什么是逆变电源？为什么要逆变？
--------------------------------------------------------------------------------
2008-09-18 14:29:30 智典电子频道
利用晶闸管电路把直流电转变成交流电,这种对应于整流的逆向过程,定义为逆变。例如:应用晶闸管的电力机车,当下坡时使直流电动机作为发电机制动运行,机车的位能转变成电能,反送到交流电网中去。又如运转着的直流电动机,要使它迅速制动,也可让电动机作发电机运行,把电动机的动能转变为电能,反送到电网中去。
把直流电逆变成交流电的电路称为逆变电路。在特定场合下,同一套晶闸管变流电路既可作整流,又能作逆变。
变流器工作在逆变状态时,如果把变流器的交流侧接到交流电源上,把直流电逆变为同频率的交流电反送到电网去,叫有源逆变。如果变流器的交流侧不与电网联接,而直接接到负载,即把直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电供给负载,则叫无源逆变。交流变频调速就是利用这一原理工作的。有源逆变除用于直流可逆调速系统外,还用于交流饶线转子异步电动机的串级调速和高压直流输电等方面。
什么是逆变电源及用途？
2009-02-17 15:21
逆变电源，一般是指将低压的直流电转变成高压（或低压）的交流电的装置，它可以用蓄电池做电源，输出交流电。具体说，比如用12V的蓄电池是不能为普通电灯或电脑、电视等供电的，而把该蓄电池通过逆变器变成普通的220V交流电再接到这些用电器中，它们就能正常工作。
一般逆变电源中自带蓄电池，电脑城卖的UPS电源就是这样的东西，不过它本身所带的蓄电池较小，只能供电脑工作几分钟到十几分钟，主要是为了在突然停电时，靠它继续为电脑供电，好让你有时间把未保存的文件保存下来，且有时间正常关机。
正弦波逆变电源的用途
逆变器是一种将直流电转换为交流电的装置，它用于无交流电的环境，为交流设备提供电源。它的输出功率从几十瓦到几百千瓦不等；输入直流电压从几伏到几百伏不等。
它主要应用于下列场所：
1．在车、船和飞机上，与交通工具上的直流电源一起，为交流电器提供电源；
2．在无电源的地方，与其它发电设备（太阳能、风能、水能以及各种燃料发电机）一起，为用户提供交流电源；
3．作为通讯、电力系统的不间断电源UPS(Uninterrupted Power Supply)；
4．作为消防应急用电源EPS (Emergent Power Supply)；
5．利用便携电源，提供临时交流电源等。
逆变电源
逆变电源也称逆变器，是一种DC/AC的转换器，它将电池组的直流电源转化成输出电压和频率稳定的交流电源。
工业一级的逆变器一般均为正弦波输出，同市电的波形一致，如电力逆变器，通信逆变器；另外还有一种输出为方波或阶梯波或修正正弦波的，这一类逆变器一般都是应用于民用场合，如车载逆变器，太阳能家用逆变器，一般为小功率（1KVA以下），1KVA以上一般均做成正弦波的了。
在技术工艺上，人们又把正弦波逆变器区分为高频逆变器和工频逆变器，工频逆变器技术成熟，性能稳定，搞过载能力强，但体积庞大、笨重；高频逆变器是近五六年在市场上的新星，它技术指标优越、效率很高、尤其是体积小、重量轻、高功率密度，都是现代电力电子所倡导的，现在业已抢占了中小功率逆变器一半以上的市场。有些行业领先者的高频逆变器单元已经做到了30KVA，从技术发展和生产成本来看，高频逆变器取代工频逆变器将是大势所趋。
逆变器的输出有单相和三相之分，以适应不同的负载，这同市电的指标一样。
逆变器有很多应用领域，比如在航空工业中利用逆变器提供一个到400Hz频率转换等，这就要用到逆变器了。
5. 问：何谓逆变器的效率？
答：逆变器在工作时其本身也要消耗一部分电力，因此，它的输入功率要大于它的输出功率。逆变器的效率即是逆变器输入功率与输出功率之比。如一台逆变器输入了100瓦的直流电，输出了90瓦的交流电，那么，它的效率就是90％。
问：按输出波形划分，逆变器分为几类？
答：主要分两类，一类是正弦波逆变器，另一类是方波逆变器。正弦波逆变器输出的是同我们日常使用的电网一样甚至更好的正弦波交流电，因为它不存在电网中的电磁污染。方波逆变器输出的则是质量较差的方波交流电，其正向最大值到负向最大值几乎在同时产生，这样，对负载和逆变器本身造成剧烈的不稳定影响。同时，其负载能力差，仅为额定负载的40－60％，不能带感性负载（详细解释见下条）。如所带的负载过大，方波电流中包含的三次谐波成分将使流入负载中的容性电流增大，严重时会损坏负载的电源滤波电容。针对上述缺点，近年来出现了准正弦波（或称改良正弦波、修正正弦波、模拟正弦波等等）逆变器，其输出波形从正向最大值到负向最大值之间有一个时间间隔，使用效果有所改善，但准正弦波的波形仍然是由折线组成，属于方波范畴，连续性不好。总括来说，正弦波逆变器提供高质量的交流电，能够带动任何种类的负载，但技术要求和成本均高。准正弦波逆变器可以满足我们大部分的用电需求，效率高，噪音小，售价适中，因而成为市场中的主流产品。方波逆变器的制作采用简易的多谐振荡器，其技术属于50年代的水平，将逐渐退出市场。
二极管在逆变器中的应用
高效率和节能是家电应用中首要的问题。三相无刷直流电机因其效率高和尺寸小的优势而被广泛应用在家电设备中以及很多其他应用中。此外，由于采用了电子换向器代替机械换向装置，三相无刷直流电机被认为可靠性更高。
标准的三相功率级(power stage)被用来驱动一个三相无刷直流电机，如图1所示。功率级产生一个电场，为了使电机很好地工作，这个电场必须保持与转子磁场之间的角度接近90°。六步序列控制产生6个定子磁场向量，这些向量必须在一个指定的转子位置下改变。霍尔效应传感器扫描转子的位置。为了向转子提供6个步进电流，功率级利用6个可以按不同的特定序列切换的功率MOSFET。下面解释一个常用的切换模式，可提供6个步进电流。
MOSFET Q1、Q3和Q5高频(HF)切换，Q2、Q4和Q6低频(LF)切换。当一个低频MOSFET处于开状态，而且一个高频MOSFET 处于切换状态时，就会产生一个功率级。
步骤1) 功率级同时给两个相位供电，而对第三个相位未供电。假设供电相位为L1、L2，L3未供电。在这种情况下，MOSFET Q1和Q2处于导通状态，电流流经Q1、L1、L2和Q4。
步骤2）MOSFET Q1关断。因为电感不能突然中断电流，它会产生额外电压，直到体二极管D2被直接偏置，并允许续流电流流过。续流电流的路径为D2、L1、L2和Q4。
步骤3）Q1打开，体二极管D2突然反偏置。Q1上总的电流为供电电流(如步骤1)与二极管D2上的恢复电流之和。
显示出其中的体-漏二极管。在步骤2，电流流入到体-漏二极管D2(见图1)，该二极管被正向偏置，少数载流子注入到二极管的区和P区。
当MOSFET Q1导通时，二极管D2被反向偏置， N区的少数载流子进入P+体区，反之亦然。这种快速转移导致大量的电流流经二极管，从N-epi到P+区，即从漏极到源极。电感L1对于流经Q2和Q1的尖峰电流表现出高阻抗。Q1表现出额外的电流尖峰，增加了在导通期间的开关损耗。图4a描述了MOSFET的导通过程。
为改善在这些特殊应用中体二极管的性能，研发人员开发出具有快速体二极管恢复特性MOSFET。当二极管导通后被反向偏置，反向恢复峰值电流Irrm较小。
我们对比测试了标准的MOSFET和快恢复MOSFET。ST推出的STD5NK52ZD(SuperFREDmesh系列)放在Q2(LF)中，如图4b所示。在Q1 MOSFET(HF)的导通工作期间，开关损耗降低了65%。采用STD5NK52ZD时效率和热性能获得很大提升(在不采用散热器的自由流动空气环境下，壳温从60°C降低到50°C)。在这种拓扑中，MOSFET内部的体二极管用作续流二极管，采用具有快速体二极管恢复特性MOSFET更为合适。
SuperFREDmesh技术弥补了现有的FDmesh技术，具有降低导通电阻，齐纳栅保护以及非常高的dv/dt性能，并采用了快速体-漏恢复二极管。N沟道520V、1.22欧姆、4.4A STD5NK52ZD可提供多种封装，包括TO-220、DPAK、I2PAK和IPAK封装。该器件为工程师设计开关应用提供了更大的灵活性。其他优势包括非常高的dv/dt，经过100%雪崩测试，具有非常低的本征电容、良好的可重复制造性，以及改良的ESD性能。此外，与其他可选模块解决方案相比，使用分立解决方案还能在PCB上灵活定位器件，从而实现空间的优化，并获得有效的热管理，因而这是一种具有成本效益的解决方案。
3. 问：何谓“感性负载”？
答：通俗地说，即应用电磁感应原理制作的大功率电器产品，如电动机、压缩机、继电器、日光灯等等。这类产品在启动时需要一个比维持正常运转所需电流大得多（大约在3-7倍）的启动电流。例如，一台在正常运转时耗电150瓦左右的电冰箱，其启动功率可高达1000瓦以上。此外，由于感性负载在接通电源或者断开电源的一瞬间，会产生反电动势电压，这种电压的峰值远远大于逆变器所能承受的电压值，很容易引起逆变器的瞬时超载，影响逆变器的使用寿命。因此，这类电器对供电波形的要求较高。
SPWM电路实现DC/AC的调制原理
一般情况下，模拟集成芯片大多采取SPWM的自然采样法，这种方法产生SWPM信号极为方便，信号准确，电路简单，但脉冲稳定性差，抗干扰能力也不行。本文采用CPLD芯片基于EPROM存储的SWPM调制器，其出发点是逆变电路的开关状态，可产生多路SPWM脉冲
以下桥式逆变电路（来自我的毕业论文）
针对三相桥式逆变电路为研究对象，建立了仿真模型，并对逆变器主电路开关器件的开路故障进行仿
真，提出了基于BP神经网络的故障诊断方法，确定了网络的结构和参数，并以此训练网络．仿真试验结果表明，该神经网络具有很好的故障识别能力，所选择的基于BP神经网络的三相逆变器故障诊断系统是可行的。
电力电子技术广泛应用于国防军事和工业生产.电力电子设备一旦发生故障，可能造成装置或系统的损坏甚至威胁人身安全；因此，对电力电子设备进行故障检测和诊断非常有意义。由于电力电子器件的过载能力小，损坏速度快，且故障信息仅存在于发生故障后到停电之前的数十毫秒以内，所以需要动态监视，在线诊断.目前，人们只能从输出波形来诊断它是否有故障，以及何种故障，现已有多种方法用于电力电子电路的故障诊断.利用BP网络来诊断无功发生器中逆变器主回路元件开路故障；采用傅里叶分析方法实现了对三相变流器主电路的故障诊断；提出了采用小波分析和神经网络诊断电力电子
装置故障诊断的方法。在此则以三相桥式逆变电路为例，研究应用BP神经网络进行故障诊断的方法。
如何控制逆变主电路中开关器件的工作成为本系统能够达到要求的关键，为了加快开发进度，更为重要的是提高设计的灵活性和精确度，引入现代EDA(电子设计自动化)技术，采用VHDL硬件描述语言进行控制逻辑编程，配置于大规模可编程器件CPLD／FPGA 芯片上，对主电路的工作状态进行控制，以获得符合要求的电源电压及波形。
CPLD／FPGA可以在办公室或实验室里方便地设计出所需的专用集成电路，具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改，极大地提高了电子系统设计的灵活性和通用性。
2 调制方案
脉宽调制(PWM)是指工作频率不变(即工作周期不变)，通过改变开关器件的导通时间或截止时间来改变占空比，控制输出的电压脉宽，通过控制脉宽系列的变化规律来满足输出的要求。
为满足设计要求，本文采用正弦波脉宽调制(SPWM)方法，当然SPWM波形产生的方法也是多种多样，有自然采样法、规则采样法和直接面积等效法等。与其他方法相比，等效面积SPWM算法具有算法简易、谐波含量小、输出波形贴近理想值等特点，因此采用等效面积SPWM算法进行脉宽调制，进而实现对主电路器件的运转周期过程进行控制。
2．1 建立数学模型
首先把单个周期正弦波形分为N等份，然后如图2所示将每一等份的正弦弧线与横轴所包围的面积用与其面积等同的等高不等宽的矩形脉宽来代替，矩形脉宽的中点与正弦弧线在横轴上的投影中点要重合。于是，由N个等高的矩形脉宽系列构成的波形就等同于正弦波形[1]，这一系列矩形脉宽的宽度及其开关(即开关器件的导通截止时间)可用数学方法进行计算。
如图2所示是第K个脉宽，对应的正弦弧线与横轴所包围的面积SAK，脉宽矩形面积SRK。
其中，M为调制参数。
由于将正弦波形分为N个等份，每一等份的弧度为
第k个脉宽的宽度为：θpk＝a3k－a2k，前后两低电位的宽度为：
2．2 设计计算
N取12，根据正弦波形的对称性，实际矩形脉宽宽度只要算出3个就足够了，取正半周的前半部分进行计算，利用数学工具Matlab易算出如表1所列的结果(其中M取0．813，θmk为第K个等份的中点，表1中所列出的主要是对下文叙述有用的数据)。
3软硬件的实现
由于采用CPLD／FPGA作为控制电路的硬件载体，通过VHDL硬件描述语言的编程对硬件进行功能的描绘，运用的是数字化的控制方式，因此必须将表中的数据进行转换。假设每个等份的计数值为600，将表中的数据皆与(600／0．523 598 77)相乘并取整以便VHDL编程。
笔者接入的晶振为100 MHz，根据相电压的频率X，首先对他进行(100×10 6／X)分频，因此第一步设汁一个数控分频器作为主频，不但可以达到要求，还便于实验的调节。
每个脉宽产生的设计思路是，设计一个可逆计数器，顺序是299-0-0-299，取出相应的脉宽一半的数值(转换后)，将数值与计数器的变量进行比较，若变量大则输出0，否则输出1，这样保证了脉宽准确地处于等份的中央。
由于电压波形的每个周期内要求有12个脉宽，且每个脉宽的宽度有严格的变化规律，因此，在设计中，每个周期对应的计数量为600×12。设计一个0～599计数器CNT1，每计到599时，产生一个脉冲进行再计数CNT2计数范围为0～11，这样在CNT从0～11变化一趟对应波形的一个周期。所以结合CNT1和CNT2可以按规律取出对应的脉宽序号，通过查寻方式取出对应的脉宽宽度一半的数值，用于比较产生脉宽，同时加入正负半波的标志位FIAGA，便于对单相全桥式逆变器各开关器件的控制。
以上叙述的是对单一相电压波形的调制设计，还有另两相A，B，为满足相位平衡，可直接在计数器CNT1中加入另两相的脉宽比较输出，但是取出用于比 较的脉宽序号是不一样的，B相滞后A相 C相又滞后B相 因此B相在CNT2为4时的脉宽序号与A相在CNT为0时的脉宽序号一致，C相同理，同时还要加入各自的正负半波的标志位FLAGB，FLAGC。
其实逆变电源的特殊要求就在于在三相负载不平衡条件下能够保证输出的电源品质不变，因此，每个相的脉宽必须各自能够进行自我调节，以达到各相电压幅值一样，在编程中，必须对每相的电压调节分开，这样，相同脉宽序号下，各相的脉宽宽度并不一定相同，还要根据反馈进行调节，脉宽相应的数值是变化，因此，对每一相的脉宽宽度分开利用查寻表(如图3所示，有3个表储器A，B，C)的方式进行获取。
以下是利用VHDL编写控制程序的部分内容：
利用EDA设计工具软件Max+PlusⅡ进行波形仿真，仿真结果如图4所示。
从仿真结果可以清楚地看到，波形每个周期时间为2．5 ms(相当频率400 Hz)，对于A相，在FLAGA和A的"与"与"非"组合下，为对角管子T1T2提供信号A12，为另一对对角管子T3T4提供信号A34，而且保证了同一桥臂的上下两管子不会同时导通，所以在设计当中，不用设置死区时间，降低系统设计的复杂度，从而提高了系统的可靠性，其余两相同理，再利用Gw48-GK实验开发系统板[3]，通过下载到Altera公司的EP1K30TC144-3芯片上进行硬件测试，结果完全符合要求。
4 结 语
利用CPLD／FPGA作为硬件电路，采用VHDL等硬件描述语言对硬件的功能进行编程，加快了系统的研发进程，采用数字化的控制方式，大幅度提高了逻辑控制的精确度，实时控制效果好，实践证明CPLD／FPGA芯片可以代替传统的复杂的电路，而且可以大比例地缩小电路的硬件规模，提高了集成度，降低开发成本，提高系统的可靠性，为电源逆变控制电路的设计开辟了新的天地。
