逆变器直流输入电阻

简单的逆变器电路分析

       这里介绍的逆变器（见图）主要由MOS场效应管，普通电源变压器构成。其输出功率取决于MOS场效应管和电源变压器的功率，免除了烦琐的变压器绕制，适合电子爱好者业余制作中采用。下面介绍该逆变器的工作原理及制作过程。

电路图

       工作原理

这里我们将详细介绍这个逆变器的工作原理。

       方波信号发生器（见图3）

       这里采用六反相器CD4069构成方波信号发生器。电路中R1是补偿电阻，用于改善由于电源电压的变化而引起的振荡频率不稳。电路的振荡是通过电容C1充放电完成的。其振荡频率为f=1/2.2RC。图示电路的最大频率为：fmax=1/2.2×3.3×103×2.2×10-6=62.6Hz;最小频率fmin=1/2.2×4.3×103×2.2×10-6=48.0Hz。由于元件的误差，实际值会略有差异。其它多余的反相器，输入端接地避免影响其它电路。

       场效应管驱动电路

这里采用六反相器CD4069构成方波信号发生器。电路中R1是补偿电阻，用于改善由于电源电压的变化而引起的振荡频率不稳。电路的振荡是通过电容C1充放电完成的。其振荡频率为f=1/2.2RC。图示电路的最大频率为：fmax=1/2.2×3.3×103×2.2×10-6=62.6Hz;最小频率fmin=1/2.2×4.3×103×2.2×10-6=48.0Hz。由于元件的误差，实际值会略有差异。其它多余的反相器，输入端接地避免影响其它电路。

       场效应管驱动电路

       由于方波信号发生器输出的振荡信号电压最大振幅为0~5V，为充分驱动电源开关电路，这里用TR1、TR2将振荡信号电压放大至0~12V。如图4所示。

       MOS场效应管电源开关电路。

       这是该装置的核心，在介绍该部分工作原理之前，先简单解释一下MOS场效应管的工作原理。

       图5

MOS场效应管也被称为MOSFET，既MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor（金属氧化物半导体场效应管）的缩写。它一般有耗尽型和增强型两种。本文使用的为增强型MOS场效应管，其内部结构见图5。它可分为NPN型PNP型。NPN型通常称为N沟道型，PNP型也叫P沟道型。由图可看出，对于N沟道的场效应管其源极和漏极接在N型半导体上，同样对于P沟道的场效应管其源极和漏极则接在P型半导体上。我们知道一般三极管是由输入的电流控制输出的电流。但对于场效应管，其输出电流是由输入的电压（或称电场）控制，可以认为输入电流极小或没有输入电流，这使得该器件有很高的输入阻抗，同时这也是我们称之为场效应管的原因。

       图6

       为解释MOS场效应管的工作原理，我们先了解一下仅含有一个P—N结的二极管的工作过程。如图6所示，我们知道在二极管加上正向电压（P端接正极，N端接负极）时，二极管导通，其PN结有电流通过。这是因为在P型半导体端为正电压时，N型半导体内的负电子被吸引而涌向加有正电压的P型半导体端，而P型半导体端内的正电子则朝N型半导体端运动，从而形成导通电流。同理，当二极管加上反向电压（P端接负极，N端接正极）时，这时在P型半导体端为负电压，正电子被聚集在P型半导体端，负电子则聚集在N型半导体端，电子不移动，其PN结没有电流通过，二极管截止。

       图7a图7b

       对于场效应管（见图7），在栅极没有电压时，由前面分析可知，在源极与漏极之间不会有电流流过，此时场效应管处与截止状态（图7a）。当有一个正电压加在N沟道的MOS场效应管栅极上时，由于电场的作用，此时N型半导体的源极和漏极的负电子被吸引出来而涌向栅极，但由于氧化膜的阻挡，使得电子聚集在两个N沟道之间的P型半导体中（见图7b），从而形成电流，使源极和漏极之间导通。我们也可以想像为两个N型半导体之间为一条沟，栅极电压的建立相当于为它们之间搭了一座桥梁，该桥的大小由栅压的大小决定。图8给出了P沟道的MOS场效应管的工作过程，其工作原理类似这里不再重复。

       图8

下面简述一下用C-MOS场效应管（增强型MOS场效应管）组成的应用电路的工作过程（见图9）。电路将一个增强型P沟道MOS场效应管和一个增强型N沟道MOS场效应管组合在一起使用。当输入端为低电平时，P沟道MOS场效应管导通，输出端与电源正极接通。当输入端为高电平时，N沟道MOS场效应管导通，输出端与电源地接通。在该电路中，P沟道MOS场效应管和N沟道MOS场效应管总是在相反的状态下工作，其相位输入端和输出端相反。通过这种工作方式我们可以获得较大的电流输出。同时由于漏电流的影响，使得栅压在还没有到0V，通常在栅极电压小于1到2V时，MOS场效应管既被关断。不同场效应管其关断电压略有不同。也正因为如此，使得该电路不会因为两管同时导通而造成电源短路。

       由以上分析我们可以画出原理图中MOS场效应管电路部分的工作过程（见图10）。工作原理同前所述。这种低电压、大电流、频率为50Hz的交变信号通过变压器的低压绕组时，会在变压器的高压侧感应出高压交流电压，完成直流到交流的转换。这里需要注意的是，在某些情况下，如振荡部分停止工作时，变压器的低压侧有时会有很大的电流通过，所以该电路的保险丝不能省略或短接。

       制作要点

电路板见图11。所用元器件可参考图12。逆变器用的变压器采用次级为12V、电流为10A、初级电压为220V的成品电源变压器。P沟道MOS场效应管（2SJ471）最大漏极电流为30A，在场效应管导通时，漏-源极间电阻为25毫欧。此时如果通过10A电流时会有2.5W的功率消耗。N沟道MOS场效应管（2SK2956）最大漏极电流为50A，场效应管导通时，漏-源极间电阻为7毫欧，此时如果通过10A电流时消耗的功率为0.7W。由此我们也可知在同样的工作电流情况下，2SJ471的发热量约为2SK2956的4倍。所以在考虑散热器时应注意这点。图13展示本文介绍的逆变器场效应管在散热器（100mm×100mm×17mm）上的位置分布和接法。尽管场效应管工作于开关状态时发热量不会很大，出于安全考虑这里选用的散热器稍偏大。

       逆变器的性能测试

测试电路见图14。这里测试用的输入电源采用内阻低、放电电流大（一般大于100A）的12V汽车电瓶，可为电路提供充足的输入功率。测试用负载为普通的电灯泡。测试的方法是通过改变负载大小，并测量此时的输入电流、电压以及输出电压。其测试结果见电压、电流曲线关系图（图15a）。可以看出，输出电压随负荷的增大而下降，灯泡的消耗功率随电压变化而改变。我们也可以通过计算找出输出电压和功率的关系。但实际上由于电灯泡的电阻会随受加在两端电压变化而改变，并且输出电压、电流也不是正弦波，所以这种的计算只能看作是估算。以负载为60W的电灯泡为例：

假设灯泡的电阻不随电压变化而改变。因为R灯=V2/W=2102/60=735Ω，所以在电压为208V时，W=V2/R=2082/735=58.9W。由此可折算出电压和功率的关系。通过测试，我们发现当输出功率约为100W时，输入电流为10A。此时输出电压为200V。

请问用逆变器把12v直流电变成220v交流电,符合能量守恒定律吗？

       当然符合能量守恒定律。

       逆变器输入12V低压直流，输出220V交流高压（相对于输入电压），输入功率大于输出功率，差值部分几乎都在电路元件中转化为焦耳热（无用功），还有极少一部分以电磁辐射的方式损失掉。

       例如，某逆变器输出端接纯电阻负载时，输出220V、10A，输出功率为2200W。此时你去测量输入端，会发现输入电压（电瓶电压）为12.5V，输入电流为184A，输入功率为2300W。

       逆变器工作时，发热功率为100W，逆变器的效率为 2200÷2300 ≈ 95.65%。

       简而言之，逆变器改变的不仅是电压，还有电流。

求大神帮忙理解下这个逆变电路图

       首先纠正一下图中的错误：在Q1、Q2栅极对地要增加两个电阻，同时将R6短接，否则是不能控制Q1、Q2的关断的。

       先看一下SG3524的功能图：

       工作原理：

       1、振荡部分

       SG3524是通用脉宽调制器（PMW），属于数字、模拟混合电路。它的振荡频率由6、7脚的R1、C1决定，f≈1.3/R1C1，图中参数的振荡频率约为87Hz。

       2、驱动部分

       SG3524内部有两个三极管轮流导通（截止）输出，用来驱动外部的场效应管Q1、Q2轮流导通与关断。

       由于Q1、Q2是场效应管，栅极对地相当于一个电容，SG3524内部三极管导通时给栅极电容充电，使场效应管导通，但三极管截止时栅极电容需要放电才能使场效应管截止，增加的R9、R10就是这个作用。

       3、变换输出

       Q1、Q2轮流导通与关断，相当于在变压器T的原边输入一个交流电，在变压器输出端获得交流输出。

       4、控制部分

       利用SG3524的补偿端9脚进行控制。

       补偿端9脚控制电位范围为1~3.5V，补偿端9脚电位越高输出占空比越小，最终的交流输出电压越低，补偿端9脚电位越低输出占空比越大，最终的交流输出电压越高。调节Rp可以调节补偿端9脚电位。

逆变器的使用注意事项包括什么？

       1、直流电压要一致

       每台逆变器都有接入直流电压数值，如12V，24V等，要求选择蓄电池电压必须与逆变器直流输入电压一致。例如，12V 逆变器必须选择12V蓄电池。

       2、逆变器输出功率必须大于电器的使用功率，特别对于启动时功率大的电器，如冰箱、空调，还要留大些的余量。

       3、正、负极必须接正确

       逆变器接入的直流电压标有正负极。红色为正极（+），黑色为负极（—），蓄电池上也同样标有正负极，红色为正极（+），黑色为负极（—），连接时必须正接正（红接红），负接负（黑接黑）。连接线线径必须足够粗，并且尽可能减少连接线的长度。

       4、应放置在通风、干燥的地方，谨防雨淋，并与周围的物体有20cm以上的距离，远离易

       燃易爆品，切忌在该机上放置或覆盖其它物品，使用环境温度不大于40℃。

       5, 充电与逆变不能同时进行。即逆变时不可将充电插头插入逆变输出的电气回路中.

       6、两次开机间隔时间不少于5秒（切断输入电源）。

       7、请用干布或防静电布擦拭以保持机器整洁。

       8、在连接机器的输入输出前，请首先将机器的外壳正确接地。

       9、为避免意外，严禁用户打开机箱进行操作和使用。

       10、怀疑机器有故障时，请不要继续进行操作和使用，应及时切断输入和输出，由合格的检修人员或维修单位检查维修。

       11、在连接蓄电池时，请确认您的手上没有其它金属物，以免发生蓄电池短路，灼伤人体。

       12使用环境 基于安全和性能的考虑,安装环境应具备以下条件:

       <1> 干燥:不能浸水或淋雨

       <2> 阴凉:温度在0℃与40℃之间

       <3> 通风:保持壳体上5CM内无异物,其它端面通风良好

       13. 安装使用方法

       <1> 将转换器开关置于关(OFF)的位置,然后把雪茄头插入车内点烟器插口,确保插到位而接触良好.

       <2> 确认所有电器的功率在G-ICE标称功率以下方可使用,将电器的220V插头直接插入转换器一端的 220V插座内,并确保两个插座所有连接电器的功率之和在G-ICE标称功率以内.

       <3> 开启转换器开关，绿色指示灯亮，表示工作正常。

       <4> 红色指示灯亮，表示因过压/欠压/过载/过温，导致转换器关断。

       <5> 在很多情况下，由于车用点烟器插口输出有限，使得正常使用时转换器报警或关断，这时只要发动车辆或减小用电功率即可恢复正常。

       14.注意事项

       <1> 电视机，显示器，电动机等在启动时电量达到峰值，尽管转换器可以承受标称功率2倍的峰值功率，但有些功率符合要求的电器的峰值功率可能会超过转换器的峰值输出功率，引发过载保护，电流被关断。同时带动多个电器，可能发生这种情况，这时应先关闭电器开关，打开转换器开关，然后逐个打开电器开关，并应最先开启峰值最高的电器。

       <2> 在使用过程中，电瓶电压开始下降，当转换器DC输入端的电压降到10.4-11V时,报警器发出峰鸣声,此时电脑或其它敏感电器应及时关闭,若忽视报警声,转换器将在电压到9.7-10.3V时,自动关断,这样可以避免电瓶被过量放电.电源保护关断后,红色指示灯亮起.

       <3> 应及时启动车辆,给电瓶充电,防止电量衰竭,影响汽车启动和电瓶寿命.

       <4> 尽管转换器没有过压保护功能,输入电压超过16V,仍有可能损坏转换器.

       <5> 连续使用后,壳体表面温度会上升到60℃,注意气流通畅,易受高温影响的物体应远离.

       修正逆变器与正弦逆变器的区别

       1.1逆变器功率器件的选择

       目前，国内的光伏发电系统（PhotoVoltaic Sys-tem，简称PVS）主要是以直流系统为主，但最普遍的用电负载是交流负载，这使直流供电的光伏电源很难作为商品普及推广。同时，由于太阳能光伏并网发电可以不要蓄电池，且维护简单，而节省投资是光伏发电的发展趋势。这些都必须采用交流供电方式，因此逆变器在PVS中的应用也就越来越重要了。逆变器是将直流电变换为交流电的电力变换装置，逆变技术在电力电子技术中已较为成熟。例如：UPS电源中的逆变器，变频技术中的逆变技术、特种电源中的逆变技术和功率调节器中的逆变技术等，这些都已经以产品的形式推向市场，并受到社会的广泛认可。

       在小容量、低压PVS中，功率器件多使用金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）。因其在低压时，具有较低的通态压降和较高的开关频率，但随MOSFET电压的升高，其通态电阻增大。因此，在大容量、高压PVS 中，一般使用绝缘栅晶体管（IGBT）作为功率器件；在100kVA以上特大容量的PVS中，一般采用门极可关断晶闸管（GTO）作为功率器件。PVS中的逆变驱动电路主要针对功率开关管的门极驱动。要得到好的PWM脉冲波形，驱动电路的设计很重要。近年来，随着微电子及集成电路技术的发展，陆续推出了许多多功能专用集成芯片，如：HIP4801,TLP520,IR2130,EXB841等，它们给应用电路的设计带来了极大的方便[1，2]。逆变电源中常用的控制电路主要是为驱动电路提供要求的逻辑和波形，如PWM，SPWM控制信号等。目前，较常用的芯片有国外生产的8XC196，MP16，PIC16C73 和国内生产的TMS320F206，TMS320F240 ，SG3525 等。

       1.2 PVS 中逆变器的拓扑结构图

       在使用蓄电池储能的太阳能PVS 中，蓄电池组的公称电压一般是12V，24V 或48V，因此，逆变电路一般都需进行升压来满足220V 常用交流负载的用电需求。逆变器可按升压原理的不同分为工频和高频两种逆变器，应用中它们的性能差别很大。

       (1)工频逆变器

       图1示出采用工频变压器升压的逆变电路。它首先把直流电逆变成工频低压交流电；再通过工频变压器升压成220V，50Hz的交流电供负载使用。它的优点是结构简单，各种保护功能均可在较低电压下实现。因其逆变电源与负载之间存有工频变压器，故逆变器运行稳定、可靠、过负荷能力和抗冲击能力强，且能够抑制波形中的高次谐波成分。然而，工频变压器也存在笨重和价格高的问题，而且其效率也比较低。按目前水平制作的小型工频逆变器，其额定负荷效率一般不超过90%，同时因工频变压器在满负荷和轻负荷下运行时铁损基本不变，因而使其在轻负荷下运行的空载损耗较大，效率也较低。

       (2)高频逆变器

       图2示出采用高频变压器升压的逆变电路。它首先通过高频DC/DC 变换技术，将低压直流电逆变为高频低压交流电；然后经过高频变压器升压后，再经过高频整流滤波电路整流成通常均在300V以上的高压直流电；最后通过工频逆变电路得到220V工频交流电供负载使用。由于高频逆变器采用的是体积小，重量轻的高频磁芯材料，因而大大提高了电路的功率密度，从而使逆变电源的空载损耗很小，逆变效率得到提高。通常，用于中小型PVS 中的高频逆变器，其峰值转换效率能达90% 以上。

       比较两种逆变器可知，高频逆变器的体积小，重量轻，效率高，空载负荷低，但不能接满负荷的感性负载，且过载能力差。

       1.3 PVS 中逆变器输出波形

       (1)方波逆变器

       图3a

       示出方波逆变器的输出电压波形。虽然方波逆变器具有结构简单，成本低等优点，但也存在效率较低，损耗多，谐波成分大，使用负载受限制等缺点。当负载为大功率电机负载或带有变压器的用电器负载时，因其负载的饱和磁通都是按正弦波的上升速率设计的，而方波的上升速度过快，因而造成其铁心饱和，负载会出现起动困难、铁心过热及发出噪声等问题。而且方波逆变器的效率远低于修正波和正弦波逆变器的效率，一般不到60% 。由于太阳能PVS的发电成本较高，因此在太阳能PVS 电系统的优点是结中，方波逆变器已经很少应用了。

       (2)修正波逆变器

       图3b示出修正波逆变器的输出电压波形。与方波相比，修正波的波形有明显改善，而且高次谐波含量也减少了。传统的修正波逆变器是通过对方波电压进行阶梯迭加而产生的，这种方式存在控制电路复杂，迭加线路所用的功率开关管较多，以及逆变器的体积和重量较大等诸多问题。近年来，随着电力电子技术的快速发展，已普遍采用PWM脉宽调制方式生成修正波输出。目前，修正波逆变器已广泛用于边远地区的用户系统，因为这些用户系统对用电质量要求不是很高，而它能够满足大部分用电设备的需求，但它还是存在20% 的谐波失真，在运行精密设备时会出现问题，也会对通讯设备造成高频干扰，因此此时必须使用正弦波逆变器。

       (3)正弦波逆变器

       图3c

       示出正弦波逆变器的输出电压波形。它的优点是输出波形好，失真度很低，且其输出波形与市电电网的交流电波形基本一致，实际上优良的正弦波逆变器提供的交流电比电网的质量更高。正弦波逆变器对收音机和通讯设备及精密设备的干扰小，噪声低，负载适应能力强，能满足所有交流负载的应用，而且整机效率较高；它的缺点是线路和相对修正波逆变器复杂，对控制芯片和维修技术的要求高，价格较贵。在太阳能发电并网应用时，为避免对公共电网的电力

       污染，也必须使用正弦波逆变器。

       2 太阳能PVS 中逆变器分类

       2.1 独立型逆变器

       图4示出独立PVS 结构图。它通常由光伏阵列、蓄电池、控制器、逆变器及用电负载等5部分组成。

       目前也有把蓄电池充放电控制器和逆变器做成一体的独立型逆变器。例如：Solarix 正弦波逆变器，它既有将直流电逆变成交流电的功能；也有对蓄电池充放电进行管理的功能。

       根据独立型逆变器在PVS 中的运行特点，可对用于独立PVS 的逆变器进行下述性能评价。

       (1)可靠性

       从以往PVS 的运行来看，逆变器是影响系统可靠性的主要因素之一。由于独立型逆变器一般工作在边远地区，一旦出现问题维修很不方便，所以独立型逆变器的首要要求是必须运行可靠安全。

       (2)额定输出容量

       在独立型逆变器中，额定输出容量也是一个很重要的参考因素，它表示逆变器向负载供电的能力。额定输出容量值高的逆变器可带更多的用电负载。在此需特别指出的是，当逆变器不是纯阻性负载时，逆变器的负载能力将小于它所给出的额定输出容量值。

       (3)逆变器效率

       逆变器效率的高低对系统提高有效发电量和降低发电成本有着重要的影响。由于目前太阳电池的成本仍然比较高，而且近年也不会有大的降低，因此对于独立型逆变器，则要求有高的效率，特别是低负荷供电时，仍然有较高的效率，低的空载负荷是独立PVS 中专用逆变器相对普通逆变器的更高要求。

       (4)起动性能

       一般电感性负载，如电机、冰箱、空调、洗衣机、大功率水泵等，在起动时，功率可能是额定功率的5～6倍。因此，通常电感负载起动时，逆变器将承受大的瞬时浪涌功率。逆变器应保证在额定负载下可靠起动，高性能的逆变器可做到连续多次满负荷起动而不损坏功率器件。小型逆变器为了自身安全, 有时需采用软起动或限流起动。

       (5)谐波失真

       当独立型逆变器输出波形是方波和修正波时，逆变器的输出电流中除了基波外还有高次谐波，高次谐波电流会在电感性负载上产生涡流等附加损耗，导致部件严重发热，不利于电气设备的安全。方波逆变器的谐波失真大约在40% 左右，一般只适用于电阻负载；修正波逆变器的谐波失真小于20%，适合用于大部分负载；正弦波逆变器的谐波失真小于3%，其波形质量比市电电网的质量还好，能够适用于所有的交流用电负载。

       (6) 输出电压稳定能力

       它指逆变器输出电压的稳压能力。独立太阳能PVS中蓄电池端电压在充放电过程中波动很大，通常铅酸蓄电池端电压的起伏可达标称电压的30 %左右，这就要求逆变器有较好的调压性能，能在较大直流输入范围内保证正常工作。高频逆变器因采用了二次调宽和二次稳压技术，故相对工频逆变器有更好的稳定输出电压的能力。

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