正弦波逆变器

逆变器

正弦波逆变器是逆变器的一种，它是把直流电能(动力电池、蓄电池)转变成交流电(一般为220V，50Hz正弦波)的电力电子装置。逆变器与ACDC转化器是相反的过程。由于ACDC转化器或电源适配器将220V交流电整流变成直流电来使用，而逆变器的作用与此相反，因此而得名。

基本结构

正弦波逆变器是将直流电转换成交流电的变换装置，它是通过控制半导体功率开关器件(如SCR， GTO， GTR， IGBT和功率MOSFET等)的导通和关断，把直流电能转化为交流电能。控制功率开关管导通和关断的电路就是逆变器的控制电路，控制电路输出一定的电压脉冲，使功率变换电路中的功率开关管按照一定规律导通和关断，这时功率主电路的输出为特定的谐波组合，最后通过滤波电路得到需要的电压波形。正弦波逆变器系统的基本结构如图1所示。

输入电路

逆变器的输入通常是直流电(或市电经过整流滤波得到的直流电)，这些直流电包括直流电网、蓄电池、光伏电池以及其他方式得到的直流电。通常这些电能不能直接作为逆变器输入侧电压，而是通过一定的滤波电路和EMC电路之后才作为逆变器的输入。

逆变主电路

逆变器主电路是由功率开关器件组成的功率变换电路，主电路的结构形式分很多种，不同的输入输出条件下，主电路形式也不相同，每种功率变换电路都有它的优缺点，在实际设计中应考虑最合适的电路拓扑作为主电路结构。

控制电路

控制电路按照逆变器输出的要求，通过一定的控制技术产生一组或者多组脉冲电压，通过驱动电路作用于功率开关管，使功率开关管按照指定的次序导通或者关断，最终在主电路输出端得到所需的电压波形。控制电路的作用对于逆变系统至关重要，控制电路的性能直接决定了逆变器输出电压波形的质量。

输出电路

输出电路一般包括输出滤波电路和EMC电路，如果输出为直流电，应在后面加入整流电路。对于隔离输出的逆变器，输出电路前级还应有隔离变压器。根据输出是否需要稳压电路，可将输出电路分为开环和闭环控制，开环系统输出量只由控制电路决定，而闭环系统中输出量还受反馈回路影响，使输出更加稳定。

辅助电源

控制电路与输入输出电路的某些部分或芯片有特定的输入电压要求，辅助电源可满足电路中特定的电压需求。通常情况下辅助电源由一个或几个DC-DC变换器构成，对于交流输入的场合，辅助电源由整流后的电压与DC-DC变换器组合完成。

保护电路

保护电路通常包括输入过压、欠压保护、输出过压、欠压保护、过载保护、过流和短路保护。对于在特定场合工作的逆变器还有其他保护，如在温度很低或者很高的场合需要有温度保护，在某些气压变化的情况下还要有气压保护，在潮湿的环境中要有湿度保护等。

分类

逆变器有许多种分类方法，根据输出波弦性质可分为三类：正弦波逆变器、方波逆变器和梯形波逆变器。正弦波逆变器输出的是正弦波交流电，方波逆变器输出的则是质量较差的方波交流电。

逆变器通常分为电压输入型和电流输入型。与直流斩波器不同的是，其调制脉冲的宽度和正弦波相关，因此输出的电流或电压接近正弦波。由于需要大量的电感元件来模拟电流源，所以电流供给式逆变器很少用于电动汽车驱动。电压输入型逆变器电路结构简单且能进行双向能量转换，所以电动汽车上几乎都采用用这种逆变器。典型三相全桥电压输入型逆变器如图2所示。

根据不同的需要，它的输出波形可以为方波或脉宽调制波形，脉宽调制方案又可以分为正弦PWM、电流滞环PWM、电压空间SVPWM等。逆变器可以采用PWM技术给感应电动机和永磁同步电机输出脉宽凋制波形，合适的方案可以有效抑制谐波，更好地利用直流电压，减少直流电压波动。

原理

逆变器的功能是把直流电转变成交流电，它由逆变桥、SPWM波模块!驱动模块和滤波电路组成，其中SPWM逆变电路是产生纯正正弦波的关键。SPWM波模块产生一直是研究的热点，SPWM就是脉冲宽度调制技术，也就是占空比可变的脉冲波形，PWM控制技术就是以该结论为理论基础。对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲!来等效地获取所需要的波形，在进行脉宽调制的时候!如果使脉冲系列的占空比按照正弦规律来安排，则输出电压经过滤波可以得到正弦波形!同时使得负载电流中的谐波成分大为减小，称之为正弦波脉宽调制。

发展历程

正弦波逆变器技术的发展始终与功率器件及其控制技术的发展紧密结合，从开始发展至今共经历了五个阶段。

第一阶段：20世纪50年代到60年代，晶闸管(SCR)的诞生为正弦波逆变器的发展创造了条件；

第二阶段：20世纪70年代，可关断晶闸管(GTO)及双极型晶体管的出现使逆变器技术得到了发展和应用；

第三阶段：20世纪80年代，功率场效应管、绝缘栅型场效应管和MOS控制晶间管的问世为逆变器的大功率发展方向奠定了基础；

第四阶段：20世纪90年代，微电子技术的发展使新的控制技术如矢量控制技术、多电平控制技术、模糊控制技术和重复控制等技术在逆变领域得到了较好的应用，极大的促进了逆变器技术的发展；

第五阶段：21世纪初，随着电力电子技术、现代控制理论和微电子技术的不断进步和改进，逆变器技术朝着高效率、高频化、高可靠性、高功率密度和智能化的方向发展。

发展趋势

随着电力电子技术的高速发展和各行业对逆变器控制性能要求的提高，正弦波逆变器也得到了快速发展，目前逆变器的发展方向主要为：

高频化

高频化指的是提高功率开关器件的工作频率，这样不但可以减小整个系统的体积，而且对音频噪声有很好的抑制作用，同时提高了逆变器输出电压的动态响应能力。高频工作的功率开关器件对应于高频隔离变压器，高频隔离变压器的应用对整个系统的体积又有了进一步的减小。

高性能化

有效值是逆变器输出电压的主要参数，高性能的逆变器输出电压有效值稳定，同时有很高的波形质量，适应非线性负载的能力强。由于很多时候逆变器所带的负载会突变，高性能逆变器要求输出电压有较高瞬态响应性能。对于交流输出电压的另一个重要参数是频率，好的逆变器不但要求输出电压有效值稳定，而且要求频率也稳定。具有上述特点的逆变器才能称得上是高性能逆变器。

并联技术

目前的逆变器技术可以制作出大功率产品，但是在大功率应用场合一旦这个逆变器系统出现故障，将会导致系统瘫痪。而在由小功率逆变器通过并联技术组成的系统中，每个单元的正常工作与否都不影响其它单元的工作，这样对于整个系统的可靠性就有了极大的提升。

小型化

小型化是对应于高频化的结果，因为使逆变器小型化主要方法就是提高开关管工作频率，使用高频变压器。另一种方法是改进控制法，优化SPWM波的频谱从而减小滤波器体积。

高输入功率因数化

很多逆变系统使用一定的拓扑电路把直流电转换成高频交流脉冲，再进行整流得到所需的直流电压。输出电流出现的尖峰会降低输入功率因数，提高输入侧功率因数可以有效解决逆变器对电网产生谐波污染。

智能化与数字化

逆变器的数字化不是简单在逆变器中应用数字器件，如FPGA和单片机，而是整个系统依靠数字器件的计算能力和离散控制法完成。随着硬件的发展，处理器速度越来越高，促使逆变器向着智能化与数字化的方向发展。

正弦波逆变器的应用领域

新能源利用

新能源从广义上来说指太阳能,它包括风能、水的势能、化学能等。新的能源如太阳能、风能将成为主要能源。这些新能源通常用半导体材料制成的光伏电池收集，运用一定的科学技术手段转化成人们需要的各种各样的电能，逆变技术就是其中的关键技术之一。

消除市电谐波污染