单相逆变器的工作原理讲解

在读大学的时候，开关电源这门课，在我映像里都是写铺天盖地推导公式，让人看得眼花缭乱，精髓真的很难把握，同感的举个爪!其实开关电源这门课真的很实用，大到航天电网，小到家电玩具，各个角落都有它的身影，别不信，你现在玩的电脑或者手机里都有它的存在。

开关电源真的很有趣，在开关管、二极管、电感、电容、电阻的配合下，就把一种电源变为另一种电源，满足各种电器设备的使用。

开关电源的种类有很多，主要分三类DC-DC(直流电源转化为直流电源)、AC-DC(交流电源转化为直流电源)、DC-AC(直流电源转化为交流电源)，这只是开关电源的几种类型，在每种类型下，又各自有很多种电路，比如DC-DC类，它又分为boost电路(升压电路)、buck电路(降压电路)、flyback电路(buck类)、cuk电路、buck-boost电路等，各种电路都有各自的特性和作用。

今天我们展示的内容是开关电源中的DC-AC类，也就是我们常说的逆变器，逆变器的作用即使把直流电变为需要的交流电。说到这里，有人会问我，逆变器的运用场景有什么呢?

逆变器的重要运用之一就是可以用来给交流电机调速，只要改变电机的励磁线圈中的励磁电流的频率，那么电机中的磁场频率旋转频率也在变，磁场频率在变，那么电机的转速就会改变。

逆变器的另一个重要的运用是工业冶炼炉，冶炼炉的炉体通过带高频电流的线圈作用进行升温(涡流效应)，进而对炉内的矿物进行冶炼。

除此之外，逆变器还运用在新能源设备的发电上，新能源包括太阳能发电、风力发电、地热发电、海浪发电等，这些设备的都是把自然界的其他形式的能量转化为电能，这个电能除了自己的用电设备使用外，还可以把电卖给电网，嘿嘿，是不是发现了一个赚钱之道!但是你卖电之前要做的事就是要把你发的电调制成电网要求的形式，比方说330KV/50HZ，如果你不按要求调制的话，那么你发的电就卖不出去了，至于卖不出去的原因大家可以百度下，这里不是我介绍的重点，你只需要知道，你发的电质量太差，频率和幅值都是不稳定的，直接输送电网会对电网和电网上的设备造成危害。在调制过程中就使用到逆变器，他把各式各样的发电设备发出来并转化成直流电进行频率调制，频率调制好后的交流电在通过电力变压器进行升压，最终就实现了新能源设备发的电传输到电网。

逆变器真的很好玩，直接把直流电转化为交流电。

逆变器的整个工作原理是什么样的呢?

今天的讲解我这里就只用单相逆变器进行阐述了，因为我的电脑太卡了，只能仿真简单的，复杂的运行不起来，大家谅解下。

单相逆变器的原理就是一个H桥，该电路由四部分组成，15V直流源、4个开关管(M1、M2、M3、M4，M1和M4是PMOS管，M2和M3是NMOS管)、电感L1、开关管控制电源(PWM1、PWM2，PWM1和PWM2的控制逻辑相反)

实验电路

H桥的原理就是四个开关管在同一个时刻，只有对角上的两个管子导通，另一个对角上的两个管子处于关断，下一个时刻两个对角的管子的开通和关断的逻辑相反，比如说，t=0s时，M1和M3处于开通状态，M2和M4处于关断状态;t=0.5s时，M2和M4处于开通状态，M1和M3处于关断状态。根据上面的讲解，那么我们就知道，控制M1和M3的控制信号的逻辑要一致，控制M2和M4的控制信号的逻辑要一致，并且控制M1和M3的信号的逻辑与控制M2和M4的信号的逻辑要相反。

如果4个开关管都是NMOS的情况，我们直接按照上面的讲解的逻辑直接驱动开关管，但不幸的是，我们搭建的H桥使用的M1和M4是PMOS，而不是NMOS。如果我们使用了NMOS，会存在一个问题，M1和M4的地会随着电感两端的电压变化而变化，该地是浮动地，因此要正常驱动M1和M4就要使用一个带有浮动地的电源，也不是不可以搭建，但是想想自己电脑的配置，瞬间没了动力，因此这里就使用PMOS了，使用PMOS就不用单独搭建一个浮动地电源。

PMOS开通要求门极(G)电压比漏极(D)电压低10V即可，PMOS关断要求门极(G)电压和漏极(D)电压一致即可;NMOS开通要求门极(G)电压比漏极(D)电压高10V即可，NMOS关断要求门极(G)电压等于漏极(D)电压即可。看到这里我猜有人会问，为什么是10V呢?因为一般大功率的MOS管(不分PMOS还是NMOS)的开通电压一般为两倍的阈值电压即可，而一般的大功率的开关管的阈值电压的绝对值大概就是5V左右，因此这里选择10V。

因此直接综上，我们加入两个PMOS后的控制逻辑如下：M1和M2一致，M3和M4一致，M1和M2与M3和M4控制逻辑相反。

至于控制的信号产生，我们这里使用一个三角波和一个正弦波进行比较输出控制信号PWM，正弦波是我们逆变输出的参考波形，这个参考波形频率是10HZ，那么也就决定了我们逆变输出的正弦波的频率也是10HZ，

参考正弦波

三角波

比较输出控制波形PWM_1

比较输出控制波形PWM_1展开细节

PWM_1输出波形的整个过程中的波形展示

控制波PWM_1和PWM_2的波形展示

控制波PWM_1和PWM_2的波形细节展示

逆变输出正弦波展示

逆变输出正弦波细节展示

我们可以从上面的仿真输出结果看出，输出的正弦波的幅值为200多安培，注意逆变器输出的是电流型的正弦波，不是我们正常说的电压正弦波!逆变的过程就是利用了电感的电流不能突变的原理，根据我们高中的知识，电感两端的电压和电流满足要求：

UL=L*di/dt

两边同时对时间进行积分得：IL=Ut/L

电感两端的电压是常量，也就是我们的直流电源15V，UL=15V(忽略开关管的压降)，t是每次开关管的开通的时间，这个时间是变化的，从上面的PWM波就可以看出来，L就是我们的电感0.3mH，根据上面的公式就可以计算出每一次开关后电感上面的电流变化的大小，电流变化的情况可以从最后一幅图中看出，逆变输出的波形上面的锯齿状的变化就是每次开关管造成的电感的电流的变化，电感越小电流变化的越明显，我们把电感从0.5mH变为0.05mH的输出波形如下，明显看出电感的电流变化更大了，也可以说输出的正弦波的纹波更大了。

0.05mH的输出波形

从上面的演示结果来看，逆变的原理是不是更清晰了。逆变没有那么复杂，主要就是通过开关管搭建的回路让直流电源短时间给电感充放电，电感天生拥有电流不会突变的特性，这就意味着电感每次开关只会让电感上的电流小幅度变化，这就是DC-AC的精妙之处。我也不是光说不练的假把式，我曾经开发过风电的IGBT驱动器，做过连续功率、双脉冲、短路等强功率试验，对这些还是基本能运筹帷幄，我这次目的就是想让大家好好了解下逆变器的原理，希望我的经验助你进步一臂之力!