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反相器常用于电路中。 在本文中，小编将为大家介绍一下UPS中的逆变器。 本文内容包括直流变换器、半桥逆变器、单相全桥逆变器、三相全桥逆变器。 如果您对逆变器相关内容感兴趣，不妨阅读以下内容进行探索。

1.直流转换器

直流变换器是最简单、最基本的逆变电路，主要用于后备式UPS。 分为自激和他激两种。

1、自激推挽变换器

图1 自激直流推挽变换器

图1(a)所示为自激直流推挽变换器电路。 所谓自激是指UPS在没有外部触发信号的情况下，能够以自激振荡方式输出交流电压。 交流电压的波形为方波。 图 1(b) 显示了波形 UN。 UN为电源电压E为额定值时的输出（阴影部分除外）。 自激式直流变换电路主要用于电压稳定度不高又不能断电的场所，如电冰箱、应急照明用白炽灯、高压钠灯和金卤灯等。还有供电条件差的农村居民。 这种电路很少用作不间断电源。 由于其电路简单、价格便宜、可靠性高，也很受欢迎。

该电路的工作原理如下：在时间t=t0时，施加直流电压E，此时由于三极管V1和V2的基极电压

Ub1=Ub2=0, (1)

所示两者均不具备开路条件，但其集电极与发射极间存在漏电流，如图中I1、I2所示，且两电流在变压器绕组中流向相反，由于器件色散， 以便

I1-I2=ΔI≠0, (2)

这个差动电流ΔI在绕组中产生磁通，然后在基极绕组中感应出电压Ub1和Ub2。 从同名一端的符号可以看出，这两个电压的极性是相反的，即一个Ub给三极管的基极加正电压使其导通，另一个Ub施加对另一个晶体管的基极施加负电压以进一步将其切断。 电路的设计恰好是漏电流大的三极管基极感应的Ub给自己的基极加正电压，而漏电流小的三极管基极加负电压，基极加了正压管 集电极的集电极电流进一步增大，其基极电压进一步增大。 这样的雪崩过程很快使管子（设为V1）的电流达到饱和值，即V1的集电极和发射极之间的电压，当UCE1=0时，绕组N1和N2上的电压也达到最大值值 UN1=UN2=E。 此后，随着铁芯进入饱和阶段，铁芯内磁通量的变化减小，各绕组感应的电压也相应减小。 小，原先导通的管子由于集电极电流增大（磁芯饱和引起）和基极电流减小而脱离饱和区，使绕组感应电压为进一步减少。 这样的反向变化过程使V1雪崩地截止，V2达到饱和，如图1(b)t1所示。 然后重复上述过程，就形成了如图1(b)所示的方波波形。 有时为了使启动更快更可靠，会加入一个RC启动触发器。

该电路方案的缺点是电压不稳定。 其输出电压随电源电压E的变化而波动，如图1(b)中UH的阴影部分所示。 如果电源电压E始终为高电平，则其输出电压将始终为高电平。 如果电源电压E下降到UL这样低的电平，如图1(b)UL阴影部分所示，输出电压也会下降。 因此三相全桥逆变电路，该电路方案不会在以后的后备UPS中采用。

2.正激推挽变换器

图2其激推挽式直流变换器电路原理图

由于自激推挽变换器不能满足稳定输出电压的要求，其他激励推挽变换器得到广泛应用。 所谓“他励”是指电路的振荡工作是靠外部控制信号的励磁来实现的。 图2(a)为其激励推挽直流变换器电路原理图。 从图中可以看出，取消了之前自激推挽变换器的基极反馈绕组，取而代之的是功率控制元件IC。 早期用的是TDA1060，后来用的是LM3842或者LM3845。 . 电源控制元件IC发出方波控制脉冲使UPS工作，在变压器输出端与输出电压成正比的反馈信号送回IC，使其可以根据需要调节控制脉冲输入电压的变化和输出负载的变化。 宽，确保输出电压稳定在设计范围内。

2.桥式逆变器

桥式逆变器名称的来源是其电路结构与“惠斯通”电桥非常相似。 由于输出电压稳定的要求，桥式逆变器的触发方式几乎都是其励磁。 在线式UPS大多采用桥式逆变器，因为它比推挽式变换器有更大的优势。 例如，推挽变换器的功率管上的电压是电源电压的两倍，状态转换时的过冲尖峰要求器件承受更高的电压。 这不仅增加了器件的成本，而且由于功率管工作电压的升高，降低了其输出容量，因此多用于后备式UPS。 桥式逆变器克服了这些缺点，根据不同的要求，电路分为半桥逆变器和全桥逆变器，下面将分别讨论。

1、半桥逆变器

所谓半桥逆变器的结构其实就是桥式的，区别在于两个桥臂上的器件不同。 图3为半桥逆变器的结构及电气原理图，图3(a)为其电气原理图，图3(b)为其输出波形图。 从图中可以看出，电桥左侧由电容组成，右侧由功率管组成，输出端位于两个电容的连接点和两个连接点之间功率管。 让我们讨论一下它的简单工作原理。

图3 半桥逆变器结构及电气原理图

假设电路已准备好工作，即电容器 C1 和 C2 已充满电。 在t=0时刻，功率管V1导通，电流I1从电容C1的正极开始，如空心箭头所示，流过功率管V1，初级绕组N1的BA变压器Tr，返回到C1的负极，直到t=t1，形成正半波，如图4(b)所示。 在t=t1时，V1因正触发信号消失而截止。 此时在V2的控制极加上正触发信号，使其开路，电流I2从电容C2的正极开始流经变压器Tr的初级绕组N1的AB。 如图中实线箭头所示，可以看出此时电流方向是相反的。 电流I2经过变压器后，流过功率管V2的集电极-发射极，回到电容C2的负极，直到t=t2时，由于触发信号消失而结束，这个过程形成负半波，如图4（b）所示。 之后，重复上述过程，就形成了一系列连续的正弦波。

2、单相全桥逆变器

上述半桥逆变器的优点是工作电压比推挽式变换器低，但由于一个桥臂由电容组成，这决定了它的输出功率不会很大。 因此，当要求输出功率较大时，如500VA以上，一般采用全桥逆变电路结构。 全桥逆变器的电路结构分为单相桥和多相桥。 单相桥多用于小功率单输入单输出UPS，一般在10kVA左右。 特殊情况下，如三进单出UPS也有大功率的，如30kVA以上。 但大功率时，常采用三进三出全桥逆变电路结构。

图 4 单相全桥逆变电路结构图

图4显示了单相全桥逆变器的电路结构。 它与半桥电路的唯一区别在于其桥臂由图4(a)中的V1、V2、V3、V4等具有开关功能的功率管组成，赋予了电路更大的输出功率能力. 在半桥电路中，无论哪个功率管导通，流过它的电流也会通过一个电容。 随着电容电荷的增加，电容上的电压也在逐渐升高，此时的电流也会随着电容电荷的增加而增加。 随着时间的变化，需要增加电容的容量或减少功率管的导通时间。 电容的增加将导致器件体积的增加和寄生参数的增加。 频率的提高会增加对功率管的要求。 因此，其功率的增加是有限的。

在全桥中，上述问题均得到圆满解决。 由于全桥中的功率管是成对导通的，如图4(a)所示，V1、V4和V2、V3成对导通。 例如，当V1和V4被触发并导通时，电流I 的流路为：

I从E的“+”极开始→V1集电极-发射极→变压器初级绕组AB→V4集电极-发射极→返回到E的“-”极，正半波如图4(b)所示。

同理，当V2、V3被触发导通时，电流I的流向为：

I从E的“+”极开始→V2集电极-发射极→反向通过变压器初级绕组BA→V3集电极-发射极→返回到E的“-”极，形成如图4(b) ) 负半波。

从这个简单的过程可以看出，无论打开哪一对管子，都没有改变电流I路径的因素，只要触发信号足够强，就可以保持电流不变。 也就是说，输出功率是有保证的。 在没有输出变压器的情况下，对脉冲宽度和调制频率的要求不那么严格。

三、三相桥式逆变器

在大功率情况下，如10kVA以上，常采用三相桥式逆变器。 三相桥式逆变器又分为三相全桥和三相半桥，均用于UPS。 下面分别介绍一下。

1、三相全桥逆变器

图5 三相全桥逆变器原理图

图 5 显示了三相全桥逆变器的电气原理图。 从图中可以看出，三相全桥由6个功率管组成。 这种结构的UPS逆变器后面一般都有一个隔离变压器Tr。 这是因为大多数用户通常使用380V/220V的三相四线制，而220V是火线与零线之间的相电压。 但三相全桥逆变器的三根输出线都是火线，必须通过“DY”变压器将三相三线制转换为三相四线制。 这种变压器大多只是普通的电源变压器，只起到隔离工作电压和侧电压的作用，并不能隔离干扰。

其工作原理与单相全桥相同，两管同时导通。 它们的传导配对为：V1V5、V1V6、V2V4、V2V6、V3V4和V3V5。 脉宽调制波滤波后可得： 图6为三相全桥逆变器的输出波形UOUT。 三相全桥逆变器以往的控制方式多为三相统一控制，对输出端的三相不平衡负载造成限制，有的要求三相不平衡度负载不应超过 50%。 然而，极端不平衡的三相负载经常发生。 例如UPS三相输出电压一相满载，另外两相空载或轻载，会造成满载相电压下降，因此逆变控制电路必须调整根据负载最重的相位选择功率管。 将降低的电压恢复到正常值的开关时间。 由于这种调整，当重载相恢复到正常值时，其他空载或轻载相的电压也随之升高，造成所谓的“三相不平衡”。 为此，一些UPS厂家重新设计了控制电路，将统一控制改为分立控制，对原有功能进行了改进三相全桥逆变电路，但仍不理想，因为三相全桥逆变器的输出变压器为“D ”连接，这种结构将三个桥臂有机地连接起来，从而造成三相电压的相互制约，换句话说，调整任何一相都不可避免地会或多或少地影响其他相的电压。 但是，只要仔细调整就可以将这种不平衡降到最低。

图6 三相全桥逆变器输出波形

2、三相半桥逆变器

图7 三相半桥逆变器电气原理图

为了减小三相负载不平衡引起的三相输出电压的差异，半桥电路是一个很好的解决方案。 图 7 显示了三相半桥逆变器的示意图。 从这个电路可以明显看出电路的功率管并没有增加，只是电路换了不同的接法。 虽然功率管没有增加，但是电池增加了一组。 这样的改变使UPS真正具备了适应100%不平衡三相负载的能力。 从图中可以看出，原来的三个桥臂V1、V4、V2、V5和V3、V6的输出相互独立，各自与中性线N之间形成独立的相电压输出。现取V1和以V4为例介绍简单的工作原理。

V1导通时，电流流路为：

UB+“+”→V1→L3→负载→中性线N→UB+“-”（UB-“+”），形成正半波。

V4导通时，电流流路为：

UB-“+”→中性线N→负载→通过L3反转→V4→UB-“-”，形成负半波。

其他两只手臂的作用完全一样，不再赘述。 从上面的介绍可以看出，半桥电路和全桥电路的区别如下：

①半桥电路单臂即可形成正负半波。 比如V1和其他手臂上的功率管没有关系。 全桥电路V1导通时，与V5、V6都有关系。

②半桥电路输出本身为带中性线的三相四线结构，可以不加输出变压器。 全桥电路必须加输出变压器。

③半桥电路需要两组电池，而全桥电路只需要一组电池。

④ 从图8还可以看出，半桥电路的每组输出电压都需要经过LC滤波器，将脉宽调制波解调为正弦波。 阻抗旁路到中性线N，由于三相输出电压有120°的相位差，无法抵消高次谐波，故上有不易消除的高次谐波中性线N。

3.双向转换器

逆变器的概念来源于三端口在线互动式UPS。 因为在这些 UPS 的构造中已经取消了单独的输入整流器/充电器。 整流器/充电器和逆变器的全部功能由单个双向转换器执行。 图8中的虚线框是构成三端口UPS的双向变换器的电气原理图。 从图中可以看出，是所有UPS都采用的通用逆变桥电路结构。 但这里的角色被赋予了新的意义和功能。 当市电停电，电池放电时，双向变换器的作用是逆变。 其工作过程与其他UPS逆变器完全相同。 二极管 VD1~VD4的作用是：当功率管由导通变为截止时，变压器绕组上会有一个反电动势，二极管将反电动势释放回电池。 例如，当V1和V4导通时，变压器Tr的绕组AB的电位极性为A“-”，B“+”。 +”、B“-”，这个反电动势会影响电路的正常工作和设备的安全。但是，由于二极管VD1~VD4的存在，这个电位可以通过A“+”形成放电回路→ VD2 → UB → VD3 → B“-”，将绕组储存的能量反馈给电池，从而保证下一个周期V2和V3的顺利开启。V2和V3开启和关闭的过程恰好一样的，不再重复。

VD1～VD4除了放电功能外，由于是整流桥结构，这里也可以作为整流桥使用。 三端口或在线互动式UPS通常由市电UIN供电时，降压后的交流市电电压出现在变压器Tr的次级绕组AB上。 此交流电压经VD1～VD4整流桥整流后供给电池UB。 收费。

从上面的介绍可以看出，这种双变换器整流时不逆变，反相时不整流。

图8 三端口UPS双向变换器电气原理图