从直流电源得到交流输出
电力逆变器(power inverter)是一类直流到交流的电能变换设备。它通过控制功率开关的导通次序和时间,使输出电压或电流按照目标规律变化。电池、直流母线等提供能量,控制电路决定如何传递能量,逆变器并不会凭空产生电力。
它不同于依靠电磁耦合改变交流电压等级的变压器,也不同于把数字逻辑0和1互换的反相器。逆变系统可以含变压器以满足电压变换或隔离要求,但变压器并不取代直流到交流的开关过程。以下以常见电压源型桥式逆变器为例,不把这种结构当作所有逆变器的唯一形式。
桥式开关与输出状态
单相全桥由两个桥臂、四个受控开关构成,负载接在两个桥臂的中点之间。适当选择对角开关,可使负载两端得到正向或反向母线电压;选择其他允许的组合,还可得到零电压状态。通过反复切换这些状态,就能形成交变波形。
同一桥臂的上下开关若同时导通,会把直流母线短接。因此电压源型电路通常安排短暂死区,先关断原开关再开启另一开关。感性负载的电流不能瞬间消失,反并联二极管等通路承担换流。输出电压变号并不要求电流立即跟着变号,开关和续流路径都必须适应这种关系。
基波与开关频率不是一回事
直接轮流输出正、负电压可形成方波,但方波除基波之外还含其他谐波,不能称为纯正弦。脉宽调制(PWM)把一个目标交流周期分成许多更短的开关周期,通过改变脉冲宽度,让局部平均电压随目标变化。常见做法是比较正弦参考与高频三角载波,由比较结果确定开关时刻。
例如,50赫兹是所需交流基波频率,20千赫兹可以是开关频率,两者描述不同过程。适当的调制把较多不需要的频谱分量推向高频,电感、电容滤波器或负载本身可削弱这些分量。提高开关频率通常有利于缩小滤波元件,却不是无代价的改善;调制范围受母线电压限制,超过允许范围会产生额外失真。
滤波、控制与额定条件
稳压型逆变器测量输出电压、电流并调整调制量,以应对输入和负载变化;并网用途还涉及与电网协调的电流控制,不能把独立供电的控制目标直接照搬。滤波器不是无限理想的低通网络,其谐振、阻尼和控制环路需要一起设计。非线性负载吸取尖峰电流,也可能使输出电压畸变加大。
实际损耗来自器件导通、开关过渡、栅极驱动以及磁性元件等,影响效率、温升和可持续输出功率。厂家给出的交流电压、功率和谐波指标都对应一定条件,并不保证任意负载下保持理想正弦。过流、过压和温度保护,以及必要的绝缘与隔离,是完整设备的重要部分,而非仅由PWM软件自动保证。