全国大学生电子设计竞赛(七)--逆变电源设计

  从直流电源中获取交流电能，有多种方式，但至少需要两个功率开关器件，如图1所示的半桥式逆变电路是单相逆变电源的一种拓扑结构。此电路由两个串联的功率开关和两只串联的电容组成。两只串联电容的中点为参考点。电路工作原理如下：当V1导通V2关断时，电容C1上的能量释放到负载R上，输出电压Uo为正，同时电容C2充电；当V1关断V2导通时，电容C2上的能量释放到负载R上，输出电压Uo为负，同时电容C1充电。开关管V1、V2交替导通使得负载获得交流电能。
  半桥式逆变电路的优点是电路结构简单，两个电容的串联中心作为中性参考点，这样不会带来直流分量和磁偏，适合带动变压器负载。其不足之处在于，当电路工作在工频（50Hz- 60Hz）情况下，所需电容的容量比较大，增加电路的体积和成本。

  在大学生电子设计竞赛中，全桥式逆变电路是应用最广泛的一种电路。下面以下图图2（a）的单相全桥逆变电路说明全桥式逆变电路的基本原理。单相全桥逆变电路也称为‘H桥’电路，由四个功率开关管及其驱动辅助电路构成，工作时Q1与Q4通断互补、Q2与Q3通断互补。当Q1、Q3闭合，Q2、Q4断开时，负载电压Uo为正;当Q1、Q3断开，Q2、Q4闭合时，负载电压Uo为负，Uo波形如图2（b）所示。Q1、Q3和Q2、Q4交替导通，使得负载上获得交流电能。当负载不是纯电阻时，负载电压和负载电流不是同相位，这时开关管的寄生二极管D1-D4则起着电流续流的作用。

与半桥式逆变电路相比，全桥式逆变电路开关管数量增加了一倍，意味电路复杂度和成本也会增加。但是在相同的开关电流下，全桥电路的输出功率是半桥电路的两倍，因此全桥电路更适合于大功率应用场合。

  在电力电子发展史上，逆变电源占据非常重要的一环，而PWM控制技术在逆变电路中应用最广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。现在大量应用的逆变电源绝大多数都是PWM型逆变电源。正是由于在逆变电源中的应用，PWM技术才会发展得比较成熟，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。
  PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。PWM控制技术的理论基础为：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。如下图3（a）（b）和（c）所示的三个波形分别为矩形波脉冲、三角波形脉冲以及正弦波形脉冲，显然它们的形状完全不同，但是面积完全相同，如果把它们分别加在具有同一个惯性的环节上时，其输出作用完全相同。

如果用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，也就是说把正弦半波分成N等份，然后把它看成N个首尾相连的脉冲序列，而这些被平分的波形宽度完全相等，但幅值却不相等。然后用矩形脉冲代替这些被平分的N份波形，矩形脉冲同样被要求幅度相等，而宽度不相同，但是要保证它们的中点完全重合，面积与N份波形相同，这样就可以得到脉冲序列，如下图图4所示。根据上述分析，PWM 波形和正弦半波是等效的，对于负半周也可以用同样的方法得到该PWM波。这种新产生的PWM波叫做SPWM波。

  在历年的全国大学生电子设计竞赛中，对逆变电源的考察主要以多相的形式出现。如2005年G题三相正弦波变频电源，2017年微电网模拟系统。在全国大学生电子设计竞赛电源方向的培训中，多相逆变电源设计制作必不可少的，其中三相逆变电源最主要的。

  （1）三相交流电：是电能的一种输送形式，是由三个频率相同、振幅相等、相位依次互差120°的交流电势组成，分别为A、B、C三相。三相电的波形图和矢量图如下图所示。
  （2）星形接法和三角形接法
  星形接法：也称Y型接法，如下图图5（a）所示每一相的负载的一端都接在公共点上。公共点为中性点，N为中性线。

三角形接法：如下图图6（b）所示，每一相的负载首尾相连,形成三角形接法。每一种接法有不同的应用场合，Y形接法用来为家庭和办公中使用的日常单相设备供电，三角形接法最常用的情况是为功率较高的三相工业负载供电。

（3）线电压、线电流、相电压和相电流
  线电压：三相供电系统两线之间的电压。如下图图7（a）Y型接法ABC三线间的电压U A B U_{\mathrm{AB}}UAB​ ，U A C U_{\mathrm{AC}}UAC​ ，U B C U_{\mathrm{BC}}UBC​ 。
  相电压：三相供电系统ABC三相分别对中性线的电压。如下图图7（a）Y型接法ABC三相电压U A N U_{\mathrm{AN}}UAN​ ，U B N U_{\mathrm{BN}}UBN​ ，U C N U_{\mathrm{CN}}UCN​ 。
  线电流：线电流是三相电源中每根导线中的电流为线电流。如下图图7（a）Y型接法中i A i_{\mathrm{A}}iA​ ，i B i_{\mathrm{B}}iB​ ，i C i_{\mathrm{C}}iC​ 。
  相电流：相电流是指三相电源中流过每相负载的电流。如下图图7（a）Y型接法中i A N i_{\mathrm{AN}}iAN​，i B N i_{\mathrm{BN}}iBN​，i C N i_{\mathrm{CN}}iCN​。
  在Y型均衡接法中，线电压和相电压之间是呈现等边三角形关系，如下图图8所示的电压矢量图。线电压等效于等边三角形的三边，相电压等效于等边三角形的中心与顶点的连线。三个线电压是对称的：大小相等，为相电压的 倍，相位领先对应的相电压30度，互成120度。而线电流和相电流相等。
  在三角形接法中，线电压与相电压是相等的，二线电流和相电流的关系和Y型接法中线电压和相电压的关系一样。

  图9为三相有源逆变电路结构，可看做由三个半桥组成，取三个半桥中间点作为三相的输出。用三个互差120°的正弦波与高频三角载波进行比较，每路结果再经反相器产生与原信号相反的控制波，分别控制上下桥臂MOS的导通与关断。这样产生的六路SPWM波分别控制六个MOS的通断，从而在负载端产生与调制波同频的三相交流电。

转自CSDN：果果小师弟