逆变器是如何将直流电(DC)转变成交流电(AC)的？

    开个新坑，记录下新能源方面的学习过程；

    能源是人类永恒的需求，人类的进化史就是一部能源的利用史，从林中的人类学会了使用火，从此成为地球的主宰；第一次工业革命诞生了蒸汽机，从此工厂的效率大大提升；第二次工业革命诞生了内燃机，从此人类开始了星辰大海的征途；此后百年，再难突破，唯一的希望，在于半导体芯片技术。

    谈到芯片大家第一反应是计算机和手机里面的CPU和存储器；其实相比在信息产业；芯片在能源产业的重要程度一点也不逊色，百年未有之大变局，能源结构，能源安全，首当其冲；而能源芯片（功率半导体）正逐步走向舞台中央。

    对现代社会来说，能源中最重要的是电能，对电能的制造和利用决定了一个国家的上限；但是对于电本身，是没那么好驾驭的，电的使用条件极其苛刻，直流电有大小，而交流电则既有大小，还有方向（正负）。想要随心所欲控制电能，谈何容易。

   如何把直流电（DC）转化成交流电（AC）？

如图，不管是方波，正弦波，三角波，都是交流电，特点是方向周期性改变，而直流电则是方向不变，如何进行转化？

为了简单理解，我们先从直流转方波入手；

定义电流从左到右为正，t=0秒开始我们闭合开关S2和S3，断开S1和S4，如图，我们看到，电流从电池的正级出发，沿着S2→负载→S3回到负极；那么负载上就流过正向的电流；

如果在t=1秒时我们断开S2和S3，闭合S1和S4，会发生什么？

这时电流依然从电池正极出发，首选遇到S2，不过S2是断开的，此路不通，S4是闭合的，那么电流只能从S4走，走过S4，发现S3也是断开的，又只能走负载和S1回到负极。此时流过负载的电流是从右到左，方向和之前正好相反，是负值。

然后在t=2s时再断开S1和S4，闭合S2和S3，t=3s时再断开S2和S3，闭合S1和S4。。。

聪明的你已经猜到了，此时负载上的电流就是一个方波，周期为2s，一半时间为正，一半时间为负。

好的，方波我们实现了，那如何实现比较复杂的正弦波呢？

这里需要介绍脉宽调制技术（PWM：pulse width modulation）

这里利用了等效的工程思想，只要在每段足够小的时间内，等效方波的电流效果和正弦波是相同的，那么最终对负载而言，那都是正弦波。

如何等效呢？从上图我们发现，核心思想就是调节每一段方波脉冲的宽度（就是控制每一段开通和关断的持续时间）。

    通过精密的计算，我们巧妙低控制每一段脉冲的宽度（时长），让正弦波一开始的时刻，脉冲宽度小一些，关断时间长一些，随着正弦波接近波峰，我们把开通时间放长一些，随着正弦波再次降下来，我们再把方波的脉宽调短一些，这样，通过控制方波的脉宽，我们实现了对正弦波的等效；

    图中蓝色线为等效的正弦波，可以看到还是有锯齿，如果把每一段再划分得密一些，比如1s内发出10万个脉冲，每个脉冲宽度都按照对应正弦波的位置来调整，那么可以得到与正弦曲线几乎完美对应的效果。

    好了现在只剩下一个问题了，怎么实现？举的例子里面是1s变一次方向，要知道我们一般家用电器都是50Hz，也就是一秒变50次方向，每0.02s变一次方向，而且在每个0.02s内的值都是连续变化的，怎么用来实现呢？总不能用手不停地拨开关吧？

    这个时候我们的功率半导体芯片出场了，最典型的是功率MOSFET，它的作用就是一个电子开关！

    如图，开关S1，S2，S3，S4被替换成了4个MOSFET芯片，MOSFET有个特点，就是它的开通关断是受到栅极控制的，因此，只需要提前编号制定的程序控制栅极，那么就能控制开关顺序，从而实现不同脉宽的方波信号，最终实现对正弦波的等效。

    当然MOSFET还有一个特点，就是开关频率可以做到特别快，能做到MHz的水平，也就是说1s内开关几百万次以上！试想一下，如此精细微小的脉冲宽度，最终作用在负载上的的效果几乎就和原始的正弦波没啥区别了！

    以上就是直流电（DC）转交流电（AC）的基本原理，本质上是通过开关的顺序来完成电流方向的改变，通过开关的闭合时间和断开时间来实现单个脉冲宽度的控制，许许多多宽度不一的脉冲，对时间进行平均等效，就得到了正弦波的效果。

　　审核编辑：汤梓红