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作者| 强黄

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我们都知道变频器和逆变器在我们的现实生活中有着广泛的应用，但是你知道它们是如何工作的吗？

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基本概念

AC：交流电，交流电

DC：直流电，直流电

逆变器：将直流电（如蓄电池、蓄电池）转换成交流电（如220V、50Hz正弦波），频率也可调。

转换关系：“直->交叉”。

逆变器：将输入的交流电转换为所需频率的交流输出。

转换关系：“交叉->直->交叉”或“交叉->交叉”。

一般来说，“AC->DC->AC”更为常见。 先将交流电转为直流电，再将直流电转为交流电，即“整流+逆变”。

“AC->DC”的原理相信大家都知道，但是“Direct->AC”估计很多人都不清楚。 下面将主要关注“Direct->AC”，也就是逆变器的原理。

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什么是交流电？

交流电是指电流方向随时间呈周期性变化，一个周期内的运行平均值为零的电流。

暗示：

通常交流电（AC）波形为正弦波（如：家用220V交流电），交流电能有效传输电能。 但实际上还有其他的波形用到，比如三角波、方波等。

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方波交流发电原理

在谈论正弦波产生之前，让我们看看方波交流是如何产生的。 事实上，旧的逆变器被用来产生一个简单的方波作为它们的输出。

方波交流输出方式：

如下，一个输入电源可以通过控制四个MOS管的开关来改变A、B两点电流的方向。 该电路也称为全桥逆变器。

1.正向电流

接通S1和S4，断开S2和S3，此时通过AB点的电流为正，如下图所示：

2.反向电流

与上述相反全桥逆变器，断开S1和S4，连接S2和S3。 此时通过AB点的电流反向，如下图所示：

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脉冲宽度调制 - 纯正弦波生成

上面介绍了方波的产生原理，接下来介绍正弦波的产生。

方波→正弦波的过程称为脉宽调制。

脉冲宽度调制的逻辑很简单，以不同宽度的脉冲形式产生直流 (DC) 电压。 在需要更高幅度的区域，它会产生更大宽度的脉冲，如下图所示：

提高准确性

如果您在很短的时间间隔内对这些脉冲进行平均，会发生什么情况？

您会惊讶于平均脉冲的形状看起来与正弦曲线非常相似。 使用的脉冲越细，正弦曲线的形状越好，如下所示：

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如何生成脉冲以及如何生成平均值

上面章节介绍了产生正弦波的方法和原理，现在的问题是如何产生这些脉冲，用什么方法来平均它们？

在实际的逆变器中，是通过两个比较器来实现的。 比较器将正弦波与三角波进行比较。 一个比较器使用正常正弦波，另一个使用反相正弦波。 第一个比较器控制S1和S2开关，第二个比较器控制S3和S4，如下图所示：

S1和S2决定A点电压，另外两个开关决定B点电压。

可以看到比较器输出的一个分支配备了一个逻辑非门。 这将确保当 S1 打开时全桥逆变器，S2 将关闭，反之亦然。

这也意味着，我们永远不能同时打开 S1 和 S2（不短路）。

PWM 的开关逻辑非常简单。 当正弦波值大于三角波时，比较器产生信号1，否则产生信号0。

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比较器输出

1.开关逻辑

Vsine> Vtrian

Vsine < Vtrian

现在按逻辑观察第一个比较器的电压变化，MOS管上的控制信号为1，表示A点产生的电压脉冲。

应用相同的开关逻辑并观察 B 点产生的电压，因为我们测量的是 A 点和 B 点之间的输出电压，净电压将是 A 点和 B 点之间的差值。

三角波越精细，脉冲序列越精确：

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过滤，平均

为了使其成为真正的正弦波，还需要使用电感、电容等储能元件来平滑电压和电流，它们被称为无源滤波器。

电感器用于平滑电流，电容器用于平滑电压。 总而言之，借助逆变桥、良好的 PWM 技术和无源滤波器，您可以生成满足您要求的正弦波电压。

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扩展：多电平逆变器

上面我们说的逆变器只有两级电压，如果再引入一个电压级呢？

如上图所示，使用电压电平可以更好地逼近正弦波，减少瞬时误差。

这种多级逆变器技术用于风力涡轮机和电动汽车等高精度应用。

文章的相关内容总结在这个视频中：