1.4 逆变电源

1.4.1 逆变电源的认知

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，是将直流电能转换成交流电能的装置，供交流负载用电。蓄电池、干电池、太阳能电池等直流电源向交流负载供电时，均需要逆变电路；交流电动机的调速变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。例如，12V蓄电池是不能为普通电灯或计算机、电视机等供电的，而把该蓄电池通过逆变器变成普通的220V交流电，就能供给这些电器使用了。

目前市面上比较常见的逆变电源有传统的逆变电源、数字式逆变电源和UPS电源。

传统逆变电源的变压器使用普通硅钢片绕制，不仅耗材、笨重、效率低，而且空载电流高达0.7～2A，使得逆变所需的蓄电池、太阳能电池等电能浪费严重。此外，传统逆变电源还存在输出电压不稳定，容易损坏电器；缺少各种短路保护和欠压保护电路，容易烧毁逆变电源中输出功率管和蓄电池等储能装置的缺点。

数字式逆变电源是目前在居民中使用率比较高的逆变电源，可以完全解决传统逆变电源在使用过程中所存在的各种问题。它是计算机技术与电源技术相结合的实用型产品，是一种比较好的后备供电设备电源。大多数数字式逆变电源都采用开关电源方案，其脉宽调制方式有电压型和电流型两种，后者在对输出电压做误差控制调整的同时也对电流进行调整，因此具有很好的瞬变响应能力，能迅速响应输入、输出的变化和短路或过载故障，不但效率高，而且灵活性好。

UPS电源是一种当市电中断后能及时向负载供电的不间断电源，按其工作原理可分为后备式、在线式以及在线互动式3种。

（1）后备式UPS。后备式UPS的工作过程：在市电正常供电时，市电通过交流旁路通道再经转换开关直接向负载提供电源，机内的逆变器处于停止工作状态，同时处于电池充电状态；只有当市电供电中断或低于170V时，蓄电池才对UPS的逆变器供电，并向负载提供稳压、稳频的交流电源。后备式UPS电源的优点是：运行效率高、噪声低、价格相对便宜，主要适用于市电波动不大，对供电质量要求不高的场合。后备式UPS一般只能持续供电几分钟到几十分钟，主要是让使用者有时间备份数据，并尽快结束手头工作。

（2）在线式UPS。在线式UPS的工作过程：与后备式UPS不同，其逆变器一直处于工作状态，它首先将外部交流电转变为直流电，再通过逆变器将直流电转换为高质量的正弦波交流电输出给负载。在线式UPS在供电状况下的主要功能是稳压及防止电波干扰；在停电时则使用备用直流电源给逆变器供电。在线式UPS的优点是供电持续时间长，一般为几个小时到十几个小时，适用于交通、银行、通信、医疗等行业，价格相对较高。

（3）在线互动式UPS。这是一种智能化的UPS，在输入市电正常时，UPS的逆变器处于反向工作状态（即整流工作状态），给电池组充电；在市电异常时逆变器立刻转为逆变工作状态，将电池组电能转换为交流电输出。与后备式UPS相比，在线互动式UPS的保护功能较强，逆变器输出电压波形较好，可自动侦测外部输入电压是否处于正常范围之内，若有偏差可由稳压电路升压或降压，提供比较稳定的正弦波输出电压，同时具有较强的软件功能，进行UPS的远程控制和智能化管理。这种UPS集中了后备式UPS效率高和在线式UPS供电质量高的优点，但其稳频性能不是十分理想，不适合做常延时的UPS电源。

1.4.2 桥式逆变电路

1.桥式逆变电路的工作原理

单相桥式逆变电路的工作原理如图1-30所示。其中，S1～S4是桥式电路的4个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。S1和S4闭合、S2和S3断开时，负载电压uo为正；当S1和S4断开、S2和S3闭合时，负载电压uo为负，实现直流电到交流电的转换。改变两组开关切换频率，即可改变输出交流电的频率。

信号工作波形分析：在t1之前，S1和S4闭合，S2和S3断开，uo和io均为正；t1时刻断开S1、S4，接通S2、S3，uo立刻变为负，但由于实际负载总是存在一定的分布电感，而使io不能突变，只能逐步下降，在t2时刻降为零，之后io才反向并增大；在t3时刻，闭合S1和S4，断开S2和S3，uo立刻变为正，io逐渐上升。如此循环工作，就可以将直流电逆变为交流电。

2.单相桥式逆变电路

采用移相方式调节输出电压的单相桥式逆变电路如图1-31所示。其中，VT1、VT2、VT3、VT4采用IGBT开关管；VD1、VD2、VD3、VD4为续流二极管，起到使io连续的作用；L起到消除一些谐波、使输出电压正弦化的作用。IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是绝缘栅双极型晶体管，其开关作用是通过加正向栅极电压，使IGBT 导通；反之，加反向栅极电压使IGBT关断。各栅极信号（uo1、uo2、uo3、uo4）均为180°正偏、180°反偏，且VT1和VT2互补，VT3和VT4互补关系保持不变。为了使换流顺利进行，VT3的基极信号只比VT1落后θ（0°<θ<180°），VT3的栅极信号分别比VT2前移180°－θ，uo成为正负各为θ宽度的脉冲，改变θ即可调节输出电压有效值。

负载工作对基波电流接近串联谐振状态，对基波阻抗很大，对谐波阻抗很小，输出电压为

其中，基波电压uo1、基波电压的幅值Uo1m、基波电压的有效值Uo1分别表示为

由此可见，控制开关信号的频率f决定输出交流电的频率，改变直流电源电压Ud可以改变基波幅值和有效值，从而实现逆变的目的。

1.4.3 逆变电源应用实例

1.一种家用逆变电源

如图1-32所示为一种性能优良的家用逆变电源。其输出功率为150W，输出电压为AC 220V，工作频率为300Hz左右，可以在停电时给家庭照明、电子镇流器的日光灯等家用电器供电。电容器 C2、C3用涤纶电容，三极管VT1～VT5用9013；VT6、VT7用场效应管IRF150。安装时要注意下列事项：VT6、VT7在焊接必须使用接地良好的电烙铁或切断电源后再焊接；大电流要用直径2.5mm2以上的粗导线连接，并且连线尽量短；电瓶电压为DC 12V、容量12A·h以上；功率管要加适当的散热片，例如，用100mm×100mm×3mm铝板散热。如果要增加功率，增加同型号的功率管并联使用，要相应地增加变压器的功率。

由VT5、VZ、R10组成恒流源，提供稳定电流向振荡电路供电。R1和VD1组成电源指示电路。由VT2、R3、R5、C2、VT3、R6、R7、C3构成集基耦合多谐振荡器，接通电源后，VT2和VT3自动交替饱和导通或截止，在它们的发射极获得矩形波输出。多谐振荡器产生的矩形脉冲经过VT1、VT4放大后，分别去控制功率场效应管VT6和VT7。VT6和VT7工作在交替导通状态，将直流电逆变为交流电。

2.用SG3524构成逆变电源

目前国内外生产的PWM型集成控制器已达上百种，其中以SG3524较为流行，它是美国硅通用公司（Silicon General）生产的双端输出式脉宽调制芯片。SG3524内部集成了精密基准电源、误差放大器、可调振荡器、脉冲同步触发器、输出晶体管、高增益比较器、限流检测放大器以及关断电路。SG3524的工作电源电压范围为8～35V，采用DIP-16型封装，引脚排列如图1-33所示，其内部结构如图1-34所示。

SG3524的第脚为外加电源输入端，它向集成块内部的斜波发生器、PWM比较器、T型触发器等供电，并通过第脚向外部提供＋5V基准电压；振荡器先产生0.6～3.5V连续不对称锯齿波电压uj，再变换成矩形波电压，送至触发器、或非门，并由③脚输出。振荡频率由SG3524的第⑥、⑦脚外接电阻器RT和外接电容器CT决定，其值为f=1.15/RTCT。考虑到对CT的充电电流为（1.2～3.6）V/RT，一般为12μA～2mA，因此RT的取值范围为1.8～100k，CT为0.001～0.1μF，其最高振荡频率为300kHz。

由SG3524芯片组成的逆变电路如图1-35所示。它采用了推挽式电路，变压器初级线包中心抽头接蓄电池正极，蓄电池负极接地，初级线包两端连接的开关管工作在交替导通状态。该逆变电路结构简单，不需要特制变压器，输出电压为方波，驱动功率管完成直流电到交流电的逆变。两只场效应管的选择根据需要的输出功率决定，型号要一致，若双管的输出功率达不到要求还可多只并联使用。变压器一般用220V/2×12V工频变压器即可，功率也是根据实际需要决定。场效应管IRF1010的主要参数为：漏源电压VDSS=55V，开启电压VGS=2～4V，通态电阻RDS=0.014Ω，标称电流ID=75A，标称功率PD=150W。图1-35中，20kΩ电位器用于调节脉宽，进而改变输出电压大小，可用于AC 220V /800W负载供电。