電源逆變器工作原理

1、電源逆變器工作原理直流至直流切換式轉(zhuǎn)換器典型直流至直流轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的構(gòu)造如圖1所示，其輸入通常為由線電壓整流而得到非調(diào)節(jié)直流電壓，然后再利用切換式直流至直流轉(zhuǎn)換器將此變動(dòng)的直流電壓轉(zhuǎn)換成一調(diào)節(jié)的直流電壓。圖1 直流至直流切換式轉(zhuǎn)換器典型直流至直流轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的構(gòu)造1降壓式(step-downbuck)轉(zhuǎn)換器。2升壓式(step-upboost)轉(zhuǎn)換器。3升降壓式(step-down/step-u電源逆變器工作原理直流至直流切換式轉(zhuǎn)換器典型直流至直流轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的構(gòu)造如圖1所示，其輸入通常為由線電壓整流而得到非調(diào)節(jié)直流電壓，然后再利用切換式直流至直流轉(zhuǎn)換器將此變動(dòng)的直流電壓轉(zhuǎn)換成一調(diào)節(jié)的直流電壓。圖1

2、 直流至直流切換式轉(zhuǎn)換器典型直流至直流轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的構(gòu)造1降壓式(step-downbuck)轉(zhuǎn)換器。2升壓式(step-upboost)轉(zhuǎn)換器。3升降壓式(step-down/step-upbuck-boost)轉(zhuǎn)換器。4全橋式轉(zhuǎn)換器。上述四種轉(zhuǎn)換器中，只有降壓式及升壓式是最基本的轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)，升降壓式轉(zhuǎn)換器是此二基本轉(zhuǎn)換器的結(jié)合，而全橋式轉(zhuǎn)換器則是由降壓式轉(zhuǎn)換器衍生而來(lái)。直流至直流轉(zhuǎn)換器的控制直流至直流轉(zhuǎn)換器的作用即是在輸入電壓與輸出負(fù)載變動(dòng)的情況下能夠調(diào)節(jié)輸出電壓為所設(shè)定的位準(zhǔn)。電壓位準(zhǔn)轉(zhuǎn)換之原理可以圖2(a)所示之簡(jiǎn)單電路來(lái)說(shuō)明，由開(kāi)關(guān)導(dǎo)通與截止可得圖2(b)之波形，其中輸出電壓Vo平

3、均值大小Vo與開(kāi)關(guān)之導(dǎo)通及截止時(shí)間(ton及toff)有關(guān)。平均輸出電壓大小調(diào)整之最典型的方式是采用脈波寬度調(diào)變法(Pulse-WidthModulation，PWM)，其切換周期Ts(=ton+toff)為固定，由調(diào)整導(dǎo)通時(shí)間之大小來(lái)改變平均輸出電壓之大小Vo。   A                         

4、0;                      B                          圖2脈波寬度調(diào)變切換控制的方塊圖如圖3

5、(a)所示，開(kāi)關(guān)之切換控制信號(hào)由控制訊號(hào)Vcontrol與周期為T(mén)s之鋸齒波Vst比較而得，控制信號(hào)則由Vo之實(shí)際值與設(shè)定值之誤差放大而得。Vcontrol與Vst比較所得之切換控制信號(hào)的波形如圖3(b)所示。當(dāng)控制訊號(hào)Vst較大時(shí)，則為高準(zhǔn)位信號(hào)，即使開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，反之為低準(zhǔn)位信號(hào)即使開(kāi)關(guān)截止，故開(kāi)關(guān)之切換周期亦為T(mén)s，由以上的原理可知，開(kāi)關(guān)切換之責(zé)任周期(DutyRatio)為D=ton/Ts=Vcontrol/Vst，其中Vst為鋸齒波的振幅。             圖

6、3降壓式直流至直流轉(zhuǎn)換器降壓式轉(zhuǎn)換器，顧名思義，其作用為將較高準(zhǔn)位的輸入電壓換成較低準(zhǔn)位的輸出電壓，主要用途為直流電源供應(yīng)器及直流電機(jī)速度控制。圖2(a)所示為提供純電阻性負(fù)載之降壓式轉(zhuǎn)換器，由圖2(b)可知其輸出電壓波形由開(kāi)關(guān)位置決定。平均輸出電壓為                        圖 4    升壓式直流至直流轉(zhuǎn)換器圖5

7、為升壓式轉(zhuǎn)換器電路，主要用途為直流電源供應(yīng)器與直流電動(dòng)機(jī)之再生制動(dòng)(RegenerativeBreaking)。顧名思義，其輸出電壓高過(guò)于其輸入電壓。當(dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，二極管反向偏壓，輸入電能儲(chǔ)存于電感，負(fù)載電能則由電容提供。當(dāng)開(kāi)關(guān)截止時(shí)，負(fù)載吸收輸入及儲(chǔ)存電感中之電能。               圖5圖6所示為電感電流為連續(xù)之穩(wěn)態(tài)工作波形，由穩(wěn)態(tài)下電感電壓一周期之平均值為零可得Vdton + (Vd - Vo)toff

8、0;=0等號(hào)兩側(cè)除以Ts，重新整理可得假設(shè)電路無(wú)損失，輸入功率Pd=VdId等于輸出功率Po=VoIo，則              圖6升降壓式直流至直流轉(zhuǎn)換器升降壓式轉(zhuǎn)換器的主要用途為輸入與輸出的極性相反，輸出電壓可以高于或低于輸入電壓的直流電源供應(yīng)器。升降壓式轉(zhuǎn)換器可以由降壓式轉(zhuǎn)換器與升壓式轉(zhuǎn)換式串接而成，穩(wěn)態(tài)下輸入與輸出電壓轉(zhuǎn)換器之比值為二轉(zhuǎn)換器個(gè)別比值之乘積因此變化責(zé)任周期D可使輸出電壓高于或低于輸入電壓。直流至交流切換式逆變器切換式直流至交流(DC/AC

9、)逆變器(Inveter)乃用以將直流電源轉(zhuǎn)換成振幅與頻率均可調(diào)之正弦式交流電源，主要用途為交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)與交流不斷電電源供應(yīng)器。圖7為典型的交流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的逆變器方塊圖，其直流輸入電壓通常由線電壓整流及濾波而得，接著再利用切換式逆變器改變輸出電壓之振幅與頻率，以驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)。切換式逆變器功率之流通通常是由直流至交流，稱(chēng)為反流模式，但亦可以從交流至直流，稱(chēng)為整流模式。             圖7 交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的逆變器方塊圖二極管整流器濾波電容切換式逆變器逆變器包括單相及三相，其

10、輸入為直流電壓源者，稱(chēng)為電壓源逆變器(VoltageSourceInverter，VSI)。另外若輸入為直流電流源者，稱(chēng)為電流逆變器(CurrentSourceInverter，CSI)，目前僅應(yīng)用在高功率之交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。1脈波寬度調(diào)變(PWM)逆變器：其輸入電壓通常為固定，逆變器本身具備變頻及變壓的功能，而變頻及變壓乃利用開(kāi)關(guān)的脈波寬度調(diào)變切換控制達(dá)成，有許多類(lèi)型的脈波寬度變技術(shù)可以使輸出電壓近似弦波。2方波(Square-Wave)逆變器：此逆變器輸出電壓振幅乃由其輸入電壓調(diào)整，逆變器本身只控制輸出頻率，交流輸出電壓波形近似方波，因此乃稱(chēng)方波逆變器。3采用電壓消去法(VoltageCan

11、cellation)的單相逆變器：?jiǎn)蜗嗄孀兤鳟?dāng)輸入電壓為定值時(shí)，可以利用電壓消去法來(lái)變頻及變壓，而不須采用脈波寬度調(diào)變，其輸出電壓波形近似方波，因此其結(jié)合了前述兩種逆變器的特色。值得注意的是，電壓消去法并不適用于三相逆變器。切換式逆變器的基本觀念考慮圖8(a)之單相逆變器，假設(shè)其正弦輸出電壓vo是經(jīng)過(guò)濾波所得，若輸出之負(fù)載為電感性(如電機(jī))，則輸出電流io將落后Vo，如圖8(b)所示。在期間1及3中，Vo與io同號(hào)，瞬時(shí)功率Po=Voio為正，故功率由直流側(cè)送至交流側(cè)稱(chēng)之為反流模式；在期間2及4中，Vo與io異號(hào)，瞬時(shí)功率Po為負(fù)，故功率由交流側(cè)送至直流側(cè)稱(chēng)之為整流模式。圖8(a)之切換式逆變

12、器，在每一周期內(nèi)，會(huì)經(jīng)歷平面上四個(gè)象限中之所有象限。              圖8為清楚解釋起見(jiàn)，以單臂逆變器來(lái)說(shuō)明。                             &

13、#160;     圖9逆變器電路之脈波寬度調(diào)變切換技術(shù)如圖9(a)所示，由一正弦波形控制訊號(hào)Vcontrol與三角波形Vtri作比較。三角波(又稱(chēng)載波)之振幅為Vtri，頻率為fs，fs決定逆變器開(kāi)關(guān)之切換頻率，正弦波控制電壓Vcontrol(又稱(chēng)調(diào)制訊號(hào))之基頻f1決定逆變器之輸出頻率，而其振幅則決定逆變器輸出電壓之大小。定義振幅調(diào)變指數(shù)為ma=Vcontrol/Vtri，其中Vcontrol為Vcontrol之振幅，而頻率調(diào)變指數(shù)則定義為mf=fs/f1。圖8逆變器之開(kāi)關(guān)的控制方法與io方向無(wú)關(guān)，為    &

14、#160;              圖10由于二開(kāi)關(guān)之導(dǎo)通為互補(bǔ)，因此輸出電壓只在Vd/2與-Vd/2二值間作變動(dòng)，圖11(b)所示為ma=0.8與mf=15時(shí)輸出電壓VAo及其基本波(以虛線表示)的波形。       圖11單相全橋式逆變器單相全橋式逆變器如圖12所示，乃由兩個(gè)前述之半橋逆變器所組成，在相同之輸入電壓下，全橋式逆變器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍，這代表在相同之功率下，全橋式逆變器之輸出及開(kāi)關(guān)電流僅為半橋式之一半，此對(duì)于高功率用途是一大優(yōu)點(diǎn)，因其可以降低使用并聯(lián)組件的需求。       圖12 雙極性電壓切換之脈波寬度調(diào)變          圖13 單極性電壓切換之脈波寬度調(diào)變          圖14圖14 應(yīng)用雙極性電壓切換之脈波寬度調(diào)變?nèi)珮蚴侥孀兤髂?TA+,TB-)與(TA