逆變器輸出的方波與正弦波

逆變器

逆變器是一種能把直流電(電池、蓄電池)變成交流電(市電)的一種設(shè)備，廣泛應(yīng)用于空調(diào)、電腦、照明等等電器的使用，通常是在外出旅游或者工作時(shí)，用逆變器連接蓄電池產(chǎn)生交流電，從而供給需要交流電工作的儀器或電器來使用,逆變器的輸出功率從幾十瓦到幾千瓦的產(chǎn)品都有。

(A)逆變器的工作原理

想要把交流電(AC)變成直流(DC)是很容易實(shí)現(xiàn)的，只需要一個(gè)二極管就組成一個(gè)最簡單的整流電路; 但是，如果我們想要把直流電變成交流電就沒有那么簡單了,交流電的大小和方向是會(huì)隨時(shí)間作周期性的變化的，我們所用的市電，是呈現(xiàn)正弦函數(shù)規(guī)律變化的. 先看看方波交流電，下圖所示就是方波交流電的波形。

其實(shí)，舊式逆變器輸出的交流電是上面這種方波形式的交流電，方波交流電適用于一些要求不高的設(shè)備使用,先來看一下直流電是怎樣變成方波交流電的,在下圖中，當(dāng)開關(guān)S1和S4都閉合時(shí)，電流的方向是這樣的。

而當(dāng)S2和S3閉合時(shí)，電流方向是這樣的,可以看到負(fù)載上電流的方向發(fā)生了變化，產(chǎn)生的是方波交流電。

我們知道市電的頻率是50Hz的，這就意味著我們每秒打開和關(guān)閉開關(guān)要100次，我們可以使用半導(dǎo)體開關(guān)(MOS管)來控制電路的通斷，如下圖，在A、B、C、D點(diǎn)輸入控制信號，就能控制MOS管的導(dǎo)通與截止了，從而改變負(fù)載的電流的方向，輸出方波交流電。

(B )脈沖寬度調(diào)制

PWM是Pulse Width Modulation的縮寫，翻譯成中文叫脈沖寬度調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。

PWM基本原理

簡單的講無論是什么形狀的電壓波形只要波型與坐標(biāo)軸t圍成的陰影面積相同則產(chǎn)生的效果(平均輸出電壓)是一樣的. 這就是面積等效原理.

上圖正弦波和方波輸出的平均電壓是一樣的

(1)PWM的占空比

一般常用的PWM是矩形脈沖(方波)形式的波形，下圖所示是一個(gè)幅度為5V，頻率為50Hz的方波。

占空比：是指高電平占整個(gè)周期的比例,如上圖的PWM中，在這個(gè)周期內(nèi)，高電平占的比例是50%，所以占空比就是50%,在PWM頻率一定的條件下，通過改變占空比的大小，就可以實(shí)現(xiàn)改變輸出電壓的大小; 比如占空比為100% 時(shí)，輸出電壓為5V，占空比為0時(shí)，輸出電壓為0，當(dāng)我們想要輸出2.5V電壓時(shí)候，只要將占空比改變成50%就能實(shí)現(xiàn)。

(2)分辨率 ：

是指PWM最小能達(dá)到的值，意思就是把一個(gè)周期的時(shí)間分成了多少份，如果是10份，那么占空比的精度就為10%。 如果分成1000份，那么占空比的精度就為0.1%。

(C) 純正弦交流電

了解了逆變器產(chǎn)生方波交流電的基本原理，方波輸出的逆變器效率高，雖然可以適用于許多電器，但部分電器就不適用,因而就需要采用純正弦交流電輸出的逆變器了，下面我們來看一下逆變器是怎樣產(chǎn)生純正弦交流電的。

如上圖所示，PWM的占空比是按正弦規(guī)律變化的，在需要電壓幅值大的地方就產(chǎn)生占空比大的PWM，在電壓幅值小的地方就產(chǎn)生占空比小的PWM,在短時(shí)間內(nèi)，PWM平均輸出電壓的大小如紅線所示，可以看到，波形已經(jīng)產(chǎn)生近似于正弦波的波形了,如果PWM越精確，那么正弦波的波形就會(huì)越平滑。

像這種脈沖寬度時(shí)間占空比按正弦規(guī)律排列的調(diào)制脈沖方式稱為SPWM，現(xiàn)在的問題是，我們怎樣產(chǎn)生這種正弦規(guī)律的SPWM?

過去采用模擬電路產(chǎn)生這種調(diào)制信號，精密而高速的電壓比較器對載波和調(diào)制波進(jìn)行比較，當(dāng)兩電壓相同時(shí)及時(shí)控制開關(guān)晶體管進(jìn)行通斷切換，但模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也難以實(shí)現(xiàn)精確的控制。

現(xiàn)在已有專用的集成電路用來產(chǎn)生上面這種調(diào)制信號，微處理器僅對其發(fā)出輸出頻率、電壓等參數(shù)就可產(chǎn)生高精度控制信號，輸出完好的正弦波，微處理器就有很多時(shí)間對整個(gè)逆變器進(jìn)行檢測、保護(hù)等控制,這種方式電路簡單、效果好、可靠性高，是目前廣泛使用的控制方法,純正弦波SPWM芯片有：BC5016/BC6016、U3988/U3990、HT1112/ HT1215等。

審核編輯：湯梓紅