逆变器的结构及工作原理

逆变器由半导体功率器件和逆变驱动、控制电路两大部分构成，由于微电子技术和电力电子技术的发展，促进了新型大功率半导体器件和驱动控制电路的出现，现在逆变器多采用绝缘栅极晶体管、功率场效应管、MOS控制器晶闸管以及智能型功率模块等各种先进和易与控制的大功率器件。控制电路也从原有的模拟集成电路发展到了由单片机控制或者是数字信号处理器控制，使逆变器向着系统化、全控化、节能化和多功能化方向发展。

1.逆变器基本结构

逆变器结构由输入电路、主力变电路、输出电路、辅助电路、控制电路和保护电路等构成。如图1-1所示：

输入电路负责提供直流输入电压；主逆变电路通过半导体开关器件的作用完成逆变程序；输出电路主要对主逆变电路输出交流电的频率、相位和电压、电流的幅值进行补偿和修正，以达到一定标准；控制电路为主逆变电路提供脉冲信号，控制半导体器件的开通与关断；辅助电路将输入电路的直流电压换成适合控制电路工作的直流电压，同时也包括了一系列的检测电路。

2.逆变电路基本工作原理

逆变器的工作原理类似开关电源，通过一个振荡芯片，或者特定的电路，控制着振荡信号输出，信号通过放大，推动场效应管不断开关，这样直流电输入之后，经过这个开关动作，就形成一定的交流特性，经过修正，就可以得到类似电网上的那种正弦波交流。

逆变器是一种功率调查装置，对于使用交流负载的独立光伏系统来说，逆变器是必要的。逆变器选择的一个重要因素就是所设定的直流电压的大小。逆变器的输出可分为直流输出和交流输出两类。对于直流输出，逆变器称为变换器，是直流电压到直流电压的转换，这样可以提供不同电压的直流负载工作所需的电压。

对交流输出，要考虑的除了输出功率和电压外，还应考虑其波形和频率。在输入端需注意逆变器所要求的直流电压和所能承受的浪涌电压的变化。

逆变器的控制可使用逻辑电路或专用的控制芯片，也可以使用通用单片机或DSP芯片等，控制功率开关管的门极驱动电路。逆变器输出可以带有一定的稳压能力，以桥式逆变器为例，如果设计逆变器输出的交流母线额定电压峰值比其直流母线额定电压低10%~20%（目的是使其具备一定的稳压能力）。

则逆变器经PWM调制输出其幅值可以向高10%~20%调节的余量，向低调节则不受限制，只需降低PWM的开通占空比即可。因此逆变器输入直流电压波动范围为-15%~20%，向上只要器件耐压允许则不受限制，只需调节小输出脉宽即可（相当于斩波）。

当蓄电池或光伏电池输出电压较低时，逆变器内部需配置升压，电路升压可以使开关电源方式升压，也可以使用直流充电泵原理升压。逆变器使用输出变压器形式升压，即逆变器电压与蓄电池或光伏电池阵列电压相匹配，逆变器输出较低的交流电压，再经工频变压器升压输入配电线路。

需要说明的是，不论变压器还是电子电路升压，都要损失一部分能量。最佳逆变器工作模式是直流输入电压与输电线路所需要的电压相匹配，直流电力只经过一层逆变环节，以降低变换环节的损耗，一般来说逆变器的效率在90%以上。逆变环节损耗的能量转换为功率管、变压器的热形式能量。

该热量对逆变器的运行是不利的，威胁装置的安全，要使用散热器、风扇等将此热量排出装置以外。逆变损耗通常包括两部分：导通损耗和开关损耗。

MOSFET管开关频率较高，导通阻抗较大，由其构成的逆变器多工作在几十到上百千赫兹频率下；而IGBT导通压降相对较小，开关损耗较小，开关频率在几千到几十千赫兹之间，一般选择十千赫兹以下。

开关并非理想开关，在其开通过程中电流有一上升过程，管子端电压有一下降过程，电压与电流交叉过程的损耗就是开通损耗，关断损耗为电压电流相反变化方向的交叉损耗。降低逆变器损耗主要是要降低开关损耗，新型谐振型开关逆变器，在电压或电流过零点处实施开通或关断，从而可以降低开关损耗。

下面以单相桥式逆变电路为例说明逆变电路最基本的工作原理，如图1-2（a）所示。开关S1~S4分别位于桥式电路的4个臂上，由电力电子器件和辅助电路构成。

当S1和S4闭合、S2和S3断开时，负载上得到左正右负正向电压Uo，其波形如图1-2（b）所示。通过这种方式就把直流电变为了交流电，并且改变开关频率，就可以改变输出交流电的频率。

电阻性负载时，负载电流io和电压uo的波形相同，相位也相同；当为阻感性负载时，电流io的基波相位滞后于uo的激波，两者波形也不同，如图，1-2（b）所示为阻感性负载时，io的波形。设ti时刻以前S1和S4闭合，uo和io均为正，在t1时刻断开，同时闭合S2和S3，则uo极性立刻变为负。

由于负载中有电感存在，其电流方向不可能立刻改变方向，而是维持原来的方向，电流从电源负载流出经过S2和S3流入电源正极，负载中储存的能量向直流电源反馈，负载电流逐渐减小，到t2时刻变为零以后才逐渐反向增大。S2、S3断开，S1、S4闭合时情况相似。上述是S1~S4为理想开关时的分析，实际电路的工作过程更为复杂。