逆变器输出的方波与正弦波

逆变器

逆变器是一种能把直流电(电池、蓄电池)变成交流电(市电)的一种设备，广泛应用于空调、电脑、照明等等电器的使用，通常是在外出旅游或者工作时，用逆变器连接蓄电池产生交流电，从而供给需要交流电工作的仪器或电器来使用,逆变器的输出功率从几十瓦到几千瓦的产品都有。

(A)逆变器的工作原理

想要把交流电(AC)变成直流(DC)是很容易实现的，只需要一个二极管就组成一个最简单的整流电路; 但是，如果我们想要把直流电变成交流电就没有那么简单了,交流电的大小和方向是会随时间作周期性的变化的，我们所用的市电，是呈现正弦函数规律变化的. 先看看方波交流电，下图所示就是方波交流电的波形。

其实，旧式逆变器输出的交流电是上面这种方波形式的交流电，方波交流电适用于一些要求不高的设备使用,先来看一下直流电是怎样变成方波交流电的,在下图中，当开关S1和S4都闭合时，电流的方向是这样的。

而当S2和S3闭合时，电流方向是这样的,可以看到负载上电流的方向发生了变化，产生的是方波交流电。

我们知道市电的频率是50Hz的，这就意味着我们每秒打开和关闭开关要100次，我们可以使用半导体开关(MOS管)来控制电路的通断，如下图，在A、B、C、D点输入控制信号，就能控制MOS管的导通与截止了，从而改变负载的电流的方向，输出方波交流电。

(B )脉冲宽度调制

PWM是Pulse Width Modulation的缩写，翻译成中文叫脉冲宽度调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。

PWM基本原理

简单的讲无论是什么形状的电压波形只要波型与坐标轴t围成的阴影面积相同则产生的效果(平均输出电压)是一样的. 这就是面积等效原理.

上图正弦波和方波输出的平均电压是一样的

(1)PWM的占空比

一般常用的PWM是矩形脉冲(方波)形式的波形，下图所示是一个幅度为5V，频率为50Hz的方波。

占空比：是指高电平占整个周期的比例,如上图的PWM中，在这个周期内，高电平占的比例是50%，所以占空比就是50%,在PWM频率一定的条件下，通过改变占空比的大小，就可以实现改变输出电压的大小; 比如占空比为100% 时，输出电压为5V，占空比为0时，输出电压为0，当我们想要输出2.5V电压时候，只要将占空比改变成50%就能实现。

(2)分辨率 ：

是指PWM最小能达到的值，意思就是把一个周期的时间分成了多少份，如果是10份，那么占空比的精度就为10%。 如果分成1000份，那么占空比的精度就为0.1%。

(C) 纯正弦交流电

了解了逆变器产生方波交流电的基本原理，方波输出的逆变器效率高，虽然可以适用于许多电器，但部分电器就不适用,因而就需要采用纯正弦交流电输出的逆变器了，下面我们来看一下逆变器是怎样产生纯正弦交流电的。

如上图所示，PWM的占空比是按正弦规律变化的，在需要电压幅值大的地方就产生占空比大的PWM，在电压幅值小的地方就产生占空比小的PWM,在短时间内，PWM平均输出电压的大小如红线所示，可以看到，波形已经产生近似于正弦波的波形了,如果PWM越精确，那么正弦波的波形就会越平滑。

像这种脉冲宽度时间占空比按正弦规律排列的调制脉冲方式称为SPWM，现在的问题是，我们怎样产生这种正弦规律的SPWM?

过去采用模拟电路产生这种调制信号，精密而高速的电压比较器对载波和调制波进行比较，当两电压相同时及时控制开关晶体管进行通断切换，但模拟电路结构复杂，也难以实现精确的控制。

现在已有专用的集成电路用来产生上面这种调制信号，微处理器仅对其发出输出频率、电压等参数就可产生高精度控制信号，输出完好的正弦波，微处理器就有很多时间对整个逆变器进行检测、保护等控制,这种方式电路简单、效果好、可靠性高，是目前广泛使用的控制方法,纯正弦波SPWM芯片有：BC5016/BC6016、U3988/U3990、HT1112/ HT1215等。

审核编辑：汤梓红