变频器 逆变器（AC-DC）工作原理

我们都知道，变频器和逆变器在我们现实生活中应用非常广泛，但你知道他们的工作原理吗？  一、基础概念AC：Alternating Current，交流电DC：Direct Current，直流电  逆变器：是把直流电能（如：电池、蓄电瓶）转变成交流电（如：220V,50Hz正弦波），频率也可调节。   转换关系：『直->交』。  变频器：将输入的交流电转换为所需频率的交流电输出。   转换关系：『交->直->交』 或 『交->交』。   一般『交->直->交』比较常见，先将交流电转换为直流，再将直流转为交流，也就是“整流+逆变”。   『交->直』的原理相信大家都知道，但『直->交』估计很多人都不清楚，下面主要围绕『直->交』来讲述，也就是逆变器相关原理。  二、什么是交流电？交流电是指电流方向随时间作周期性变化的电流，在一个周期内的运行平均值为零。

提示：通常交流电（AC）波形为正弦曲线（如：家用220V交流电），交流电可以有效传输电力。但实际上还有应用其他的波形，例如三角形波、正方形波。  三、正方形波A.C产生原理在讲述正弦波生成之前，让我们看看方波A.C是如何产生的。实际上，旧式逆变器就是用于产生简单的方波作为其输出。

正方形波A.C输出方法：

如下如，一个输入电源，通过控制4个MOS管的开关，就可以改变在A,B两点电流的方向，该电路也称为全桥逆变器。

1.正向电流接通S1和S4，断开S2和S3，此时，通过AB点的电流为正向，如下图：

2.反向电流与上面反之，断开S1和S4，接通S2和S3，此时，通过AB点的电流为反向，如下图：

四、脉冲宽度调制 - 纯正弦波产生上面介绍了正方形波的产生原理，接下来讲述正弦波的产生。   正方形波 -> 正弦波的过程，我们称之为脉冲宽度调制。   脉冲宽度调制的逻辑很简单，以不同宽度的脉冲形式产生直流（DC）电压。在需要更高振幅的区域，它会产生更大宽度的脉冲，如下图所示：

提高精度如果你在很短的时间间隔内平均这些脉冲会发生什么？     您会惊讶地发现平均脉冲的形状看起来非常类似于正弦曲线。使用的脉冲越精细，正弦曲线的形状就越好，如下图：

五、如何制作脉冲以及如何做出平均值上面章节讲述了实现产生正弦波的方法和原理，现在的问题是如何制作这些脉冲，我们以什么方式对它们进行平均？   在实际的逆变器中，是通过两个比较器实现的。比较器将正弦波与三角波进行比较。一个比较器使用正常的正弦波，另一个比较器使用反相正弦波。第一个比较器控制S1和S2开关，第二个比较器控制S3和S4，如下图：

S1和S2确定A点的电压，另外两个开关确定B点的电压。

你可以看到比较器输出的一个分支配有逻辑非门。这将确保当S1为ON时，S2将为OFF，反之亦然。

这也意味着，我们永远不能同时打开S1和S2（不会短路）。

PWM的开关逻辑很简单，当正弦波值大于三角波时，比较器产生信号1，否则产生信号0。

六、比较器输出

1.切换逻辑

Vsine > Vtrian

Vsine < Vtrian

现在根据该逻辑观察第一比较器的电压变化，MOS管上的控制信号为1，显示了在A点产生的电压脉冲。

应用相同的开关逻辑并观察在B点产生的电压，由于我们在A点和B点之间测量输出电压，因此净电压将是A和B之间的差值。

三角波越精细，脉冲序列就越精确：

七、滤波，平均

为了使其是真正的正弦波，还需要使用电感和电容等储能元件来平滑电压电流，它们被称为无源滤波器。

电感器用于平滑电流，电容器用于平滑电压。总而言之，通过逆变桥，良好的PWM技术和无源滤波器，你就可以产生满足要求的正弦波电压了。

八、拓展：多级逆变器上面我们讲述的逆变器只有两级电压，如果我们再引入一个电压等级怎么办？

如上图，使用电压等级，就可以更好地逼近正弦波，并可以减少瞬时误差。