逆变器的电路设计方案有哪些？

逆变器就是一种将低压（12或24伏或48伏）直流电转变为220伏交流电的电子设备。

逆变器的电路设计方案主要根据功率等级、输出波形要求、效率、成本和应用场景等因素而有所不同。以下是几种常见的中文方案介绍：

一、按拓扑结构分类

推挽式逆变器：
- 原理： 使用中心抽头变压器。两个开关管（通常是功率MOSFET或IGBT）交替导通，在变压器初级产生交变电流，次级感应出交流电压。
- 特点： 结构相对简单，驱动容易（可以共地驱动），开关管承受的电压应力为2倍输入直流电压（Vin），适合中低功率（几百瓦到1-2千瓦）应用。
- 缺点： 变压器利用率低（只用了一半初级绕组），直流偏磁风险高，输出波形通常为方波或修正弦波（需要额外滤波）。
半桥式逆变器：
- 原理： 使用两个开关管和两个串联的电容（组成分压电路）。两个开关管交替导通，在两个电容中点（桥臂中点）产生幅值约为Vin/2的方波电压。通常通过变压器进行电压变换和隔离。
- 特点： 开关管电压应力为Vin（优于推挽），驱动电路需要高低端驱动（不共地），适合中低功率应用。变压器初级只有一组绕组，利用率高，抗直流偏磁能力强于推挽。
- 缺点： 输出同样多为方波/修正弦波，功率开关管导通损耗比全桥高（电流路径有2个管压降）。
全桥式逆变器：
- 原理： 使用四个开关管构成H桥结构。对角线上的一对管子（如Q1/Q4）和另一对（如Q2/Q3）交替导通，在桥臂中点间产生幅值接近Vin的全幅方波电压。这是应用最广泛的拓扑。
- 特点： 开关管电压应力为Vin。可实现高功率输出（几百瓦到几十千瓦甚至更高）。非常适合产生SPWM波形以实现纯正弦波输出。驱动需要4路独立的或专门的半桥驱动器。
- 缺点： 控制逻辑和驱动电路比半桥、推挽复杂，功率开关管数量多。
多电平逆变器：
- 原理： 通过更多的功率开关器件和电容/二极管的组合，产生超过2个电平（如3电平，5电平或更多）的输出电压波形。
- 特点： 特别适用于高压大功率场景（如光伏电站、高压变频器）。
- 输出波形阶梯化，更接近正弦波，谐波含量大大降低，开关损耗和EMI问题得到改善。常见的结构有二极管箝位型（NPC）、飞跨电容型（FC）、H桥级联型（CHB）等。
- 缺点： 电路拓扑复杂，器件数量多，控制算法复杂，成本高。
谐振软开关逆变器：
- 原理： 在传统的硬开关逆变器（如半桥、全桥）基础上，加入谐振电感、电容等元件（构成LLC， LCC，串联谐振等），利用零电压开关或零电流开关技术。
- 特点： 显著降低开关损耗和EMI，提高效率（尤其是在高频开关场合），降低散热要求。 在高频化、高密度设计中优势明显。
- 缺点： 电路设计、参数选择和调谐更复杂，控制策略难度增大。谐振元件会增加成本和体积。

二、按输出波形与控制方式分类

方波逆变器：
- 原理： 最简单的方式，开关管按50Hz/60Hz频率开关，直接输出方波。
- 特点： 成本最低，电路最简单，效率相对较高（开关损耗小）。
- 缺点： 波形质量差，谐波含量高（特别是3,5,7等奇次谐波），导致设备噪声大、发热严重甚至损坏对波形敏感的负载（如电机、精密设备）。基本淘汰或仅用于要求最低的场合。
修正弦波逆变器（或称准正弦波逆变器）：
- 原理： 通过多个阶梯状电压或特定的脉宽调制（如多电平或特定PWM）产生近似正弦波但含有较多谐波的波形。
- 特点： 成本和复杂度介于方波和纯正弦波之间。能驱动大部分电阻性负载（如灯泡、电热丝）和部分开关电源类负载。
- 缺点： 谐波含量仍较高，部分感性负载（如电机、变压器）可能运行效率低、发热大、有噪音。精密设备不宜使用。
纯正弦波逆变器：
- 原理： 主要采用高频脉宽调制技术生成正弦波。
  - SPWM： 用高频三角波（载波）与50Hz/60Hz正弦波（调制波）比较，产生决定开关管开通关断的脉冲序列。
  - SVPWM： 基于空间矢量理论，更有效地利用直流母线电压，减小谐波和开关损耗，动态响应好，多用于电机驱动领域。
- 特点： 输出波形与市电相同或非常接近，谐波含量极低。 能驱动任何类型的负载（包括电机、压缩机、变压器、精密仪器等），运行安静、高效。是目前的主流和标准方案。
- 缺点： 电路和控制最复杂，成本最高，效率略低于方波但远优于方波驱动现代设备的效果。

三、其他关键设计与元件

功率开关器件： MOSFET（中低压、高频）、IGBT（中高压、大功率）、SiC MOSFET/GaN HEMT（超高效率、高频、高功率密度趋势）是主要选择。
控制核心： 专用控制IC（如SG3525， TL494用于简单PWM）、单片机（MCU）、数字信号处理器（DSP，主流）、现场可编程门阵列（FPGA）用于实现复杂的PWM算法和保护功能。
驱动电路： 将控制信号安全、可靠地放大驱动功率开关管。需要高低压隔离（如光耦、变压器）和足够的驱动电流/电压。
输出滤波： 由电感和电容组成LC或LCL滤波器，滤除PWM波中的高频载波成分，输出平滑的正弦波电压。
直流母线电容： 缓冲输入能量，提供低阻抗路径，减小输入纹波。
变压器： 在需要隔离或升降压的应用中使用（工频变压器或高频变压器）。
保护电路： 过压、欠压、过流、短路、过热等保护功能必不可少。
散热： 功率器件和磁元件需要散热器或风冷/液冷系统散热。