【技术】解析单相全桥逆变电路动作过程

时间： 2023-02-15 来源：沃尔德实业公众号

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电压源逆变器是按照控制电压的方式将直流电能转化为交流电能的器件，是逆变技术中常见的一种。是一种DC to AC的变压器件，它其实与转换器是一种电压逆变的过程。

转换器是将电网的交流电压转变为稳定的DC电压直流输出，而逆变器是将DC电压直流电压转变为高频的高压交流电；两个部分同样都采用了用得比较多的脉宽调制（PWM）技术。从一个直流电源中获取交流电能有多种方式，单相逆变器有推免式、半桥式和全角式三种电路拓扑结构，虽然电路结构不同，但工作原理相似。

电路中都使用具有开关特性的半导体功率器件，由控制电路周期性地对功率器件发出开关脉冲控制信号，控制多个功率器件轮流导通和关断，再经过变压器耦合升压或降压后，整型滤波输出符合要求的交流电。

逆变电路及其基本工作原理

图1：全桥逆变电路的电阻负载简化电路

全桥逆变电路基本工作原理是：

1) 0−t1时间段开关T1和T4闭合，负载电压为正；

2) t1−T时间段开关T3和T2闭合，负载电压为负。

其负载电流的变化在电阻负载下是与电压同相位的，但若是阻感负载，电流的基波滞后于电压的基波并且因为负载电感的存在，其负载电流的变化不是瞬时的，而是一个逐渐增大减小的过程，最终反映在电阻上的电压波形就是跟随阻感负载的电流变化的。

单项全桥逆变电路（Full-Bridge inverter）

全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最多的，单相电压型全桥式逆变电路拓扑结构如图3所示，由两个半桥电路组成。把T1与D1组成的桥臂1和T4与D4组成的桥臂4作为一对，T2与D2组成的桥臂2和T3与D3组成的桥臂3作为一对，成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通180°。全桥逆变电路是单相逆变电路中应用最为广泛的，对其电压波形做定量分析，将幅值为Ud的矩形波uo展开成傅里叶级数得：

其中，基波幅值U0lm和有效值分别为：

以上分析的都是uo为正负电压各为180°脉冲时的情形，在这种情况下要改变输出交流电压的有效值，只能通过改变幅值Ud来实现。

图2：单相全桥逆变电路

图3：单相逆变电路输出波形

全桥逆变器的工作过程：

步骤 1：当开关T1、T4闭合T2、T3断开。电流途径是：T1→L→R→T4，该电流方向仍是由左往右。

步骤 2：故R、L两端的电压Vo=Vd。

当开关T1、T4断开T2、T3闭合时，开关T2、T3不能立即闭合，且在这一瞬间电感电流的方向不能突变，此时电流流过T2、T3反并联的二极管续流；电流途径是：D2→L→R→D3，该电流方向仍是由左往右。故R、L两端的电压Vo=-Vd。

步骤 3：电感电流过零后开关T2、T3闭合，电感电流反向流过开关T2、T3；电流途径是：T2→R→L→T3，该电流方向仍是由右往左。故R、L两端的电压Vo=Vd。

步骤 4：当开关T2、T3断开T1、T4再次闭合时，同理开关T1、T4不能立即闭合，同前述分析电感电流的方向不能突变，电流流过T1 、T4反并联的二极管续流，之后的周期重复上述过程。电流途径是：D4→R→L→D1，该电流方向仍是由右往左。故R、L两端的电压Vo=-Vd。t4时刻以后，电路重复上述工作过程。

举例

例1：用于光伏发电的逆变器

太阳能发电站，必须将直流电源向交流电网供电，这就需要逆变电路，在光伏发电中逆变器是不可或缺的关键器件之一。

图4：太阳能发电站

图5：太阳能发电逆变器外观图

图6：太阳能发电逆变器内观图

例2：用于户外储能的逆变器

最近一段时间，新能源储能的一个分支—户外储能，在全球市场突然爆火，便携储能市场快速增长。公开资料显示，过去4年里，便携储能市场规模增长了23倍，未来几年，业内普遍预期，便携储能还将处于高速成长期。

GGII统计数据显示，2021年全年规模达到111.3亿元，中国便携式储能产品产量占全球比例达到了91.9%。研究机构预计，未来五年储能市场将以每年48%的增速复合增长，预计到2026年达到800亿元。年销百亿的独角兽，将在不远的将来从中国诞生。

图7：户外储能外观及内观图

结语

逆变电路的应用非常广泛。在已有的各种电源中，蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路。另外，交流电机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置使用非常广泛，其电路的核心部分都是逆变电路。

电路中都使用具有开关特性的半导体功率器件，由控制电路周期性地对功率器件发出开关脉冲控制信号，控制多个功率器件轮流导通和关断，再经过变压器耦合升压或降压后，整型滤波输出符合要求的交流电。所以了解全桥逆变电路动作过程，有助于满足工业生产建设中的各种需求。

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