逆变技术

逆变技术

黄裕富

广东省佛山市南海绿电再生能源有限公司

由于直流电的局限性，不能变压和变流，对传输和使用不方便，直流电机结构复杂、制造成术高，制约工业的发展。逆变的作用：是把直流电压或电流变成交变的电压和电流，可以实现变压、变流和变频，及步进控制。逆变技术的发展源于振荡电路，而振荡电路最早用于收音机、电台等音频电路，频率调制和幅度调制。逆变技术的不断发展和成熟对电子技术、电力电子及工业是一个很大的突破。

目前逆变技术应用非常广泛：各种逆变电源、变频电源、开关电源、工业UPS电源、家庭用UPS电源、交流稳压电源、电力系统无功补偿装置、直流输电、风力发电、太阳能发电、电力有源滤波器、电力汽车、燃料电池发电站、工矿和电力的直流系统、变频器，各种电器的开关电源。

逆变器分类：

1、按电路结构形式分：单端式逆变器（正激式、反激式）、推挽式逆变器、半桥式逆变器、全桥式逆变器。

2、按输出的频率分：工频逆变器、中频逆变器、高频逆变器。

3、按电能的去向分：有源逆变器、无源逆变器。

4、按逆变器的主开关器件分：晶体管逆变器、场效应管逆变器、晶闸管逆变器。

5、按逆变器的输出波形分：方波逆变器、修正波逆变器、正弦波逆变器。

6、按激励的方式分：自激式振荡逆变器、他激式振荡逆变器。

7、按逆变器的控制方式分：调频式（PFM）逆变器、调脉式（PWM）逆变器。

8、按逆变器开关电路的工作方式分：谐振式逆变器、定频式逆变器。

单端式逆变器的特点：

一次侧由单个开关管构成的振荡电路，具有良好的高频特性，采用高频铁氧体磁芯的变压器，可以缩小变压器体积，减少涡流损耗。缺点是电源侧不连续，谐波含量大，对电源不利。高端的单端式逆变电路电源侧设计有滤波电路。

推挽式逆变器：

由两个开关管轮流导通，相比单端式逆变器谐波含量少，电源能连继，但因为开关管工作频率特性存在差异，所以不适合于高频，而且变压器带中间抽头，增加了制作的成本。

半桥式逆变器：

在外给激励信号的作用下，两个开关管轮流导通。开关电路结构简化，适合于几个千瓦以下的小功率逆变电源。缺点是：半桥逆变第个管子所承受的电压都是电源电压，对开关管不利。

全桥式逆变器：

全桥式逆变器是四个管开关管构成的桥式逆变电路，在外加激励信号的作用下，对桥的两组开关管轮流导通，适用于工频大功率的逆变电路。在开关管交替工作时，每个管子只承受电源一半的电压。另外，全桥电路振荡工作中，为每一组管串联轮换导通，可防止单管导通延时的泄流现象，使波形变坏。

按逆变器输出波形分：有方波逆变器、修正波逆变器、正弦波逆变器。

图18）为普通家用及办公用的修正波逆变器，功能是把12V的直流电逆变成220V的交流电，输出的波形为修正波。主电路由：输入滤波和稳压电路、由四对管构成的半桥逆变电路、整流电路、全桥逆变电路、输出滤波电路构成。外围电路由：反馈取样电路、短路保护电路、过流保护电路、欠压保护电路构成

主电路是把输入的直流电通过半桥中频逆变电路逆变成220V的中频交流电，经过整流滤波电路变成平滑的直流电，再通过全桥式逆变电路逆成50HZ的方波交流电，再经过输电感滤波变成修正波交流电。采用中频逆变可缩小变压器的体积。缺点是：修正波与正弦波相比，对于使用一般的电器没有佬区别，但使用风扇等电机设备时会有轻微的振动和电磁声。

正弦波逆变器后级一般采用PWM调制技术，输出平滑的正弦波，但价格相对比较昂贵。

（图19）为全桥式逆变输出的简化图

逆变电路的分类繁多，按输出频率分，可分为：工频逆变器（50~60HZ），用于家庭、工矿企业的UPS；中频逆变器（400~几十千HZ），多用于渔业；高频逆变器（几十千HZ~MHZ），多用于电厂高频开关电源，具有变压器体积小、效率高的特点。还有用于各种电器设备的充电器、电击器等。

逆变器按输出的相数分：可分为单相和三相。输出为单相的只能接单相负载，输出不三相的可接三相负载。常用的逆变器多为单相，常见的工业变频器输出为三相。

按电能的去向可分：可为有源逆变、无源逆变。逆变器的输出直接连接负载则为无源逆变，逆变器的输出直接与电网连接，则为有源逆变。有源逆变在超高压直流输电上的应用，风力发电和光伏发电上应用，光伏发电的逆变输出也称为电流型逆变。无源逆变为各种UPS、车载逆变器等。

逆变器按主开关的器件分：可分为晶体管（三极管）逆变器、场效应管逆变器、晶闸管逆变器。三极管为是双极型管子，工作时内部由空穴和自由电子两种载流子共同参与；场效应管为单极型管子，要么只有空穴要么只有自由电子参与导电，只有一种；三极管为电流型控制器件，有输入电流才有输出电流；场效应管为电压型控制器件，只要有电压没有输入电流也会有输出电流；场效应管的频率特性不如三极管；场效应管的噪声系数小，适用于低噪声放大器的前置级，场效应管更容易做成集成电路；如果希望信号电流小则选用场效应管，如果希望高频特性好，则选用三极管。

按激励的方式分：可分为自激式逆变器、他激式逆变器。如下图：

按逆变器的控制方式分：可分为调频式（PFM）、调脉宽式（PWM）。

PFM是一种脉冲调制技术，开关接通的时间不变，通过改变调制信号的频率来实现调制的目的。由于调制信号通常为频率变化的方波信号，因此，PFM调制也叫做方波FM调制。

PFM调制的特点：脉冲频率调制（PFM）方式具有调频特性，有较高的传输信噪比，而且信号的脉冲形式适合中继传输和再生整形，因而既可以放宽对系统线性的容限要求，又可以获得较好的抗干扰能力。

PWM脉宽调制：是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种方法。是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法，通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比调用来对一个具有模拟信号的电平进行编码。可以控制输出的频率、幅值、相位。即改变脉冲的周期可以调频，改变脉冲宽度和占空比可以调压，改变脉冲列的时间可以改变相位（用于风电机组的并网、太阳能并网、直流输电）。载波频率为Fc，基波频率为Fs，Fc/Fs称为载波比。

脉冲频率调制（PFM）相比脉宽调制（PWM），有以下缺点：

1、谐波频谱太宽，滤波困难。

2、峰值效率以前，脉冲频率调制（PFM）的频率低于脉冲宽度调制（PWM）的频率，会造成输出纹波比脉宽调制（PWM）偏大。

3、脉冲频率调制（PFM）控制相比脉宽调制（PWM）控制IC价格要昂贵。

脉冲调制在应用上没有脉宽调制广泛最主要原因是脉宽调制实现起来容易，而脉冲调制实现起来复杂得多。