DC-AC逆变器 -- DC-AC逆变器和波形调制概述

一、DC-AC变换器概述

1.DC-AC的作用

DC-AC（直流转交流）转换的引出，通常涉及将直流电源转换为交流电源，这在许多应用中都是必需的，比如不间断电源（UPS）、太阳能发电系统和电动车等。

1. 1 电路拓扑结构

常见的DC-AC逆变器电路拓扑包括：

• 全桥逆变器：最常见的拓扑，利用四个开关（如MOSFET或IGBT）形成全桥电路，将直流电源两端交替连接到负载，从而产生交流电压。
• 半桥逆变器：使用两个开关和两个电容器形成半桥电路，结构简单，但输出功率较低，适用于小功率应用。
• 推挽逆变器：使用中心抽头变压器和两个开关，通过开关的交替操作产生交流电压，适用于较高功率应用。

1.2 控制方法

• 脉宽调制（PWM）：通过调节开关的占空比来控制输出电压和频率，常见于现代逆变器。
• 空间矢量调制（SVPWM）：一种更高级的PWM方法，能够提高逆变器的效率和输出波形质量。
• 正弦波调制：直接生成正弦波信号，用于高质量电源需求。

1.3 滤波器

为了获得纯净的交流输出，需要使用滤波器来滤除高频谐波。常见的滤波器包括：

• LC滤波器：由电感和电容组成，简单有效，广泛使用。
• LCL滤波器：在LC滤波器基础上增加一个电感，进一步提高谐波抑制能力。

1.4 保护电路

为了保护逆变器和负载，需要设计各种保护电路，例如：

• 过流保护：检测并限制输出电流，防止过载。
• 过压保护：防止输出电压过高，保护负载。
• 短路保护：快速断开电路，防止短路损坏。

1.5 控制与反馈

现代逆变器通常使用微控制器或DSP（数字信号处理器）进行控制。通过实时监测输出电压、电流等参数，调节PWM信号，以确保输出的稳定性和高质量。

1.6 应用领域

DC-AC逆变器广泛应用于以下领域：

• 可再生能源系统：如太阳能光伏逆变器，将直流电转换为交流电并入电网。
• 电动汽车：电动汽车的驱动系统需要将电池提供的直流电转换为驱动电机的交流电。
• 不间断电源（UPS）：在停电时提供交流电，确保关键设备的正常运行。

1.7 未来发展

随着技术的发展，DC-AC逆变器在效率、功率密度和控制精度上不断提升。例如，使用碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等新型半导体材料，可以显著提高逆变器的开关速度和效率。

2.全桥DC-AC的基本原理

全桥DC-AC转换器是一种常见的逆变器拓扑结构，用于将直流电转换为交流电。全桥逆变器通常用于要求较高功率和较高电能质量的应用，如光伏发电、UPS系统和电动机驱动。

2.1 全桥逆变器的结构

全桥逆变器由四个开关器件（通常是MOSFET或IGBT）组成一个H桥电路，四个开关分别标记为S1, S2, S3, 和 S4。它们的连接如下：

1. S1 和 S2：连接在直流电源的正极和负极之间，S1在上，S2在下。
2. S3 和 S4：也连接在直流电源的正极和负极之间，S3在上，S4在下。
3. 负载：连接在H桥的中间两个点之间，这两个点分别位于S1和S3之间，S2和S4之间。

2.2 工作原理

全桥逆变器的基本工作原理是通过交替打开和关闭四个开关器件，产生一个交变的输出电压。

正半周

1. 开关状态：S1和S4导通，S2和S3关闭。
2. 电流路径：电流从直流电源的正极通过S1、负载、S4流回直流电源的负极。
3. 输出电压：负载上的电压为正极性。

负半周

1. 开关状态：S2和S3导通，S1和S4关闭。
2. 电流路径：电流从直流电源的正极通过S3、负载、S2流回直流电源的负极。
3. 输出电压：负载上的电压为负极性。

2.3 控制方法

全桥逆变器通常采用脉宽调制（PWM）技术来控制开关器件的导通和关断时间，以生成所需的交流输出波形。

1. 调制信号：一个参考正弦波信号与一个载波三角波信号进行比较，产生PWM信号。
2. 开关信号生成：比较结果用于控制开关器件的导通和关断。例如，当正弦波信号高于三角波时，S1和S4导通，S2和S3关断；当正弦波信号低于三角波时，S2和S3导通，S1和S4关断。
3. 滤波：PWM信号经过滤波器（通常是LC滤波器），得到平滑的交流输出电压。

2.4 优点

• 高效率：全桥逆变器可以实现高效率的能量转换。
• 高功率：适用于大功率应用，因为电流可以通过四个开关的配置有效分配。
• 高电能质量：通过适当的控制策略和滤波，可以实现高质量的正弦波输出。

3.DC-AC电路中续流二极管分析

在全桥DC-AC逆变器（或其他类似电力电子设备）中，与IGBT（绝缘栅双极型晶体管）并联一个二极管的目的是提供续流路径，通常称为续流二极管或反并联二极管。

3.1 提供反向电流路径

当IGBT关闭时，如果电感性负载（如电机、电感）中的电流需要继续流动，二极管可以提供反向电流路径。这有助于避免由于电感性负载电流的突然中断而产生的高压尖峰，这种高压尖峰可能会损坏IGBT。

3.2 保护IGBT免受反向电压的损害

电感性负载的电流不会立即停止，而是会产生反向电压。二极管可以在这种情况下导通，使电流通过二极管而不是通过IGBT的反向电压，从而保护IGBT不受反向电压的损害。

3.3 提高电路效率

在高频开关操作中，续流二极管提供了一条低损耗的路径，允许电流在负载中的自然续流过程中更平滑地流动，从而提高了整个逆变器或转换器的效率。

3.4 续流二极管的具体作用原理

开关状态转换时的续流

1. IGBT关闭瞬间：当IGBT关闭时，由于电感元件中的电流不能瞬间变化，电流需要一个续流路径。这时并联的二极管会导通，提供一条低阻抗路径，使电流继续流动。
2. 能量释放：在电感性负载中，储存的能量通过二极管逐步释放，防止电流突然中断导致的高电压尖峰。

3.5 实际应用中的续流二极管

1. 逆变器电路：在逆变器中，电感性负载非常普遍，反并联二极管的作用非常关键，可以保护开关器件并提高电路的可靠性和效率。
2. 电动机驱动器：在电动机驱动器中，由于电动机的电感性，二极管提供了一个安全路径来续流电流，确保电动机的平稳运行。
3. 开关电源：在开关电源中，二极管可以保护开关器件并减少开关损耗。

二、方波变换

1. 脉冲幅值调制（PAM）

脉冲幅值调制是一种调制技术，通过改变脉冲的幅值来传递信号。对于DC-AC转换中的方波变换，PAM通常指在固定频率下，通过改变每个脉冲的宽度或幅值来控制输出电压。

1.1 基本原理

1. 输入信号：直流电源提供恒定的直流电压。
2. 脉冲发生器：生成固定频率的脉冲信号。
3. 调制器：根据需要调节脉冲的幅值或宽度。
4. 开关器件：通过控制信号使开关器件在脉冲期间导通或关断。

通过改变脉冲的幅值，可以调节输出电压的有效值。PAM主要用于通信系统中，而在电力电子领域，PAM的应用较少，更多的是PWM（脉宽调制）技术。

2. 单脉冲调制（SPM）

单脉冲调制是一种简单的调制方式，适用于产生方波输出。在这种方式中，每个周期只产生一个正脉冲和一个负脉冲，脉冲的宽度决定了输出的有效值。

2.1 基本原理

1. 输入信号：直流电源提供恒定的直流电压。
2. 控制信号：在每个周期内产生一个正脉冲和一个负脉冲。
3. 开关器件：通过控制信号在脉冲期间导通或关断。

在全桥逆变器中，单脉冲调制的工作过程如下：

1. 正脉冲生成：
   • S1和S4导通，S2和S3关断，输出正电压。
2. 负脉冲生成：
   • S2和S3导通，S1和S4关断，输出负电压。

每个周期内的脉冲宽度决定了输出电压的有效值和频率。

3.比较与应用

脉冲幅值调制（PAM）

• 优点：简单直观，容易实现。
• 缺点：输出电压的控制精度较低，谐波成分较多。
• 应用：更多用于通信系统，在电力电子中的应用有限。

单脉冲调制（SPM）

• 优点：实现简单，适用于低成本逆变器。
• 缺点：输出电压谐波成分较高，电能质量较低。
• 应用：适用于对电能质量要求不高的简单应用，如一些低成本UPS和便携式逆变器。

4.实现举例

单脉冲调制的实现步骤

1. 确定开关频率：选择开关频率，例如50Hz。
2. 生成控制信号：使用计时器或微控制器生成控制信号，在每个周期内分别产生一个正脉冲和一个负脉冲。
3. 驱动开关器件：将控制信号输入到驱动电路，控制IGBT或MOSFET的导通和关断。
4. 输出滤波：为了减少高频谐波，可以在输出端加装LC滤波器。

通过上述步骤，可以实现DC到方波AC的转换。单脉冲调制方法简单，但输出电能质量不高，适用于对电能质量要求不高的场合。

5.总结

脉冲幅值调制和单脉冲调制是两种基本的DC-AC方波变换方式。PAM通过调节脉冲幅值来控制输出，而SPM则通过在每个周期内生成固定宽度的正脉冲和负脉冲来产生方波输出。虽然这些方法简单易实现，但输出电能质量不如正弦波调制方法（如PWM）高，通常用于低成本、对电能质量要求不高的应用场合。

6.方波电平数

方波的电平数越多，THD就越小，就越贴近正弦波。

三、阶梯波变换

1.全桥方波叠加的阶梯波变换原理

阶梯波变换通过叠加多个不同幅值和相位的方波来近似正弦波。这种方法通常采用多个全桥逆变器，每个逆变器输出一个方波，通过控制这些方波的幅值和相位叠加形成阶梯波。

1.1 全桥逆变器结构

每个全桥逆变器由四个开关器件（如MOSFET或IGBT）和一个直流电源组成。四个开关器件分别标记为S1, S2, S3, 和 S4。负载连接在桥臂的中间两个点之间。

生成方波

每个全桥逆变器通过交替导通和关断开关器件产生方波：

• S1和S4导通，S2和S3关断，输出正电压。
• S2和S3导通，S1和S4关断，输出负电压。

阶梯波生成

通过调整多个全桥逆变器的输出方波的幅值和相位，可以生成阶梯波。阶梯波通过将多个不同电平的方波叠加形成，每个全桥逆变器提供一个阶梯电平。

1.2 两个全桥逆变器的阶梯波变换

假设有两个全桥逆变器，提供相同的直流电压V_dc。它们的输出波形通过以下步骤叠加生成阶梯波。

步骤1：生成单个全桥逆变器的方波

每个全桥逆变器产生的方波如下：

• 全桥逆变器1：产生幅值为V_dc的方波。
• 全桥逆变器2：产生幅值为V_dc的方波。

步骤2：叠加方波生成阶梯波

通过控制两个全桥逆变器的导通和关断时间，叠加它们的输出方波，可以生成三电平的阶梯波形。以下是一个完整周期内的操作过程：

1. 时刻t1-t2：全桥逆变器1导通，全桥逆变器2关断，输出电压为V_dc。

   

2. 时刻t2-t3：全桥逆变器1和全桥逆变器2同时导通，输出电压为2V_dc。

   

3. 时刻t3-t4：全桥逆变器1关断，全桥逆变器2导通，输出电压为V_dc。

   

4. 时刻t4-t5：全桥逆变器1和全桥逆变器2同时关断，输出电压为0。
5. 时刻t5-t6：全桥逆变器1导通，全桥逆变器2关断，输出电压为-V_dc。

   

6. 时刻t6-t7：全桥逆变器1和全桥逆变器2同时导通，输出电压为-2V_dc。
7. 时刻t7-t8：全桥逆变器1关断，全桥逆变器2导通，输出电压为-V_dc。
8. 时刻t8-t9：全桥逆变器1和全桥逆变器2同时关断，输出电压为0。

具体动画看视频更容易理解。

步骤3：周期性输出

通过不断重复上述操作过程，可以生成一个接近正弦波的周期性阶梯波形。每个周期内的阶梯数取决于全桥逆变器的数量和控制策略。

3.优点与应用

优点

1. 波形质量高：相比单个方波输出，通过叠加生成的阶梯波更接近正弦波，谐波含量低。
2. 控制灵活：可以通过增加全桥逆变器的数量和调整控制策略进一步改善输出波形质量。
3. 高效率：多电平逆变器结构提高了转换效率，减少了开关损耗。

应用

• 中高压变频器：用于工业电机驱动，提供高质量的交流电源。
• 光伏逆变器：提高光伏发电系统的输出电能质量。
• 电能质量改善设备：如有源电力滤波器和静止无功补偿器，改善电网的电能质量。

四、斩控调制方式

包括PWM、PFM、VF/VPW(变频/变脉宽调制)和CLC(先流控制)等方法。

1. 脉宽调制（PWM）

1.1 基本原理

脉宽调制（Pulse Width Modulation, PWM）是一种通过改变脉冲宽度来调节输出电压或电流的调制技术。PWM保持开关频率不变，通过改变每个周期内脉冲的导通时间和关断时间（即脉冲宽度）来控制输出。

1.2 实现方法

1. 载波信号：通常为高频三角波或锯齿波。
2. 调制信号：通常为正弦波，代表需要生成的交流输出波形。
3. 比较器：比较载波信号和调制信号，当调制信号高于载波信号时，输出高电平；反之，输出低电平。

1.3 输出波形

通过比较调制信号和载波信号，可以生成一系列脉宽可变的PWM信号。这些PWM信号经过滤波后，可以得到平滑的交流输出。

1.4 优点

• 高效率：开关器件在完全导通或完全关断状态下工作，开关损耗低。
• 高精度：通过精确控制脉冲宽度，可以实现高精度的输出控制。
• 良好的电能质量：经过适当滤波，可以产生接近正弦波的输出，谐波含量低。脉冲序列为高频，想要将PWM脉冲序列还原成正弦波，就要滤除高频分量，留下低频，因为正弦波是低频。

1.5 应用

• 电机驱动：通过PWM控制电机的速度和扭矩。
• 电源调节：在开关电源和逆变器中，用于调节输出电压和电流。
• 通信系统：用于调制和解调信号。

2. 脉频调制（PFM）

2.1 基本原理

脉频调制（Pulse Frequency Modulation, PFM）是一种通过改变脉冲频率来调节输出电压或电流的调制技术。与PWM不同，PFM保持脉冲宽度不变，通过改变脉冲的频率来控制输出。

2.2 实现方法

1. 固定脉冲宽度：每个脉冲的宽度固定不变。
2. 变频控制：根据需要输出的电压或电流，动态调整脉冲的频率。
3. 调制信号：控制脉冲发生器的频率，使输出电压或电流达到期望值。

2.3 输出波形

PFM通过调节脉冲的频率来控制输出。较高的频率对应较高的输出电压或电流，较低的频率对应较低的输出电压或电流。

2.4 优点

• 低功耗：在低负载或待机模式下，可以通过降低频率来减少功耗。
• 简单实现：控制电路相对简单，不需要复杂的比较和调制电路。
• 良好的效率：在某些应用场合下，特别是负载变化较大时，效率较高。

2.5 应用

• 电源管理：在低功耗电子设备中，用于提高待机效率。
• 电池供电设备：在电池供电的设备中，用于延长电池寿命。
• 通信系统：用于某些特定的调制和解调应用。

3.比较与应用场景

1. 控制精度：

   • PWM：可以实现高精度的输出控制，适用于需要精确电压或电流控制的场合。
   • PFM：控制精度较低，适用于对控制精度要求不高但对功耗要求较高的场合。

2. 电能质量：

   • PWM：经过滤波后可以得到高质量的正弦波输出，谐波含量低。
   • PFM：由于频率变化，滤波较难，输出波形质量相对较差。

3. 功耗和效率：

   • PWM：在高负载下效率高，但在低负载或待机模式下功耗较高。
   • PFM：在低负载或待机模式下效率高，可以有效降低功耗。

4. 电路复杂度：

   • PWM：需要复杂的比较和调制电路。
   • PFM：控制电路简单，实现容易。

五、逆变器的分类

六、波形指标

 学习来源（只用于个人学习笔记，建议对着老师视频学习理解更深入）：电力电子技术 06 DC-AC逆变器 (DCAC Converter / Inverter)_哔哩哔哩_bilibili