電源逆變器工作原理

-.z.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-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根本的轉(zhuǎn)換器電路構(gòu)造，升降壓式轉(zhuǎn)換器是此二根本轉(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。

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)所示之簡單電路來說明，由開關(guān)導(dǎo)通與截止可得圖2(b)之波形，其中輸出電壓Vo平均值大小Vo與開關(guān)之導(dǎo)通及截止時間(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)通時間之大小來改變平均輸出電壓之大小Vo。

AB圖2脈波寬度調(diào)變切換控制的方塊圖如圖3(a)所示，開關(guān)之切換控制信號由控制訊號Vcontrol與周期為Ts之鋸齒波Vst比擬而得，控制信號則由Vo之實際值與設(shè)定值之誤差放大而得。Vcontrol與Vst比擬所得之切換控制信號的波形如圖3(b)所示。當(dāng)控制訊號Vst較大時，則為高準(zhǔn)位信號，即使開關(guān)導(dǎo)通，反之為低準(zhǔn)位信號即使開關(guān)截止，故開關(guān)之切換周期亦為Ts，由以上的原理可知，開關(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給器及直流電機速度控制。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為升壓式轉(zhuǎn)換器電路，主要用途為直流電源供給器與直流電動機之再生制動(RegenerativeBreaking)。顧名思義，其輸出電壓高過于其輸入電壓。當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時，二極管反向偏壓，輸入電能儲存于電感，負(fù)載電能則由電容提供。當(dāng)開關(guān)截止時，負(fù)載吸收輸入及儲存電感中之電能。

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=0等號兩側(cè)除以Ts，重新整理可得

假設(shè)電路無損失，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給器。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)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驅(qū)動與交流不斷電電源供給器。圖7為典型的交流馬達(dá)驅(qū)動的逆變器方塊圖，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)動交流電機。切換式逆變器功率之流通通常是由直流至交流，稱為反流模式，但亦可以從交流至直流，稱為整流模式。

圖7交流電機驅(qū)動的逆變器方塊圖

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，其輸入為直流電壓源者，稱為電壓源逆變器(VoltageSourceInverter，VSI)。另外假設(shè)輸入為直流電流源者，稱為電流逆變器(CurrentSourceInverter，CSI)，目前僅應(yīng)用在高功率之交流電機驅(qū)動器。

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關(guān)的脈波寬度調(diào)變切換控制達(dá)成

，有許多類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，因此乃稱方波逆變器。

3．采用電壓消去法(VoltageCancellation)的單相逆變器：單相逆變器當(dāng)輸入電壓為定值時，可以利用電壓消去法來變頻及變壓，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。

切換式逆變器的根本觀念

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)過濾波所得，假設(shè)輸出之負(fù)載為電感性(如電機)，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，瞬時功率Po=Voio為正，故功率由直流側(cè)送至交流側(cè)稱之為反流模式；在期間2及4中，Vo與io異號，瞬時功率Po為負(fù)，故功率由交流側(cè)送至直流側(cè)稱之為整流模式。圖8(a)之切換式逆變器，在每一周期，會經(jīng)歷平面上四個象限中之所有象限。

圖8

為清楚解釋起見，以單臂逆變器來說明。

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Vcontrol與三角波形Vtri作比擬。三角波(又稱載波)之振幅為Vtri，頻率為fs，fs決定逆變器開關(guān)之切換頻率，正弦波控制電壓Vcontrol(又稱調(diào)制訊號)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逆變器之開關(guān)的控制方法與io方向無關(guān)，為

圖10由于二開關(guān)之導(dǎo)通為互補，因此輸出電壓只在Vd/2與-Vd/2二值間作變動，圖11(b)所示為ma=0.8與mf=15時輸出電壓VAo及其根本波(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，乃由兩個前述之半橋逆變器所組成，在一樣之輸入電壓下，全橋式逆變器之最大輸出電壓為半橋式之兩倍，這代表在一樣之功率下，全橋式逆變器之輸出及開關(guān)電流僅為半橋式之一半，此對于高功率用途是一大優(yōu)點，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-,TB+)成對切換，且二者互相反相應(yīng)用單極性電壓切換之脈波寬度調(diào)變?nèi)珮蚴侥孀兤髂薃臂與B獨立切換，且同臂二開關(guān)互相反相。

圖14應(yīng)用單極