了解PWM 逆变器 PWM 逆变器的操作

逆变器是一种可以将直流电变成交流电的电子设备。它具有可变的输入和输出特性。在逆变器的帮助下，汽车电池可以用来为普通家用电器供电。这样，即使没有常规交流电源，也可以在露营地或海滩使用任何家用电器。如何使用逆变器的一个常见示例是在偏僻的地方仅使用汽车电池为电视供电。

有了逆变器，交流电随时随地可用如果您需要为工作电压为 230 VAC (50 Hz) 的设备供电，但没有可用该电压的家用电源插座，则需要使用逆变器和直流发电机，例如 12 V 汽车电池、大型电池，甚至合适的太阳能电池板。这些设备被广泛使用，事实上，在没有交流电的地方与光伏板一起使用，并且它们的使用日益增加（参见图 1中的逆变器示例）。

图 1：200 W 逆变器示例。

根据产生信号的类型，有不同型号的逆变器，例如：

方波逆变器；修正正弦波逆变器；纯正弦波逆变器。

这些输出的比较和参考电压是用具有完美正弦波形状的家用电压制成的。逆变器产生的波形可以用方程概括。因此，可以构建通过 DAC 电路再现信号的数字逆变器。图 2中再现的图表显示由不同类型的逆变器以 50 Hz 的频率产生的一些交变波形。因此，用户应根据自己打算供电的负载，自行检查设备的输出信号。可以使用好的示波器进行此类检查，记住使用适当的分压器使电压值处于测量仪器支持的范围内。也可以使用一个好的频谱分析仪来检查信号中的谐波。

图 2：不同逆变器产生的 50 Hz 信号如果要供电的负载是纯阻性负载，经济价值不高，用户可以放心使用方波逆变器。事实上，阻性负载不需要特定的波形；重要的是它的末端有合适的功率。在某些情况下，甚至是直流电压可以使用，结果是一样的。例如，考虑钨丝白炽灯泡。他们凑合使用任何类型的电信号。另一方面，如果负载是感性或容性的，则需要一个尽可能接近正弦波的信号，否则它们可能会发生故障并产生等于电源频率的本底噪声。的发电设备当然是纯正弦波逆变器。它适用于为任何类型的负载供电，因为再现信号忠实地遵循正弦波的形状。显然，这些类型的逆变器更复杂，成本也更高。再次使用 50 Hz 的频率，可以确定构成上图中波形基础的数学方程式。

脉宽调制逆变器请注意，如果 x 为负，Sign(x) 函数返回 -1，如果 x 为正，则返回 +1，如果 x 为零，则返回 0。在这些波形中，很明显，纯净的波形是由不包含任何失真的正弦信号表示的。下表显示了失真率的详细信息，表征了各种波形：

电力电子课程：第 9 部分 –  脉宽调制逆变器从表中可以立即清楚地看出，除正弦波以外的波形是多么有问题，尤其是对于一定量级的负载。

逆变器的操作逆变器是一种将能量从一种形式转换为另一种形式的设备，因为它在输出端从输入端的直流电生成交流电。该设备使用变压器，从另一个线圈产生的可变磁场中产生感应交流电。如果交流电流流过线圈，就会产生磁场。如果电流方向改变，磁场的极性就会改变。变压器的次级线圈可以产生与初级线圈不同的电压，从而改变这些电感器的特性。如果将合适的电力电子电路与变压器相匹配，使电流连续快速地改变方向（频率为50Hz或60Hz），就可以制作出一个简单的逆变器来产生方波。输出信号的频率取决于电流在初级线圈上的流动方式。为了允许电流快速改变方向，必须使用适当的半导体电子开关，例如晶体管、IGBT 或更新的 MOSFET。

方波逆变器如前所述，这是一种生成方波交流信号的设备，因此大多数 230 VAC 负载不会接受这种波形。使用这样的逆变器，可以为老式白炽灯泡、小电阻加热器或几瓦的锡烙铁供电。出于这个原因，它没有被广泛使用，但它的实现可能有助于理解这种能量转换的工作原理。由于电抗反馈现象，它会发热很多。简单方波逆变器的一般原理图如图 3 所示. 其性能相当低，产生的谐波失真高达42%。该电路使用一个非稳态多谐振荡器来驱动变压器的初级线圈。典型的振荡频率约为 50 Hz，更改它需要更改电容器 C1 和 C2 以及电阻器 R1 和 R2 的值。从图中的频谱图可以看出，输出信号含有丰富的谐波，不能给容性负载和感性负载供电，只能给阻性负载供电。逆变器的功率由两个晶体管和变压器决定。

图 3：方波逆变器它的操作非常简单：当个晶体管关闭时间等于 T/2 时，负载两端的瞬时电压为 V/2。另一方面，当第二个晶体管闭合时间等于 T/2 时，负载两端的瞬时电压为 -V/2。设计人员必须确保两个晶体管永远不会同时关闭。如果负载是感性的，电流不能立即跟随与电压相同的波形，所以立即理解这种类型的逆变器应该只用于阻性负载而不是感性或容性负载。

其他类型逆变器要在初级线圈的输入端产生正弦波，必须使用合适的振荡器。显然，它提供的电流非常低，不足以直接驱动初级线圈。因此，必须放大电流才能驱动变压器的初级线圈。使用后一个组件，可以以牺牲电流为代价增加电压，反之亦然，但功率（伏特 x 安培）保持不变。通常，复杂波的生成是由微控制器通过 PWM 技术完成的。根据设备的分辨率，可以生成具有不同位数的正弦波，这种可能性极大地改变了逆变器的终价格。图 4显示了使用 2 位、3 位、4 位和 6 位分辨率针对 0 V 和 +5 V 之间的通用电压和 50 Hz 的频率生成的不同类型的正弦波，也与下表相关。

电力电子课程：第 9 部分 –  脉宽调制逆变器对于大于或等于 6 位的分辨率，正弦信号开始可以接受。在更高的分辨率下，结果非常并接近理想值，但硬件和软件的复杂性以及相关成本同样增加。如果 PWM 分辨率大于 8 位，则人眼无法感知各种样本近似的“阶跃效应”。完全有可能的是，通过增加 PWM 的工作分辨率，生成信号的失真率会成比例地降低，同时出现的高次谐波要少得多。

图 4：以不同分辨率生成的正弦信号