逆变器原理

直流至直流切换式转换器典型直流至直流转换器系统的构造如图1所示，其输入通常为由线电压整流而得到非调节直流电压，然后再利用切换式直流至直流转 换器将此变动的直流电压转换成一调节的直流电压。

图1 直流至直流切换式转换器典型直流至直流转换器系统的构造
1．降压式(step-downbuck)转换器。
2．升压式(step- upboost)转换器。
3．升降压式(step-down/step-upbuck-boost)转换器。
4．全桥式转换器。
上 述四种转换器中，只有降压式及升压式是最基本的转换器电路结构，升降压式转换器是此二基本转换器的结合，而全桥式转换器则是由降压式转换器衍生而来。838电子

直流至直流转换器的控制直流至直流转换器的作用即是在输入电压与输出 负载变动的情况下能够调节输出电压为所设定的位准。电压位准转换之原理可以图2(a)所示之简单电路来说明，由开关导通与截止可得图2(b)之波形，其中 输出电压Vo平均值大小Vo与开关之导通及截止时间(ton及toff)有关。平均输出电压大小调整之最典型的方式是采用脉波宽度调变法(Pulse- WidthModulation，PWM)，其切换周期Ts(=ton+toff)为固定，由调整导通时间之大小来改变平均输出电压之大小Vo。

   A                                                B

                          图2#p#分页标题#e#

脉波宽度调变切换控制的方块图如图3(a)所示，开关之切换控制信号由控制讯号Vcontrol与周期为Ts之锯齿波Vst比较而 得，控制信号则由Vo之实际值与设定值之误差放大而得。Vcontrol与Vst比较所得之切换控制信号的波形如图3(b)所示。当控制讯号Vst较大 时，则为高准位信号，即使开关导通，反之为低准位信号即使开关截止，故开关之切换周期亦为Ts，由以上的原理可知，开关切换之责任周期 (DutyRatio)为D=ton/Ts=Vcontrol/Vst，其中Vst为锯齿波的振幅。838电子

             图 3

降压式直流至直流转换器降压式转换器，顾名思义，其作 用为将较高准位的输入电压换成较低准位的输出电压，主要用途为直流电源供应器及直流电机速度控制。图2(a)所示为提供纯电阻性负载之降压式转换器，由图 2(b)可知其输出电压波形由开关位置决定。平均输出电压为

                        图 4

    升压式直流至直流转换器图5为升压式转换器电路，主要用途为直流电源供应器与直流电动机之再生制动(RegenerativeBreaking)。顾名思 义，其输出电压高过于其输入电压。当开关导通时，二极管反向偏压，输入电能储存于电感，负载电能则由电容提供。当开关截止时，负载吸收输入及储存电感中之 电能。

               图5

图6所示为电感电流为连续之稳态工作波形，由稳态下电 感电压一周期之平均值为零可得

V_dt_on + (Vd#p#分页标题#e# - Vo)t_off =0

等 号两侧除以Ts，重新整理可得

假设电路无损失，输入功率Pd=VdId等于输出功率Po=VoIo，
则

              图6

升降压式直流至直流转换器
升降压 式转换器的主要用途为输入与输出的极性相反，输出电压可以高于或低于输入电压的直流电源供应器。升降压式转换器可以由降压式转换器与升压式转换式串接而 成，稳态下输入与输出电压转换器之比值为二转换器个别比值之乘积


因此变化责任周期D可使输出电压高于或低于输入电压。



直流至交流切换式逆变器
切换式直流至交流(DC/AC)逆变器 (Inveter)乃用以将直流电源转换成振幅与频率均可调之正弦式交流电源，主要用途为交流电机驱动与交流不断电电源供应器。图7为典型的交流马达驱动 的逆变器方块图，其直流输入电压通常由线电压整流及滤波而得，接着再利用切换式逆变器改变输出电压之振幅与频率，以驱动交流电机。切换式逆变器功率之流通 通常是由直流至交流，称为反流模式，但亦可以从交流至直流，称为整流模式。838电子#p#分页标题#e#

             图7 交流电机驱动的逆变器方块图

二极管整流器滤波电 容切换式逆变器

逆变器包括单相及三相，其输入为直流电压源者，称为电压源逆变器 (VoltageSourceInverter，VSI)。另外若输入为直流电流源者，称为电流逆变器 (CurrentSourceInverter，CSI)，目前仅应用在高功率之交流电机驱动器。
1．脉波宽度调变(PWM)逆变器：其输入电压 通常为固定，逆变器本身具备变频及变压的功能，而变频及变压乃利用开关的脉波宽度调变切换控制达成
，有许多类型的脉波宽度变技术可以使输出电压近 似弦波。
2．方波(Square-Wave)逆变器：此逆变器输出电压振幅乃由其输入电压调整，逆变器本身只控制输出频率，交流输出电压波形近似 方波，因此乃称方波逆变器。
3．采用电压消去法(VoltageCancellation)的单相逆变器：单相逆变器当输入电压为定值时，可以利 用电压消去法来变频及变压，而不须采用脉波宽度调变，其输出电压波形近似方波，因此其结合了前述两种逆变器的特色。值得注意的是，电压消去法并不适用于三 相逆变器。

切换式逆变器的基本观念
考虑图8(a)之单相逆变器，假设其正弦输出电压vo是经过滤波所得，若输出之负载为电感性 (如电机)，则输出电流io将落后Vo，如图8(b)所示。在期间1及3中，Vo与io同号，瞬时功率Po=Voio为正，故功率由直流侧送至交流侧称之 为反流模式；在期间2及4中，Vo与io异号，瞬时功率Po为负，故功率由交流侧送至直流侧称之为整流模式。图8(a)之切换式逆变器，在每一周期内，会 经历平面上四个象限中之所有象限。

              图8

为清楚解释起见，以单臂逆变器来说明。
#p#分页标题#e#

              
                    图9

逆 变器电路之脉波宽度调变切换技术如图9(a)所示，由一正弦波形控制讯号V_control与三角波形V_tri作 比较。三角波(又称载波)之振幅为Vtri，频率为fs，fs决定逆变器开关之切换频率，正弦波控制电压V_control(又 称调制讯号)之基频f1决定逆变器之输出频率，而其振幅则决定逆变器输出电压之大小。定义振幅调变指数为m_a=V_control/V_tri， 其中V_control为V_control之振幅，而频率调变指数则定义为m_f=f_s/f₁。


图 8逆变器之开关的控制方法与io方向无关，为

                   图10

由于二开关之导通为互补，因此输出电压只在 Vd/2与-Vd/2二值间作变动，图11(b)所示为ma=0.8与mf=15时输出电压VAo及其基本波(以虚线表示)的波形。

       图11

单相全桥式逆变器

单相全桥式逆变器如 图12所示，乃由两个前述之半桥逆变器所组成，在相同之输入电压下，全桥式逆变器之最大输出电压为半桥式之两倍，这代表在相同之功率下，全桥式逆变器之输 出及开关电流仅为半桥式之一半，此对于高功率用途是一大优点，因其可以降低使用并联组件的需求。

#p#分页标题#e#
       图12 双极性电压切换之脉波宽度调变

          图13 单极性电压切换之脉波宽度调变

          图14

图14 应用双极性电压切换之脉波宽度调变全桥式逆变器乃(T_A+,T_B-) 与(T_A-,T_B+)成对切换，且二者互相反相应用单极性电压切换之脉波宽度调变全桥式逆变器乃A臂与B独 立切换，且同臂二开关互相反相。

 图14 应用单极性电压切换之脉波宽度调变全桥式反流器乃A臂与B独立切换，且同臂二开关互相反相。

三 相逆变器

三相电压源逆变器之脉波宽度调变切换的功能为在固定输入直流电压下，用以调整三相输出电压之振幅及频率。三相脉波宽度调 变方式，由三相各差120度的控制电压与三角波作比较。其波形与单相全桥式逆变器采用脉波宽度调变单极性切换者类似。

#p#分页标题#e#