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逆变电源在全国大学生电子设计大赛电源题目中占有非常重要的地位。 每一位参加全国大学生电子设计大赛并选择电源方向的同学都需要掌握逆变电源的设计与制作。 与整流相反，将直流电转换为交流电称为逆变器。 逆变电路应用广泛。 当需要蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源为交流负载供电时，需要逆变电路。 此外，应用广泛的交流电动机调速用变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子设备的核心电路都是逆变电路。

在电子设计竞赛的逆变题中，一般逆变电源的交流侧接负载，称为无源逆变器。 历届电子设计大赛中出现过的逆变器相关课题包括：2005年全国大赛三相逆变电源、2009年全国大赛光伏并网发电仿真装置、2014年TI仿真邀请赛单相正弦波逆变电源、 2016年国赛省赛单相正弦波变频电源、2017年国赛微电网仿真系统。 从历年出现的逆变电源题来看，国赛逆变题难度越来越大，电源结构越来越复杂，涉及的知识点越来越广，跟上了电力发展的新技术热点。 例如2009年全国大赛的光伏并网发电仿真装置，涉及最大功率点、频率、相位和波形跟踪技术，以及节能问题。 2017年国家竞赛微电网仿真系统涉及分布式三相逆变电源并联及配电问题。 在平时的培训中，除了要掌握最基本的单相和三相逆变电源的设计和制作外，还需要关注电源技术领域的新技术热点。

逆变电源涉及的主要知识点有：元件选择技术； 开关管驱动技术； SPWM控制技术； PID反馈控制技术； 交流电压电流采样及有效值计算； 等待。

1 逆变电源的基本原理 1.1 半桥逆变电路

从直流电源获取交流电的方法有很多种，但至少需要两个电源开关器件。 图1所示的半桥逆变电路是一种单相逆变电源的拓扑结构。 该电路由两个串联的电源开关和两个串联的电容器组成。 两个串联电容的中点为参考点。 电路工作原理如下：当V1导通，V2关断时，电容C1上的能量释放给负载R，输出电压Uo为正全桥逆变电路工作原理，同时对电容C2充电； 当V1关断，V2导通时，电容C2上的能量释放给负载R，输出电压Uo为负，同时对电容C1充电。 开关管V1、V2交替导通，使负载获得交流电。

半桥逆变电路的优点是电路结构简单，以两个电容的串联中心为中性点参考点全桥逆变电路工作原理，不会带来直流分量和偏磁，适用于驱动变压器负载。 其缺点是当电路工作在工频（50Hz-60Hz）时，所需电容器的容量较大，增加了电路的体积和成本。

图1 半桥逆变电路 1.2 全桥逆变电路

在大学生电子设计比赛中，全桥逆变电路是应用最广泛的电路。 下面以图2(a)所示的单相全桥逆变电路为例，说明全桥逆变电路的基本原理。 单相全桥逆变电路又称“H桥”电路，由四个功率开关管及其驱动辅助电路组成。 工作时，Q1和Q4互补导通，Q2和Q3互补导通和截止。 当Q1、Q3闭合，Q2、Q4断开时，负载电压Uo为正； 当Q1、Q3断开，Q2、Q4闭合时，负载电压Uo为负，Uo波形如图2(b)所示。 Q1、Q3和Q2、Q4交替导通，使负载获得交流电。 当负载不是纯电阻时，负载电压和负载电流不同相，开关管的寄生二极管D1-D4起到电流续流的作用。

图 2

与半桥逆变电路相比，全桥逆变电路中开关管的数量增加了一倍，这意味着电路复杂度和成本也会增加。 但在相同的开关电流下，全桥电路的输出功率是半桥电路的两倍，因此全桥电路更适合大功率应用。 1.3 PWM控制技术

在电力电子发展史上，逆变电源占有非常重要的部分，而PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响最为深远。 大量使用的逆变电源大多是PWM逆变电源。 正是由于在逆变电源中的应用，PWM技术发展得更加成熟，决定了它在电力电子技术中的重要地位。

PWM 控制是一种用于调制脉冲宽度的技术。 即通过调制一系列脉冲的宽度，可以等效地得到想要的波形（包括形状和幅度）。 PWM控制技术的理论基础是：在具有惯性的环节加入冲量相等但形状不同的窄脉冲，其效果基本相同。 冲量指的是窄脉冲的面积。 效果基本相同，也就是说各环节的输出响应波形基本相同。 下图3(a)、(b)、(c)所示的三种波形分别为矩形波脉冲、三角波脉冲和正弦波脉冲。 很明显，它们的形状完全不同，但它们的面积却是完全一样的。 如果它们分别加在具有相同惯性的链路上时，其输出功能是完全一样的。

图 3

如果用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，也就是说把这个正弦半波分成N等份，那么就认为是N端到-端脉冲序列，这些等分波形的宽度恰好相等，但幅度不相等。 然后用矩形脉冲代替这等分的N个波形。 矩形脉冲也要求幅度相同但宽度不同，但要保证它们的中点完全重合，面积与N个波形相同，这样才能得到脉冲序列。 如下图4所示。 根据以上分析，PWM波形相当于半个正弦波，同样的方法可以得到负半周的PWM波。 这种新产生的PWM波称为SPWM波。

图4 SPWM2多相逆变器电路及控制方法

在历年全国大学生电子设计竞赛中，逆变电源的考察主要以多相形式出现。 如2005年G题三相正弦波变频电源，2017年微电网仿真系统等。在全国大学生电子设计大赛电源方向培训中，设计制作多相逆变电源必不可少，其中三相逆变电源最为重要。

2.1 三相的基本概念

(1)三相交流电：是电能的一种传输形式。 它由频率相同、幅值相等、相位差120°的三个交变电位组成，分别为A、B、C相。 三相电的波形图和矢量图如下图所示。

(2)星形连接和三角形连接

星形接法：又称Y型接法，如下图5(a)所示，各相负载的一端接公共点。 公共点为中性点，N为中性线。

图 5

三角形接法：如下图6(b)所示，各相负载首尾相连，形成三角形接法。 每个连接都有不同的应用。 Y型连接用于为家庭和办公室中使用的日常单相设备供电。 三角形连接最常见的用途是为大功率三相工业负载供电。

图 6

(3)线电压、线电流、相电压、相电流

线电压：三相供电系统两条线之间的电压。 如图7(a)所示三线ABC与Y型接法之间的电压Uab、Uac、Ubc。

相电压：三相ABC三相对三相供电系统中性线的电压。 如图7(a) Y型接法ABC三相电压Uan、Ubn、Ucn。

线电流：线电流是三相电源中每根导线中的电流称为线电流。 如图7(a)中的Y型连接，ia，ib，ic。

相电流：相电流是指三相电源中流过各相负载的电流。 如图7(a) Y型连接，ian，ibn，icn。

在Y型平衡接法中，线电压与相电压呈等边三角形关系，如下图8电压矢量图所示。 线电压相当于等边三角形的三边，相电压相当于等边三角形的中心和顶点连线。 三个线电压是对称的：大小相等，是相电压的两倍，超前对应相电压30度，彼此相差120度。 线电流等于相电流。

在三角形接法中，线电压与相电压相等，线电流与相电流的关系与Y接法中线电压与相电压的关系相同。

图 7

图 8

(4) 三相负载功率计算

三相负载上的总功率等于各相负载功率之和，各相负载功率等于相电压、相电流与该相功率因数的乘积。

Y型对称接法：总功率P=3X相电压X相电流X功率因数cosφ

由Y型接法的线电压与相电压、线电流与相电流的关系可得：

总功率P=根号2乘以X线电压X线电流X功率因数cosφ。

2.2 三相有源逆变电路

图9所示为三相有源逆变电路的结构，可视为由三个半桥组成，三个半桥的中点作为三相输出。 三个互差120°的正弦波与高频三角载波进行比较，每个结果通过一个反相器产生一个与原信号相反的控制波，从而控制开关机分别为上下桥臂MOS。 这样产生的6个SPWM波分别控制6个MOS管的通断，从而在负载端产生与调制波频率相同的三相交流电。 （图10中的电路原理图可直接按图中参数使用）

图 9 理论设计图