逆变器单向电路图解

单相全桥逆变电路动作过程讲解~

逆变技术的基石：全桥逆变电路解析

       电压源逆变器，作为直流电能向交流电能转换的关键元件，其DC to AC的魔术如何实现？让我们一起深入探索全桥逆变电路的脉络和工作原理。

       电路构造与基本原理

       在众多逆变器形式中，单相全桥逆变电路因其高效性和灵活性而脱颖而出。它由两个半桥电路巧妙结合，形成如图1所示的结构，通过交替开关控制，产生独特的工作节奏。

       工作过程的舞蹈

步骤1: 当开关T1和T4闭合，T2和T3断开，负载电压呈现正相，电流路径是T1-L-R-T4，电流方向固定。此时，电阻R和电感L中的电压Vo等于直流电压Vd。

       步骤2: T1和T4断开，T2和T3闭合，电流通过二极管D2-D3反向流过，电流路径变为D2-L-R-D3，负载电压转为负相。电流方向不变，电感电流在瞬间调整，确保电压的连续性。

       步骤3和4重复这一过程，负载电压在每个周期内交替正负，通过电感电流的缓冲，保证了输出交流电压的稳定。

       实际应用示例

绿色电力先锋：太阳能逆变器

       在光伏发电领域，全桥逆变器是至关重要的组件，如图4所示的太阳能发电站，正是依赖这种电路将直流太阳能转化为交流电能，为电网提供清洁电力。

       户外储能的崛起：便携式逆变器

       近年来，户外储能市场的崛起，如图7所示的便携式储能装置，正见证着新能源技术的爆发式增长。随着市场需求的增长，逆变器作为核心元件，其技术进步和市场潜力不可限量。

       总结与启示

       无论是直流电源转换还是电力电子装置的驱动，全桥逆变电路都发挥着关键作用。理解其动态工作过程，有助于我们更好地利用这种技术，满足工业生产、家庭储能乃至可再生能源发展的多元化需求。

逆变器原理图 讲解

       逆变器的工作原理经过以下步骤:

       首先，当逆变器与直流电源相连后，电路内Q11和Q14处于导通状态，而Q1和Q13则处于关闭。电流从直流电源的正极出发，通过Q11，接着流经电感L或变压器初级线圈，然后经Q14返回到电源的负极，形成电流路径。

       其次，当Q11和Q14关闭时，Q12和Q13开启，电流路径发生变化，从电源正极经过Q13，经变压器初级线圈和电感，再通过Q12返回负极。这个过程在变压器初级线圈上产生正负交替的方波信号。

       接着，高频PWM控制机制介入，使得两对IGBT管不断重复之前的导通和截止过程，进而驱动变压器产生交流电压。LC交流滤波器在此环节发挥关键作用，它滤除交流电压中的高频噪声，确保输出端输出的是纯净的正弦波交流电。

       最后，当Q11和Q14停止工作时，为了释放存储在电感和变压器中的能量，会在IGBT管Q11和Q14的并联位置接入二极管D11和D12。这样，能量通过二极管返回直流电源，从而完成逆变器一个完整的电力转换循环。

简单的逆变器电路图分析

       这里提供的逆变器电路图分析，主要由MOS场效应管和电源变压器构成，其输出功率依赖于这些元件的功率，省去了复杂的变压器绕制，适合电子爱好者业余制作。接下来，将详细介绍逆变器的工作原理及制作过程。

       **电路图**

       

       **工作原理**

       首先，详细介绍这个逆变器的工作原理。方波信号发生器（见图3）采用六反相器CD4069构成。电路中的R1是补偿电阻，用于改善由于电源电压变化导致的振荡频率不稳定。电路的振荡是通过电容C1的充放电完成的，其振荡频率为f=1/2.2RC。图示电路的最大频率为fmax=1/2.2×3.3×10^3×2.2×10^-6=62.6Hz，最小频率fmin=1/2.2×4.3×10^3×2.2×10^-6=48.0Hz。由于元件误差，实际值可能略有差异。多余的反相器输入端接地，以避免影响其他电路。

       **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的最大振幅为0~5V，为充分驱动电源开关电路，使用TR1和TR2将振荡信号电压放大至0~12V（见图4）。这是该装置的核心部分，在介绍该部分工作原理之前，先简单解释MOS场效应管的工作原理。

       **MOS场效应管工作原理**

       MOS场效应管也称为金属氧化物半导体场效应管，其缩写为MOSFET。它通常有耗尽型和增强型两种。本文使用的是增强型MOS场效应管，其内部结构见图5。它可分为NPN型和PNP型。NPN型通常称为N沟道型，PNP型也称为P沟道型。由图可知，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。

       **场效应管应用电路工作过程**

       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，此时场效应管处于截止状态（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。我们也可以想象为两个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MOS场效应管的工作过程，其工作原理类似，不再重复。

       **逆变器电路部分工作过程**

       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。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=V^2/W=210^2/60=735Ω，所以在电压为208V时，W=V^2/R=208^2/735=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。

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