电压型单相方波逆变器

逆变器的工作情况即输入输出特性是用其主电路——逆变电路来表现的。

1.电压型单相半桥方波逆变电路

图2-8a是电压型单相方波逆变器的逆变电路，它有两个桥臂，每个桥臂由一个全控器件和一个反并联二极管组成。在直流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的连接点便成为直流电源的中点。负载连接在直流电源中点和两个桥臂连接点之间。

设开关器件VT₁和VT₂的栅极信号在一个周期内各有半周正偏，半周反偏，且二者互补。当负载为感性时，其工作波形如图2-8b所示。输出电压u_o为矩形波，其幅值为U_m=U_d/2。输出电流i_o波形随负载情况而异。设t₂时刻以前VT₁为通态，VT₂为断态。t₂时刻给VT₁关断信号，给VT₂开通信号，则VT₁关断，但感性负载中的电流i_o不能立即改变方向，于是VD₂导通续流。当t₃时刻i_o将为零时，VD₂截止，VT₂开通，i_o开始反向，同样，在t₄时刻给VT₂关断信号，给VT₁开通信号后，VT₂关断，VD₁先导通续流，t₅时刻VT₁才开通。各段时间内导通器件的名称标于图2-8b的下部。

当VT₁或VT₂为通态时，负载电流和电压同方向，直流侧向负载提供能量；而当VD₁或VD₂为通态时，负载电流和电压反向，负载电感中储存的能量向直流侧反馈，即负载电感将其吸收的无功能量反馈回直流侧。反馈回的能量暂时储存在直流侧电容器中，直流侧电容器起着缓冲这种无功能量的作用，因为二极管VD₁、VD₂是负载向直流侧反馈能量的通道，故称为反馈二极管；又因为VD₁、VD₂起着使负载电流连续的作用，因此又称为续流二极管。

图2-8 单相半桥逆变电路及电压电流波形

a）电压型单相方波逆变电路 b）电压波形 c）电阻负载电流波形 d）电感负载电流波形 e）RL负载电流波形

如果在0＜ωt≤π期间，VT₁有驱动信号处于通态，VT₂截止，这时u_o=U_d/2；在π≤ωt＜2π期间，VT₂有驱动信号处于通态，VT₁截止，这时u_o=-U_d/2。由此可知逆变器输出电压u_o为180°（π）宽的方波，幅值为U_d/2，如图2-8b所示。

输出电压u_o的有效值为

由于电压为U_d/2，故类似式（附A-11），输出电压u_o的瞬时值为

其中ω=2πf，为输出电压的基波角频率。当n=1时其基波分量的有效值为

可见输出电压u_o的大小取决于直流电压，输出电压u_o的基波频率取决于驱动脉冲的频率，u_o的基波相位也取决于驱动脉冲的相位。当驱动脉冲的频率或相位改变时，即可改变输出电压基波的频率和相位。

负载电流i_o的波形与负载性质有关，主要如下：

1）纯电阻负载时，电流i_o是与电压u_o同相的方波，如图2-8c所示。应注意的是，虽然纯电阻负载时二极管VD₁、VD₂任何时刻都不导通，但这并不意味着VD₁、VD₂是可有可无的。

2）电感负载时，电流i_o的稳态波形是三角波。如果忽略线路电阻，如图2-8d所示，在0≤ωt＜π期间，u_o=L·di_o/dt=U_d/2，i_o线性上升；在π≤ωt＜2π期间，u_o=L·di_o/dt=-U_d/2，i_o线性下降。应注意的是稳态电流波形不含直流分量，这是因为实际电路中或多或少都会存在一定的电阻，i_o的暂态直流分量最终会衰减到零。

在0≤ωt＜π/2期间，虽然VT₁有驱动信号，VT₂阻断，但i_o为负值，负值电流i_o只能经过VD₁回流到电源，VD₁所起的作用称为续流。在此期间电感里面的储存能量回送到电网。同样，VD₂也有类似的续流作用，这种起续流作用的二极管成为续流二极管。实际上，开关管加上反并联二极管构成逆导型开关，其中的二极管都是用于为感性负载提供续流通道的。这也是在多数半导体开关器件模块中将诸开关器件和反并联二极管集成在一起的原因。

在ωt≥π/2、i_o≥0以后，由于VT₁仍有驱动信号，u_o=L·di_o/dt=U_d/2，i_o从零线性上升直到ωt=π，这期间VT₁导通，电网向电感供电。同理，在π≤ωt＜3π/2期间是VD₂续流导电，而在3π/2≤ωt＜2π期间是VT₂导通。

电感负载时，故负载电流峰值i_om=U_d/8fL。

3）当负载为电阻、电感性负载时，负载电流i_o的表达式为

电压基波幅值U_1m=2U_d/π

n次谐波阻抗

n次谐波相角

电阻、电感性（RL）负载时，基波电流i_o1为

其中，ϕ₁是基波电流i_o1滞后基波电压u_o1的相位角，。

图2-8e为RL负载时的电流i_o，感性负载电流i_o相位上滞后于负载电压u_o，在0≤ωt＜ϕ期间，VT₁有驱动信号，但i_o为负值，且VT₂截止，因此VD₁导电；在ϕ≤ωt＜π期间，i_o为正值，VT₁有驱动信号导通；在π≤ωt＜π+ϕ期间，VT₂有驱动信号，但此期间i_o仍为正值，且VT₁截止，故VD₂导通，直到ωt=π+ϕ；然后在π+ϕ≤ωt＜2π期间VT₂导通。

2.电压型单相全桥方波逆变电路

图2-9a是电压型单相全桥方波逆变电路，其中全控型开关器件VT₁、VT₄同时通、断；VT₂、VT₃同时通、断。VT₁（VT₄）与VT₂（VT₃）的驱动信号互补，即VT₁、VT₄有驱动信号时，VT₂、VT₃无驱动信号，反之亦然。(www.xing528.com)

图2-9 电压型单相桥式方波逆变电路及电压电流波形

a）电压型单相全桥方波逆变电路 b）负载电压 c）电阻负载电流波形 d）电感负载电流波形 e）RL负载电流波形 f）输入电流波形

如果在0≤t＜T₀/2期间，VT₁、VT₄有门极驱动信号，VT₂、VT₃截止，U_o=U_d。在T₀/2≤t＜T₀期间，VT₂、VT₃有门极驱动信号，VT₁、VT₄截止，U_o=-U_d。可见，输出电压u_o是180°宽的方波电压的幅值U_d。

如图2-9b所示，180°方波输出电压瞬时值u_o（t）（傅里叶表达式）、有效值U_o分别为

其基波分量有效值可表示为

注意：当电源电压（U_d）和负载（R）不变时，桥式电路的输出功率是半桥式电路的4倍。

纯电阻负载时电流i_o是与电压u_o同相的方波，如图2-9c所示。

纯电感负载时电流i_o是三角波：

在0≤t＜T₀/2期间，L·di_o/dt=u_o=U_d，i_o线性上升；

在T₀/2≤t＜T₀期间，U_o=-U_d，i_o线性下降；

在0≤t≤T₀/4期间，虽然VT₁、VT₄有驱动信号，VT₂、VT₃阻断，但i_o为负值，负值i_o只能经VD₁、VD₄流回电源。故只在t≥T₀/4，i_o≥0以后由于VT₁、VT₄仍有驱动信号，U_o=U_d=Ldi_o/dt，i_o＞0且线性上升直到t=T₀/2，所以VT₁、VT₄仅在T₀/4≤t≤T₀/2期间导通，电源向电感供电。同理在T₀/2≤t≤3T₀/4期间，VD₂、VD₃导电；VT₂、VT₃仅在3T₀/4≤t≤T₀期间导通，如图2-9d所示。

对于纯电感负载，。

因此其负载电流峰值i_om为

i_om=U_d/（4f₀L） （2-13）

无论是半桥式还是全桥式逆变电路，其电路中的开关器件为MOSFET、IGBT、IEGT、IGCT等高频自关断器件。

当负载为RL负载时，亦可求得瞬时负载电流i_o的表达式为

式中电压基波幅值 U_1m=4U_d/π （2-15）

n次谐波阻抗 Z_n=[R²+（nωL）²]^1/2 （2-16）

相角

RL负载时，基波电流i_o1为

θ₁是电流i_o1滞后电压U_o的相位角。

图2-9e为RL负载时的基波电流。如果负载电流瞬时值为图2-9e的波形，在0≤ωt≤θ期间，VT₁、VT₄有驱动信号，但i_o为负值，且VT₂、VT₃截止，因此VD₁、VD₄导通，U_o=U_d，故直流电源输入电流i_d为负值-|i_o|；在θ≤ωt≤π期间，i_o为正值，VT₁、VT₄有驱动信号导通，i_d=i_o；π≤ωt≤π+θ期间，VT₂、VT₃有驱动信号但此期间i_o仍为正值，且VT₁、VT₄截止，故VD₂、VD₃导通，所以i_d=-i_o、U_o=-U_d，直到ωt=π+θ，i_d=i_o=0。然后在（π+θ）≤ωt≤2π期间VT₂、VT₃导通。图2-9f是RL负载时直流电源输入电流i_d的波形。

3.带中心抽头变压器的逆变器

图2-10是带中心抽头变压器的逆变电路。交替驱动两个IG-BT，通过变压器的耦合给负载加上矩形波交流电压。两个二极管的作用也是给负载电感中储存的无功能量提供反馈通道。在U_d和负载参数相同，且变压器的两个一次绕组和二次绕组的匝数比为1∶1∶1的情况下，该电路的输出电压u_o和输出电流的波形及幅值与全桥逆变电路完全相同。

图2-10的电路虽然比全桥电路少用了一个开关器件，但器件承受的电压却为2U_d，比全桥电路高一倍，但必须有一个变压器。

图2-10 带中心抽头变压器的逆变电路