逆變器的結(jié)構(gòu)及工作原理

逆變器由半導(dǎo)體功率器件和逆變驅(qū)動(dòng)、控制電路兩大部分構(gòu)成，由于微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了新型大功率半導(dǎo)體器件和驅(qū)動(dòng)控制電路的出現(xiàn)，現(xiàn)在逆變器多采用絕緣柵極晶體管、功率場(chǎng)效應(yīng)管、MOS控制器晶閘管以及智能型功率模塊等各種先進(jìn)和易與控制的大功率器件?？刂齐娐芬矎脑械哪M集成電路發(fā)展到了由單片機(jī)控制或者是數(shù)字信號(hào)處理器控制，使逆變器向著系統(tǒng)化、全控化、節(jié)能化和多功能化方向發(fā)展。

1. 逆變器基本結(jié)構(gòu)

逆變器結(jié)構(gòu)由輸入電路、主力變電路、輸出電路、輔助電路、控制電路和保護(hù)電路等構(gòu)成。

輸入電路負(fù)責(zé)提供直流輸入電壓；主逆變電路通過(guò)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的作用完成逆變程序；輸出電路主要對(duì)主逆變電路輸出交流電的頻率、相位和電壓、電流的幅值進(jìn)行補(bǔ)償和修正，以達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)；控制電路為主逆變電路提供脈沖信號(hào)，控制半導(dǎo)體器件的開(kāi)通與關(guān)斷；輔助電路將輸入電路的直流電壓換成適合控制電路工作的直流電壓，同時(shí)也包括了一系列的檢測(cè)電路。

2. 逆變電路基本工作原理

逆變器的工作原理類(lèi)似開(kāi)關(guān)電源，通過(guò)一個(gè)振蕩芯片，或者特定的電路，控制著振蕩信號(hào)輸出，信號(hào)通過(guò)放大，推動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管不斷開(kāi)關(guān)，這樣直流電輸入之后，經(jīng)過(guò)這個(gè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，就形成一定的交流特性，經(jīng)過(guò)修正，就可以得到類(lèi)似電網(wǎng)上的那種正弦波交流。

逆變器是一種功率調(diào)查裝置，對(duì)于使用交流負(fù)載的獨(dú)立光伏系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，逆變器是必要的。逆變器選擇的一個(gè)重要因素就是所設(shè)定的直流電壓的大小。逆變器的輸出可分為直流輸出和交流輸出兩類(lèi)。對(duì)于直流輸出，逆變器稱(chēng)為變換器，是直流電壓到直流電壓的轉(zhuǎn)換，這樣可以提供不同電壓的直流負(fù)載工作所需的電壓。

對(duì)交流輸出，要考慮的除了輸出功率和電壓外，還應(yīng)考慮其波形和頻率。在輸入端需注意逆變器所要求的直流電壓和所能承受的浪涌電壓的變化。

逆變器的控制可使用邏輯電路或?qū)Ｓ玫目刂菩酒?，也可以使用通用單片機(jī)或DSP芯片等，控制功率開(kāi)關(guān)管的門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路。逆變器輸出可以帶有一定的穩(wěn)壓能力，以橋式逆變器為例，如果設(shè)計(jì)逆變器輸出的交流母線(xiàn)額定電壓峰值比其直流母線(xiàn)額定電壓低10%~20%（目的是使其具備一定的穩(wěn)壓能力）。

則逆變器經(jīng)PWM調(diào)制輸出其幅值可以向高10%~20%調(diào)節(jié)的余量，向低調(diào)節(jié)則不受限制，只需降低PWM的開(kāi)通占空比即可。因此逆變器輸入直流電壓波動(dòng)范圍為-15%~20%，向上只要器件耐壓允許則不受限制，只需調(diào)節(jié)小輸出脈寬即可（相當(dāng)于斬波）。

當(dāng)蓄電池或光伏電池輸出電壓較低時(shí)，逆變器內(nèi)部需配置升壓，電路升壓可以使開(kāi)關(guān)電源方式升壓，也可以使用直流充電泵原理升壓。逆變器使用輸出變壓器形式升壓，即逆變器電壓與蓄電池或光伏電池陣列電壓相匹配，逆變器輸出較低的交流電壓，再經(jīng)工頻變壓器升壓輸入配電線(xiàn)路。

需要說(shuō)明的是，不論變壓器還是電子電路升壓，都要損失一部分能量。很好的逆變器工作模式是直流輸入電壓與輸電線(xiàn)路所需要的電壓相匹配，直流電力只經(jīng)過(guò)一層逆變環(huán)節(jié)，以降低變換環(huán)節(jié)的損耗，一般來(lái)說(shuō)逆變器的效率在90%以上。逆變環(huán)節(jié)損耗的能量轉(zhuǎn)換為功率管、變壓器的熱形式能量。

該熱量對(duì)逆變器的運(yùn)行是不利的，威脅裝置的平安，要使用散熱器、風(fēng)扇等將此熱量排出裝置以外。逆變損耗通常包括兩部分：導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗。

MOSFET管開(kāi)關(guān)頻率較高，導(dǎo)通阻抗較大，由其構(gòu)成的逆變器多工作在幾十到上百千赫茲頻率下；而IGBT導(dǎo)通壓降相對(duì)較小，開(kāi)關(guān)損耗較小，開(kāi)關(guān)頻率在幾千到幾十千赫茲之間，一般選擇十千赫茲以下。

開(kāi)關(guān)并非理想開(kāi)關(guān)，在其開(kāi)通過(guò)程中電流有一上升過(guò)程，管子端電壓有一下降過(guò)程，電壓與電流交叉過(guò)程的損耗就是開(kāi)通損耗，關(guān)斷損耗為電壓電流相反變化方向的交叉損耗。降低逆變器損耗主要是要降低開(kāi)關(guān)損耗，新型諧振型開(kāi)關(guān)逆變器，在電壓或電流過(guò)零點(diǎn)處實(shí)施開(kāi)通或關(guān)斷，從而可以降低開(kāi)關(guān)損耗。

下面以單相橋式逆變電路為例說(shuō)明逆變電路很基本的工作原理。開(kāi)關(guān)S1~S4分別位于橋式電路的4個(gè)臂上，由電力電子器件和輔助電路構(gòu)成。

當(dāng)S1和S4閉合、S2和S3斷開(kāi)時(shí)，負(fù)載上得到左正右負(fù)正向電壓Uo。通過(guò)這種方式就把直流電變?yōu)榱私涣麟?，并且改變開(kāi)關(guān)頻率，就可以改變輸出交流電的頻率。

電阻性負(fù)載時(shí)，負(fù)載電流io和電壓uo的波形相同，相位也相同；當(dāng)為阻感性負(fù)載時(shí)，電流io的基波相位滯后于uo的激波，兩者波形也不同，為阻感性負(fù)載時(shí)，io的波形。設(shè)ti時(shí)刻以前S1和S4閉合， uo和io均為正，在t1時(shí)刻斷開(kāi)，同時(shí)閉合S2和S3，則uo極性立刻變?yōu)樨?fù)。

由于負(fù)載中有電感存在，其電流方向不可能立刻改變方向，而是維持原來(lái)的方向，電流從電源負(fù)載流出經(jīng)過(guò)S2和S3流入電源正極，負(fù)載中儲(chǔ)存的能量向直流電源反饋，負(fù)載電流逐漸減小，到t2時(shí)刻變?yōu)榱阋院蟛胖饾u反向變大。 S2、S3斷開(kāi)， S1、S4閉合時(shí)情況相似。上述是S1~S4為理想開(kāi)關(guān)時(shí)的分析，實(shí)際電路的工作過(guò)程更為復(fù)雜。

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