單相全橋逆變器的操作

如前所述，單相全橋逆變器用于將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。在該電路中，電子開關(guān)成對工作，在一個(gè)半波中，只有S1和S2閉合，而在另一個(gè)半波中，S3和S4閉合。逆變器的輸出是可變頻率的交流電壓，取決于驅(qū)動(dòng)設(shè)備的波形頻率。圖 1 顯示了該逆變器的一般操作圖。實(shí)際上，電路的“a”部分中的電子開關(guān)與“b”部分中的電子開關(guān)互補(bǔ)控制。在這種情況下，開關(guān)是理想的設(shè)備。

如前所述，單相全橋逆變器用于將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。在該電路中，電子開關(guān)成對工作，在一個(gè)半波中，只有S1和S2閉合，而在另一個(gè)半波中，S3和S4閉合。逆變器的輸出是可變頻率的交流電壓，取決于驅(qū)動(dòng)設(shè)備的波形頻率。圖 1 顯示了該逆變器的一般操作圖。實(shí)際上，電路的“a”部分中的電子開關(guān)與“b”部分中的電子開關(guān)互補(bǔ)控制。在這種情況下，開關(guān)是理想的設(shè)備。這兩個(gè)信號使用相等且相反的參考電壓進(jìn)行調(diào)制。通常，相同的電載波用于兩個(gè)驅(qū)動(dòng)信號。

圖1：單相全橋逆變器原理圖

單相全橋電壓發(fā)生器逆變器由四個(gè)斬波電路組成，如圖 2 所示。其中有四個(gè)晶體管或 MOSFET（Q1、Q2、Q3 和 Q4）。它們可以單獨(dú)和獨(dú)立地驅(qū)動(dòng)，因此終的操作會根據(jù)順序以及電子開關(guān)的打開和關(guān)閉方式而有所不同。由于其電子元件形成的奇特圖形形狀，該設(shè)備也被稱為“H 橋”。終結(jié)果是使用相同電源電壓的兩個(gè)單相、兩電平逆變器的組合。我們將在下面檢查不同的激活序列：

如果開關(guān)元件 Q1 和 Q2 都閉合，則負(fù)載（存在于節(jié)點(diǎn)“a”和“b”之間）承受等于 Vs 的電壓，并且恰好在節(jié)點(diǎn)“a”處存在大約 Vs 的電壓值并且在節(jié)點(diǎn)“b”有一個(gè)大約GND的電壓值

如果開關(guān)元件 Q3 和 Q4 都閉合，則負(fù)載（存在于節(jié)點(diǎn)“a”和“b”之間）承受等于 Vs 的電壓，但這次極性相反，恰好在節(jié)點(diǎn)“a”處有一個(gè)大約 GND 的電壓值，而在節(jié)點(diǎn)“b”處有大約 Vs 的電壓值。

圖2：單相橋式VSI逆變器原理圖

流過負(fù)載的電流并不理想，但它受到電子開關(guān)電阻值的影響，正如我們所知，這也不是真實(shí)的。相反，流過按順序連接的兩個(gè)晶體管的電流，出于所有意圖和目的，必須穿過兩條電阻線，其值非常低但仍然很重要。圖 3 顯示了根據(jù)電子開關(guān)的不同邏輯狀態(tài)的電流路徑。

圖 3：在單相橋式逆變器中，電流路徑取決于電子開關(guān)的邏輯狀態(tài)

輸出電壓的理論有效值可使用以下等式確定：

方波控制允許以這樣的方式驅(qū)動(dòng)橋式開關(guān)，即每個(gè)負(fù)載端子在半個(gè)周期內(nèi)連接到直流電源的正極端子，在半個(gè)周期內(nèi)連接到負(fù)極端子。以這種方式，橋的兩個(gè)分支被交叉驅(qū)動(dòng)。我們現(xiàn)在將檢查四個(gè)電子開關(guān)（晶體管或 MOSFET）的四種開關(guān)操作狀態(tài)。下表給出了在各種操作模式下節(jié)點(diǎn)“a”和“b”上存在的不同電壓。下表證明了單相橋式逆變器的操作，其中列出了各種開關(guān)的邏輯條件，以及有關(guān)電壓和導(dǎo)通組件的其他信息。

值得注意的是，當(dāng)二極管 D1 和 D2 導(dǎo)通時(shí)，循環(huán)電流作為正反饋返回到電壓發(fā)生器。在純電阻負(fù)載的情況下，瞬時(shí)功率值等于瞬時(shí)電壓乘以瞬時(shí)電流的乘積。另一方面，如果負(fù)載是電感性的，則其電流和電壓是正弦曲線。任何諧波都會返回電壓發(fā)生器，應(yīng)該通過與電壓發(fā)生器并聯(lián)一個(gè)大電容來消除或減少諧波，不幸的是，這會增加此類逆變器的重量、體積和成本。為避免相反的開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，在兩個(gè)電源命令之間實(shí)現(xiàn)了一個(gè)小的死區(qū)時(shí)間。在這種接線方案中，優(yōu)點(diǎn)是使用單一電源電壓。開關(guān)成對工作，在一個(gè)半波中只有 Q1 和 Q2 閉合，在另一個(gè)半波中 Q3 和 Q4 閉合。對于過時(shí)的 SCR，典型的工作頻率為 50 Hz 或 300 Hz，這些值都在可聽音頻頻譜范圍內(nèi)，因此舊設(shè)備會產(chǎn)生令人不快的哨聲和聲學(xué)音符。使用新的電子元件，可以增加這個(gè)頻率。如果假設(shè)有強(qiáng)電感負(fù)載，則電流呈現(xiàn)對稱的三角形模式（參見圖 4 中的相應(yīng)圖表）。圖中顯示了負(fù)載上的電壓和電流，在每個(gè)周期內(nèi)，有四個(gè)不同的導(dǎo)通區(qū)間，對應(yīng)一個(gè)確定的電路。切換后，感性負(fù)載上的電流不能突變，瞬間反轉(zhuǎn)方向，方波呈現(xiàn)幅度較大的諧波和其他奇次諧波，諧波失真率約為48%。使用特殊濾波器可以大大減少這些諧波。

圖 4：負(fù)載上的電壓和電流圖

結(jié)論

2999) 組件可以幫助提高電子設(shè)備的效率。它們是半導(dǎo)體材料，與傳統(tǒng)硅相比具有更優(yōu)異的電性能，例如更高的耐溫性和更低的內(nèi)阻。這意味著基于SiC和 GaN 的電子設(shè)備可以更快地運(yùn)行并且能量損失更少，從而提高整體效率。它們可以設(shè)計(jì)用于太陽能系統(tǒng)中的大量使用，因?yàn)樗鼈兛梢蕴幚砜勺兊闹绷鬏斎腚妷翰a(chǎn)生非常穩(wěn)定的交流輸出電壓。此外，它們可以處理非線性負(fù)載，例如電感負(fù)載、電容負(fù)載和混合負(fù)載，因此非常適合用于住宅和工業(yè)應(yīng)用。