一、逆變器的定義

逆變器，作為一種電力電子設備，其核心功能是將直流電（DC）轉換為交流電（AC）。具體來說，逆變器能夠將電池、蓄電瓶等直流電源輸出的電能，轉換為具有特定頻率和電壓的交流電，通常用于家庭、工業、交通等多個領域。逆變器因其廣泛的應用和重要的轉換功能，在現代電力系統中扮演著至關重要的角色。

逆變器的工作原理基于半導體器件（如場效應管、晶閘管、IGBT、MOSFET等）的開關特性，通過快速切換這些器件的導通和關斷狀態，實現對電源電壓和電流的控制，從而輸出符合要求的交流電。逆變器輸出的交流電可以是定頻定壓，也可以是調頻調壓，以適應不同電器設備的需求。

二、逆變器的工作原理

逆變器的工作原理可以概括為以下幾個步驟：

1. 直流電源輸入 ：逆變器接收來自電池、蓄電瓶等直流電源的電能。這些直流電源提供的電壓和電流通常較低，需要通過逆變器進行轉換。
2. 整流與濾波 ：雖然逆變器的主要任務是將直流電轉換為交流電，但在某些情況下，輸入的直流電可能包含一定的波動或噪聲。因此，逆變器內部通常會包含整流和濾波電路，以確保輸入電能的穩定性和純凈性。整流電路將輸入的交流電（如果有的話）轉換為直流電，而濾波電路則進一步濾除直流電中的高頻噪聲和波動。
3. 逆變過程 ：逆變過程是逆變器的核心。在這一階段，逆變器利用半導體器件的開關特性，通過快速切換這些器件的導通和關斷狀態，將直流電能轉換為交流電能。具體來說，逆變器中的控制邏輯會根據預設的算法和參數，生成一系列高頻脈沖信號，控制逆變橋中的開關器件按照特定的順序和頻率進行導通和關斷。這樣，直流電源就被轉換成了具有特定頻率和電壓的交流電。
4. 輸出濾波與調整 ：逆變過程產生的交流電可能包含一定的諧波和噪聲。為了得到更加純凈和穩定的交流電輸出，逆變器內部還會包含輸出濾波電路。這些濾波電路通常由電感、電容等元件組成，能夠濾除交流電中的高頻諧波和噪聲，提高輸出電壓的波形質量和穩定性。
5. 保護與控制 ：逆變器內部還包含保護電路和控制電路。保護電路用于監測逆變器的運行狀態和輸出電壓、電流等參數，一旦發現異常情況（如過壓、過流、短路、過熱等），就會立即切斷逆變器的輸出，以保護逆變器和負載設備的安全?？刂齐娐穭t負責逆變器的整體控制和調節，包括逆變過程的控制、輸出電壓和頻率的調節等。

三、逆變器的結構組成

逆變器的結構組成相對復雜，但主要可以歸納為以下幾個部分：

1. 輸入濾波器 ：輸入濾波器是逆變器的重要組成部分，其作用是濾除直流電源中的高頻噪聲和波動，確保逆變器輸入電能的穩定性和純凈性。輸入濾波器通常由電容、電感等無源元件組成，有時也會加入有源濾波器以提高濾波效果。
2. 直流母線 ：直流母線是連接輸入濾波器和逆變橋的重要部分，它起到穩定直流電壓、儲存能量的作用。直流母線上通常會并聯一個大容量的電解電容，以減小直流電壓的波動和干擾。
3. 逆變橋 ：逆變橋是逆變器的核心部分，負責將直流電能轉換為交流電能。逆變橋通常由四個功率開關器件（如IGBT、MOSFET等）組成，這些開關器件按照特定的順序和頻率進行導通和關斷，從而實現對直流電壓的斬波和交流電壓的輸出。逆變橋的設計和控制對逆變器的性能和效率具有重要影響。
4. 輸出濾波器 ：輸出濾波器用于濾除逆變器輸出的交流電壓中的高頻諧波和噪聲，提高輸出電壓的波形質量和穩定性。輸出濾波器通常由電感、電容等無源元件組成，有時也會加入有源濾波器以提高濾波效果。
5. 控制器 ：控制器是逆變器的核心部件之一，用于實現逆變器的功率控制和各種算法控制?？刂破魍ǔＳ?a target="_blank">微處理器、信號處理電路、驅動電路等組成，通過對逆變橋中開關器件的控制，實現正弦波輸出、頻率調節、電壓調節等功能?？刂破鬟€負責監測逆變器的運行狀態和輸出電壓、電流等參數，并根據需要進行保護和控制。
6. 保護電路 ：保護電路是逆變器的安全屏障，負責對逆變器進行過壓、過流、短路、過熱等保護。保護電路通常由電壓檢測、電流檢測、溫度檢測等傳感器和相應的保護執行器件（如繼電器、保險絲等）組成。當逆變器出現異常情況時，保護電路會迅速切斷逆變器的輸出，以保證系統的安全運行。
7. 散熱器 ：由于逆變器在工作過程中會產生大量的熱量，為了保證逆變器的穩定運行和延長使用壽命，需要設置散熱器。散熱器通常包括散熱片、風扇等部件，通過傳導、對流、輻射等方式將逆變器內部產生的熱量散發出去。

四、逆變器的應用領域

逆變器因其能將直流電轉換為交流電的特性，在多個領域有著廣泛的應用：

1. 家庭及便攜式設備 ：
   • 太陽能光伏系統：在家庭太陽能光伏系統中，逆變器將太陽能電池板產生的直流電轉換為交流電，供家庭電器使用。這種應用不僅環保節能，還能減少對電網的依賴。
   • 車載逆變器：車載逆變器可以將汽車電瓶的直流電轉換為交流電，為筆記本電腦、手機、電熱水壺等家用電器供電，方便用戶在旅途中使用。
   • 便攜式電源：戶外探險、露營等活動中，便攜式逆變器可以將大容量電池的直流電轉換為交流電，為各種設備提供電力支持。
2. 工業領域 ：
   • 自動化生產線：在工業自動化生產線中，逆變器常用于驅動電機、控制機器人等設備，實現精確的位置和速度控制。
   • 電網儲能系統：電網儲能系統通過逆變器將電池組中的直流電轉換為交流電，與電網進行交互，實現電能的儲存和釋放，提高電網的穩定性和可靠性。
   • 不間斷電源（UPS）：UPS系統中的逆變器在市電停電時，將電池組的直流電轉換為交流電，為關鍵設備提供持續供電，保障數據安全和系統穩定運行。
3. 交通領域 ：
   • 電動汽車：電動汽車中的逆變器將電池組的直流電轉換為交流電，驅動電動機工作，實現車輛的行駛。逆變器的性能直接影響電動汽車的加速性能、續航里程和駕駛體驗。
   • 軌道交通：在軌道交通系統中，逆變器也扮演著重要角色。它們不僅用于驅動列車電機，還參與列車的制動和能量回收過程，提高列車的運行效率和能源利用率。
4. 通信與數據中心 ：
   • 通信基站：通信基站中的逆變器為基站設備提供穩定的交流電源，確保通信網絡的正常運行。在偏遠地區或電網不穩定的地區，逆變器還可以配合太陽能光伏系統使用，實現自給自足的供電方式。
   • 數據中心：數據中心是互聯網和云計算的基礎設施，對電力供應的要求極高。逆變器在數據中心中用于將備用電源（如柴油發電機或電池組）的直流電轉換為交流電，為數據中心提供不間斷的電力支持，保障數據的安全和系統的穩定運行。

五、逆變器技術的發展趨勢

隨著科技的進步和需求的不斷變化，逆變器技術也在不斷發展。以下是逆變器技術的一些發展趨勢：

1. 高效化與智能化 ：
   • 提高逆變器的轉換效率是永恒的追求。未來逆變器將采用更先進的半導體材料和拓撲結構，以及更優化的控制算法，以實現更高的轉換效率和更低的損耗。
   • 智能化是逆變器技術的另一個重要發展方向。未來的逆變器將具備更強的自我診斷、自我修復和自我優化能力，能夠實時監測運行狀態、預測故障并提前采取措施避免停機。同時，逆變器還將與物聯網、大數據等技術相結合，實現遠程監控、智能調度和能源管理等功能。
2. 模塊化與集成化 ：
   • 模塊化設計可以提高逆變器的可維護性和可擴展性。通過將逆變器劃分為多個獨立的模塊，可以方便地更換故障模塊而無需停機整個系統。此外，模塊化設計還有利于逆變器的標準化和批量生產，降低成本并提高質量。
   • 集成化則是將逆變器的多個功能部件（如控制器、保護電路、散熱器等）集成在一起，減少體積和重量，提高系統的整體性能和可靠性。未來逆變器將更加緊湊、輕便且易于安裝和維護。
3. 高可靠性與長壽命 ：
   • 可靠性和壽命是逆變器的重要指標之一。未來逆變器將采用更可靠的材料和工藝，以及更嚴格的測試標準，以確保在各種惡劣環境下都能穩定運行。同時，逆變器還將采用更先進的熱管理和故障保護技術，延長使用壽命并降低故障率。
4. 綠色化與環保 ：
   • 隨著全球對環保和可持續發展的重視，綠色化已成為逆變器技術的重要發展方向。未來逆變器將更加注重節能減排和環保性能，采用更高效的轉換技術和更低的能耗設計，減少對環境的影響。同時，逆變器還將與可再生能源技術相結合，推動綠色能源的應用和發展。

綜上所述，逆變器作為電力電子設備中的重要組成部分，在多個領域有著廣泛的應用和重要的作用。隨著科技的不斷進步和需求的不斷變化，逆變器技術也在不斷發展和完善。未來逆變器將更加高效、智能、模塊化和集成化，為各個領域的電力供應和能源管理提供更加優質和可靠的解決方案。

六、簡單逆變器電路圖

1、使用CD4047和ULN2003的簡單逆變器電路圖（1)

逆變器是一種將直流（DC）電壓轉換為交流（AC）電壓的電氣設備，常見的電器稱為逆變器。直流應用中使用了幾種微型設備，例如太陽能發電系統。逆變器的主要功能是將直流電轉換為交流電。實際上，所有家用電器以及其他電氣設備都可以使用交流電源運行。因此，在本教程中，我們將“使用 CD4047 和 ULN2003 的簡單逆變器電路”

這個使用 CD4047 和 ULN2003 的簡單逆變器電路有兩級。第一級是多諧振蕩器級，它使用 IC CD4047 生成具有高峰值電壓的自由運行非穩定脈沖。第二級是功率開關級，它使用 IC ULN2003 來處理 500mA 電流，最適合感性負載驅動。

一組三個通道連接到 CD4047 的引腳 11 和引腳 10) 輸出。 ULN2003 輸出連接到變壓器的次級繞組，中心抽頭引腳連接到 12V 電源。脈動交流電由變壓器的初級繞組提供（負載連接在初級繞組端子之間）。電路中電位器的作用是改變輸出的頻率和電壓范圍。

2、使用CD4047和ULN2003的簡單逆變器電路圖（2)

在本教程中，我們將制作一個“使用 CD4047 和 ULN2003 的簡單逆變器電路”。電源逆變器是一種電力電子設備或電路，可將直流電 (DC) 轉換為交流電 (AC)。所獲得的交流頻率取決于所使用的特定設備。輸入電壓、輸出電壓和頻率以及總體功率處理取決于特定設備或電路的設計。逆變器不產生任何功率；它由直流電源提供。由于逆變器電路使用電池的可用直流電壓提供交流電源輸出。有時我們需要足夠低的功率輸出，以驅動小型電燈泡或不需要純交流電源的東西。這里我們設計一個簡單的逆變電路，以避免低壓應用中復雜的純正弦波逆變器和 PWM 逆變器。

正如我們在電路中看到的，它具有三個簡單的階段。第一階段，我們使用IC CD404設計了一個多諧振蕩器。它產生具有高峰值電壓的自由運行的非穩定脈沖。然后第二級是功率開關級，其中我們使用IC ULN2003（七達林頓陣列）。它可處理 500mA 電流，最適合感性負載驅動?，F在一組三個通道連接到 CD4047 的（Q 條引腳 11）和（Q 引腳 10）輸出。 ULN2003 的輸出連接到變壓器 X1 次級繞組 (9V – 0 – 9V)，中心抽頭引腳連接到 12V 電源。變壓器初級繞組提供升壓脈動交流電（負載連接在初級繞組端子之間）。為了簡化設計，沒有開關、保險絲或 MOV（金屬氧化物變阻器）。我們可以通過改變VR1電阻值來改變輸出交流電源的頻率和電壓范圍。處理該電路時要格外小心，因為它會產生可能造成致命電擊的高交流電壓。

3、使用IC 555的簡單逆變器電路圖

假設您正在進行直流供電項目，突然意識到電路中需要交流組件。交流燈或交流電機可能是問題的根源。在這個情況下，你會怎么做？為此，您需要交流電源，但您的設備已經有直流電源。因此，您需要一個交流逆變器電路。因此，我們創建了這個有趣的“使用 IC 555 的簡單逆變器電路”來幫助您理解整個電路。

它只需要一些可以以低速率輕松訪問的組件。以下電路只需稍作修改即可用于 UPS 和其他直流-交流轉換器應用。

這個使用 IC 555 的簡單逆變器電路中的主要組件是定時器 IC555，它被設置為非穩態多諧振蕩器以提供連續的開關脈沖。兩個開關晶體管TIP41A（NPN）和TIP42A（PNP）根據基極輸入的脈沖來驅動變壓器。 T1 是一個 230V 初級至 9V 次級變壓器，反向接線可用作升壓變壓器。我們可以向該電路提供5V至15V的直流偏置，以獲得50Hz至60Hz的110V至230V交流電，但輸出可能不像PWM逆變器輸出那樣是純正弦波；相反，它將是脈動交流電。 VR1電位器用于改變該電路的輸出頻率。因此，可以通過調節該電位器來調節頻率。

七、帶Arduino的逆變器設計（1）

逆變器電路對于在我們需要時產生交流電源非常有幫助，并且它使用來自電池源的最低水平的直流偏置。該Arduino逆變器電路可用于將12V DC電源轉換為220V AC或230V AC，通過降低開關頻率，我們可以從逆變降壓變壓器獲得不同級別的AC輸出。

這里使用Arduino板設計了簡單可靠的逆變電路，我們可以對Arduino進行編程以獲得步進交流輸出、修正正弦波交流輸出或純正弦波輸出，也可以對Arduino板進行編程以帶來不同范圍的頻率輸出。

這個逆變器電路有三級和一個12V 5.0Ah SLA電池作為直流偏置，為了顯示這個電路簡單和整潔我已經刪除了電池充電器電路。

該電路的第一級是 Arduino 微控制器板，它被編程為提供 SPWM（正弦脈寬調制），或者您可以修改代碼以從 Arduino 引腳產生不同的輸出。

第二級是開關和驅動級，來自 Arduino 數字引腳的輸出脈沖被饋送到開關晶體管 SL100 npn，然后為 MOSFET IRF540 供電。

第三級是一個輸出級，由中心抽頭變壓器（230 VAC 初級/12-0-12 VAC 次級）構成，與驅動電路反向連接，次級（12-0-12 VAC）連接到功率 MOSFET 和變壓器初級側提供輸出電源。

當與該電路穩壓器812連接的電池給Arduino板供電并開始產生輸出脈沖（取決于草圖）時，脈沖驅動晶體管SL100和功率MOSFET IRF540以及與MOSFET連接的變壓器次級繞組獲得離散能量并相互感應大量的初級繞組，眾所周知，由于大量的繞組和變化的磁場，它產生高壓交流輸出。

Arduino逆變器代碼

此代碼在arduino uno板的引腳D9和D10處產生SPWM，您可以修改和注釋您更好的arduino代碼。

const int SpwmArry[] = {500,500,750,500,1250,500,2000,500,1250,500,750,500,500}; // Array of SPWM values.
const int SpwmArryValues = 13; //Put length of an Array depends on SpwmArray numbers. 
// Declare the output pins and choose PWM pins only
const int sPWMpin1 = 10;
const int sPWMpin2 = 9;
// enabling bool status of Spwm pins
bool sPWMpin1Status = true;
bool sPWMpin2Status = true;

void setup()
{
 pinMode(sPWMpin1, OUTPUT);
 pinMode(sPWMpin2, OUTPUT);
}

void loop()
{
 // Loop for Spwm pin 1
 for(int i(0); i != SpwmArryValues; i++)
 {
  if(sPWMpin1Status)
  {
   digitalWrite(sPWMpin1, HIGH);
   delayMicroseconds(SpwmArry[i]);
   sPWMpin1Status = false;
  }
  else
  {
   digitalWrite(sPWMpin1, LOW);
   delayMicroseconds(SpwmArry[i]);
   sPWMpin1Status = true;
  }
 }
 
 // Loop for Spwm pin 2 
 for(int i(0); i != SpwmArryValues; i++)
 {
  if(sPWMpin2Status)
  {
   digitalWrite(sPWMpin2, HIGH);
   delayMicroseconds(SpwmArry[i]);
   sPWMpin2Status = false;
  }
  else
  {
   digitalWrite(sPWMpin2, LOW);
   delayMicroseconds(SpwmArry[i]);
   sPWMpin2Status = true;
  }
 }
}

八、帶Arduino的逆變器設計（2）

該電路涉及處理高壓交流電源時要格外小心。簡單的Arduino電源逆變器電路由少量晶體管和降壓變壓器制成，通過調整Arduino數字引腳的定時脈沖輸出，能夠提供200V至230V的交流輸出電源。我們知道逆變器電路是非常有用的一種，可以通過使用電池或任何來源的較低直流電源輸入來獲得高壓交流電。

讓我們了解一下有關電子逆變器電路的一些基本知識，通常逆變器用于從低壓直流電源獲得高壓交流電源。設計逆變器的關鍵組件是，

1. 輸入直流電源
2. 開關電路
3. 高頻開關脈沖
4. 變壓器

這里的第一件事是輸入直流電源來自電池（對于獨立或基于太陽能的逆變器）或來自適配器。然后我們需要開關電路，可以由功率晶體管或功率MOSFET制成，設計開關電路的條件需要足夠快并且能夠處理高功率，所以在Arduino逆變器電路中我們使用功率晶體管TIP31C。

為了生成高頻開關脈沖，我們使用 Arduino UNO 板（您可以使用任何 Arduino 板）并獲取代碼在兩個 Arduino 數字引腳中產生高頻開和關（高和低）脈沖。

最后是變壓器，對于任何逆變器電路，我們都需要升壓變壓器通過使用電感方法來增加電壓，因此我們將降壓變壓器逆變為低匝數次級作為輸入，高匝數初級側作為輸出。因此，次級繞組中產生的磁通量會切割初級繞組（高繞組數）并產生高電壓。

Arduino電源逆變器電路圖

該電路設計用于從最小 12V 直流電源獲得 200V 交流至 230V 交流輸出電源。 Arduino 數字引腳 2 和 4 被編程為在循環模式下每 150 微秒產生高電平和低電平定時脈沖。然后這個定時脈沖與晶體管Q1、Q2基極端相連，這兩個晶體管充當開關并產生足以驅動TIP31C晶體管的高壓脈沖。兩個TIP31C的集電極端子與變壓器次級連接，通過使用+12V輸入到中心抽頭端子來感應磁通量。

對于來自 Arduino 的每個高電平和低電平定時脈沖，這兩個 TIP31C 晶體管打開和關閉，然后允許電源 (+12V) 通過次級繞組的中心抽頭到達 GND 并產生磁通量，這種快速變化的磁通量足夠高以感應電壓在初級繞組。因此，我們在初級端子處接收到高交流電源。

簡單的Arduino電源逆變器電路代碼

/*
  Arduino Power Inverter Circuit

  Made with Power transistor TIP31C and General purpose Transistor BC547

  It can turn 12V DC input to 230V AC output
 Link: https://theorycircuit.com/power-circuits/Simple-Arduino-Power-Inverter-Circuit/
 by theoryCIRCUIT
 
*/

void setup() {
  // initialize digital pin 2 and 4 as an output.
  pinMode(2, OUTPUT);
   pinMode(4, OUTPUT);
}

// Making Switching Pulse to drive Transformer Secodary through Transistors
void loop() {
  digitalWrite(2, HIGH);   
  digitalWrite(4, LOW);    
  delayMicroseconds(150);   // delay in micro seconds
  digitalWrite(4, HIGH);   
  digitalWrite(2, LOW);    
  delayMicroseconds(150);  // delay in micro seconds
}

調整延遲微秒(150);獲得不同級別的輸出交流電壓的數字。