一個(gè)支路轉(zhuǎn)移到另外一個(gè)支路，通常將這一過程稱為換相或換流。

在實(shí)際應(yīng)用中，圖3-13a所示電路中的開關(guān)是各種電力電子器件。逆變器常用的開關(guān)器件有：普通型和快速型晶閘管（SCR）、門極關(guān)斷（GTO）晶閘管、功率晶體管（GTR）、功率場效應(yīng)晶體管（P-MOSFET）、絕緣柵雙極型晶體管（TGBT）等。普通型和快速型晶閘管作為逆變器的開關(guān)器件時(shí)，因其陽極與陰極兩端加有正向直流電壓，只要在它的門極加正的觸發(fā)電壓，晶閘管就可以導(dǎo)通。但晶閘管導(dǎo)通后門極失去控制作用，要讓它關(guān)斷就困難了，必須設(shè)置關(guān)斷電路。如用全控器件，可以在器件的門極（或稱為柵極、基極）加控制信號使其導(dǎo)通和關(guān)斷，換流控制自然就簡單多了。

單相逆變器的基本形式

1、半橋逆變器

圖3-14a所示為半橋逆變器原理圖，直流電壓Ud加在兩個(gè)串聯(lián)的容量足夠大的、相同的電容兩端，并使得兩個(gè)電容的連接點(diǎn)為直流電源的中點(diǎn)，即每個(gè)電容上的電壓為Ud／2。由兩個(gè)導(dǎo)電臂交替工作使負(fù)載得到交變電壓和電流，每個(gè)導(dǎo)電臂由一個(gè)功率晶體管與一個(gè)反并聯(lián)二極管所組成。

電路工作時(shí)，兩只功率晶體管V1、V2基極信號交替正偏和反偏，兩者互補(bǔ)導(dǎo)通與截止。若電路負(fù)載為感性，其工作波形如圖3-14b所示，輸出電壓為矩形波，幅值為Um=Ud/2。負(fù)載電流io波形與負(fù)載阻抗角有關(guān)。設(shè)t2時(shí)刻之前V1導(dǎo)通，電容C1兩端的電壓通過導(dǎo)通的V1加在負(fù)載上，極性為右正左負(fù)，得負(fù)載電流io由右向左。t2時(shí)刻給V1關(guān)斷信號，給V2導(dǎo)通信號，則V1關(guān)斷，但感性負(fù)載中的電流io方向不能突變，于是VD2導(dǎo)通續(xù)流，電容C2兩端電壓通過導(dǎo)通的VD2加在負(fù)載兩端，極性為左正右負(fù)。當(dāng)t3時(shí)刻io降至零時(shí)，VD2截止，V2導(dǎo)通，io開始反向。同樣在t4時(shí)刻給V2關(guān)斷信號，給V1導(dǎo)通信號后，V2關(guān)斷，io方向不能突變，由VD1導(dǎo)通續(xù)流。t5時(shí)刻io降至零時(shí)，VD1截止，V1導(dǎo)通，io反向。

由以上分析可見，當(dāng)V1或V2導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電流與電壓同方向，直流側(cè)向負(fù)載提供能量；而當(dāng)VD1或VD2導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電流與電壓反方向，負(fù)載中電感的能量向直流側(cè)反饋，反饋回的能量暫時(shí)儲存在直流側(cè)電容器中，電容器起緩沖作用。由于二極管VD1、VD2是負(fù)載向直流側(cè)反饋能量的通道，故稱反饋二極管；同時(shí)VD1、VD2也起著使負(fù)載電流連續(xù)的作用，因此又稱為續(xù)流二極管。

2、全橋逆變器

全橋逆變器可看作兩個(gè)半橋逆變電路的組合。電路原理如圖3-15a所示。直流電壓ud接有大電容C，使電源電壓穩(wěn)定。電路中的4個(gè)橋臂，橋臂1、4和橋臂2、3組成兩對，工作時(shí)，設(shè)t2時(shí)刻之前V1、V4導(dǎo)通，負(fù)載上的電壓極性為左正右負(fù)，負(fù)載電流io由左向右。t2時(shí)刻給V1、V4關(guān)斷信號，給V2、V3導(dǎo)通信號，則V1、V4關(guān)斷，但感性負(fù)載中的電流io方向不能突變，于是VD2、VD3導(dǎo)通續(xù)流，負(fù)載兩端電壓的極性為右正左負(fù)。當(dāng)t3時(shí)刻io降至零時(shí)，VD2、VD3截止，V2、V3導(dǎo)通，io開始反向。同樣在t4時(shí)刻給V2、V3關(guān)斷信號，給V1、V4導(dǎo)通信號后，V2、V3關(guān)斷，io方向不能突變，由VD1、VD4導(dǎo)通續(xù)流。t5時(shí)刻io降至零時(shí)，VD1、VD4截止，V1、V4導(dǎo)通，io反向，如此反復(fù)循環(huán)，兩對交替各導(dǎo)通180°。其輸出電壓uo和負(fù)載電流io、如圖3-15b所示。

經(jīng)數(shù)學(xué)分析或?qū)嶋H測試，均可得出基波幅值Uo1m和基波有效值Uo1分別為

Uo1m=1.27Ud（3-3）

Uo1=0.9Ud（3-4）