1.4 逆變電源

1.4.1 逆變電源的認(rèn)知

逆變電源，一般是指將低壓的直流電轉(zhuǎn)變成高壓（或低壓）的交流電，是將直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能的裝置，供交流負(fù)載用電。蓄電池、干電池、太陽(yáng)能電池等直流電源向交流負(fù)載供電時(shí)，均需要逆變電路；交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速變頻器、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源等電力電子裝置的核心部分都是逆變電路。例如，12V蓄電池是不能為普通電燈或計(jì)算機(jī)、電視機(jī)等供電的，而把該蓄電池通過(guò)逆變器變成普通的220V交流電，就能供給這些電器使用了。

目前市面上比較常見(jiàn)的逆變電源有傳統(tǒng)的逆變電源、數(shù)字式逆變電源和UPS電源。

傳統(tǒng)逆變電源的變壓器使用普通硅鋼片繞制，不僅耗材、笨重、效率低，而且空載電流高達(dá)0.7～2A，使得逆變所需的蓄電池、太陽(yáng)能電池等電能浪費(fèi)嚴(yán)重。此外，傳統(tǒng)逆變電源還存在輸出電壓不穩(wěn)定，容易損壞電器；缺少各種短路保護(hù)和欠壓保護(hù)電路，容易燒毀逆變電源中輸出功率管和蓄電池等儲(chǔ)能裝置的缺點(diǎn)。

數(shù)字式逆變電源是目前在居民中使用率比較高的逆變電源，可以完全解決傳統(tǒng)逆變電源在使用過(guò)程中所存在的各種問(wèn)題。它是計(jì)算機(jī)技術(shù)與電源技術(shù)相結(jié)合的實(shí)用型產(chǎn)品，是一種比較好的后備供電設(shè)備電源。大多數(shù)數(shù)字式逆變電源都采用開(kāi)關(guān)電源方案，其脈寬調(diào)制方式有電壓型和電流型兩種，后者在對(duì)輸出電壓做誤差控制調(diào)整的同時(shí)也對(duì)電流進(jìn)行調(diào)整，因此具有很好的瞬變響應(yīng)能力，能迅速響應(yīng)輸入、輸出的變化和短路或過(guò)載故障，不但效率高，而且靈活性好。

UPS電源是一種當(dāng)市電中斷后能及時(shí)向負(fù)載供電的不間斷電源，按其工作原理可分為后備式、在線式以及在線互動(dòng)式3種。

（1）后備式UPS。后備式UPS的工作過(guò)程：在市電正常供電時(shí)，市電通過(guò)交流旁路通道再經(jīng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)直接向負(fù)載提供電源，機(jī)內(nèi)的逆變器處于停止工作狀態(tài)，同時(shí)處于電池充電狀態(tài)；只有當(dāng)市電供電中斷或低于170V時(shí)，蓄電池才對(duì)UPS的逆變器供電，并向負(fù)載提供穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的交流電源。后備式UPS電源的優(yōu)點(diǎn)是：運(yùn)行效率高、噪聲低、價(jià)格相對(duì)便宜，主要適用于市電波動(dòng)不大，對(duì)供電質(zhì)量要求不高的場(chǎng)合。后備式UPS一般只能持續(xù)供電幾分鐘到幾十分鐘，主要是讓使用者有時(shí)間備份數(shù)據(jù)，并盡快結(jié)束手頭工作。

（2）在線式UPS。在線式UPS的工作過(guò)程：與后備式UPS不同，其逆變器一直處于工作狀態(tài)，它首先將外部交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡偻ㄟ^(guò)逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為高質(zhì)量的正弦波交流電輸出給負(fù)載。在線式UPS在供電狀況下的主要功能是穩(wěn)壓及防止電波干擾；在停電時(shí)則使用備用直流電源給逆變器供電。在線式UPS的優(yōu)點(diǎn)是供電持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，一般為幾個(gè)小時(shí)到十幾個(gè)小時(shí)，適用于交通、銀行、通信、醫(yī)療等行業(yè)，價(jià)格相對(duì)較高。

（3）在線互動(dòng)式UPS。這是一種智能化的UPS，在輸入市電正常時(shí)，UPS的逆變器處于反向工作狀態(tài)（即整流工作狀態(tài)），給電池組充電；在市電異常時(shí)逆變器立刻轉(zhuǎn)為逆變工作狀態(tài)，將電池組電能轉(zhuǎn)換為交流電輸出。與后備式UPS相比，在線互動(dòng)式UPS的保護(hù)功能較強(qiáng)，逆變器輸出電壓波形較好，可自動(dòng)偵測(cè)外部輸入電壓是否處于正常范圍之內(nèi)，若有偏差可由穩(wěn)壓電路升壓或降壓，提供比較穩(wěn)定的正弦波輸出電壓，同時(shí)具有較強(qiáng)的軟件功能，進(jìn)行UPS的遠(yuǎn)程控制和智能化管理。這種UPS集中了后備式UPS效率高和在線式UPS供電質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)，但其穩(wěn)頻性能不是十分理想，不適合做常延時(shí)的UPS電源。

1.4.2 橋式逆變電路

1.橋式逆變電路的工作原理

單相橋式逆變電路的工作原理如圖1-30所示。其中，S1～S4是橋式電路的4個(gè)臂，由電力電子器件及輔助電路組成。S1和S4閉合、S2和S3斷開(kāi)時(shí)，負(fù)載電壓uo為正；當(dāng)S1和S4斷開(kāi)、S2和S3閉合時(shí)，負(fù)載電壓uo為負(fù)，實(shí)現(xiàn)直流電到交流電的轉(zhuǎn)換。改變兩組開(kāi)關(guān)切換頻率，即可改變輸出交流電的頻率。

信號(hào)工作波形分析：在t1之前，S1和S4閉合，S2和S3斷開(kāi)，uo和io均為正；t1時(shí)刻斷開(kāi)S1、S4，接通S2、S3，uo立刻變?yōu)樨?fù)，但由于實(shí)際負(fù)載總是存在一定的分布電感，而使io不能突變，只能逐步下降，在t2時(shí)刻降為零，之后io才反向并增大；在t3時(shí)刻，閉合S1和S4，斷開(kāi)S2和S3，uo立刻變?yōu)檎琲o逐漸上升。如此循環(huán)工作，就可以將直流電逆變?yōu)榻涣麟姟?/p>

2.單相橋式逆變電路

采用移相方式調(diào)節(jié)輸出電壓的單相橋式逆變電路如圖1-31所示。其中，VT1、VT2、VT3、VT4采用IGBT開(kāi)關(guān)管；VD1、VD2、VD3、VD4為續(xù)流二極管，起到使io連續(xù)的作用；L起到消除一些諧波、使輸出電壓正弦化的作用。IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是絕緣柵雙極型晶體管，其開(kāi)關(guān)作用是通過(guò)加正向柵極電壓，使IGBT 導(dǎo)通；反之，加反向柵極電壓使IGBT關(guān)斷。各柵極信號(hào)（uo1、uo2、uo3、uo4）均為180°正偏、180°反偏，且VT1和VT2互補(bǔ)，VT3和VT4互補(bǔ)關(guān)系保持不變。為了使換流順利進(jìn)行，VT3的基極信號(hào)只比VT1落后θ（0°<θ<180°），VT3的柵極信號(hào)分別比VT2前移180°－θ，uo成為正負(fù)各為θ寬度的脈沖，改變?chǔ)燃纯烧{(diào)節(jié)輸出電壓有效值。

負(fù)載工作對(duì)基波電流接近串聯(lián)諧振狀態(tài)，對(duì)基波阻抗很大，對(duì)諧波阻抗很小，輸出電壓為

其中，基波電壓uo1、基波電壓的幅值Uo1m、基波電壓的有效值Uo1分別表示為

由此可見(jiàn)，控制開(kāi)關(guān)信號(hào)的頻率f決定輸出交流電的頻率，改變直流電源電壓Ud可以改變基波幅值和有效值，從而實(shí)現(xiàn)逆變的目的。

1.4.3 逆變電源應(yīng)用實(shí)例

1.一種家用逆變電源

如圖1-32所示為一種性能優(yōu)良的家用逆變電源。其輸出功率為150W，輸出電壓為AC 220V，工作頻率為300Hz左右，可以在停電時(shí)給家庭照明、電子鎮(zhèn)流器的日光燈等家用電器供電。電容器 C2、C3用滌綸電容，三極管VT1～VT5用9013；VT6、VT7用場(chǎng)效應(yīng)管IRF150。安裝時(shí)要注意下列事項(xiàng)：VT6、VT7在焊接必須使用接地良好的電烙鐵或切斷電源后再焊接；大電流要用直徑2.5mm2以上的粗導(dǎo)線連接，并且連線盡量短；電瓶電壓為DC 12V、容量12A·h以上；功率管要加適當(dāng)?shù)纳崞纾?00mm×100mm×3mm鋁板散熱。如果要增加功率，增加同型號(hào)的功率管并聯(lián)使用，要相應(yīng)地增加變壓器的功率。

由VT5、VZ、R10組成恒流源，提供穩(wěn)定電流向振蕩電路供電。R1和VD1組成電源指示電路。由VT2、R3、R5、C2、VT3、R6、R7、C3構(gòu)成集基耦合多諧振蕩器，接通電源后，VT2和VT3自動(dòng)交替飽和導(dǎo)通或截止，在它們的發(fā)射極獲得矩形波輸出。多諧振蕩器產(chǎn)生的矩形脈沖經(jīng)過(guò)VT1、VT4放大后，分別去控制功率場(chǎng)效應(yīng)管VT6和VT7。VT6和VT7工作在交替導(dǎo)通狀態(tài)，將直流電逆變?yōu)榻涣麟姟?/p>

2.用SG3524構(gòu)成逆變電源

目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的PWM型集成控制器已達(dá)上百種，其中以SG3524較為流行，它是美國(guó)硅通用公司（Silicon General）生產(chǎn)的雙端輸出式脈寬調(diào)制芯片。SG3524內(nèi)部集成了精密基準(zhǔn)電源、誤差放大器、可調(diào)振蕩器、脈沖同步觸發(fā)器、輸出晶體管、高增益比較器、限流檢測(cè)放大器以及關(guān)斷電路。SG3524的工作電源電壓范圍為8～35V，采用DIP-16型封裝，引腳排列如圖1-33所示，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1-34所示。

SG3524的第腳為外加電源輸入端，它向集成塊內(nèi)部的斜波發(fā)生器、PWM比較器、T型觸發(fā)器等供電，并通過(guò)第腳向外部提供＋5V基準(zhǔn)電壓；振蕩器先產(chǎn)生0.6～3.5V連續(xù)不對(duì)稱(chēng)鋸齒波電壓uj，再變換成矩形波電壓，送至觸發(fā)器、或非門(mén)，并由③腳輸出。振蕩頻率由SG3524的第⑥、⑦腳外接電阻器RT和外接電容器CT決定，其值為f=1.15/RTCT。考慮到對(duì)CT的充電電流為（1.2～3.6）V/RT，一般為12μA～2mA，因此RT的取值范圍為1.8～100k，CT為0.001～0.1μF，其最高振蕩頻率為300kHz。

由SG3524芯片組成的逆變電路如圖1-35所示。它采用了推挽式電路，變壓器初級(jí)線包中心抽頭接蓄電池正極，蓄電池負(fù)極接地，初級(jí)線包兩端連接的開(kāi)關(guān)管工作在交替導(dǎo)通狀態(tài)。該逆變電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要特制變壓器，輸出電壓為方波，驅(qū)動(dòng)功率管完成直流電到交流電的逆變。兩只場(chǎng)效應(yīng)管的選擇根據(jù)需要的輸出功率決定，型號(hào)要一致，若雙管的輸出功率達(dá)不到要求還可多只并聯(lián)使用。變壓器一般用220V/2×12V工頻變壓器即可，功率也是根據(jù)實(shí)際需要決定。場(chǎng)效應(yīng)管IRF1010的主要參數(shù)為：漏源電壓VDSS=55V，開(kāi)啟電壓VGS=2～4V，通態(tài)電阻RDS=0.014Ω，標(biāo)稱(chēng)電流ID=75A，標(biāo)稱(chēng)功率PD=150W。圖1-35中，20kΩ電位器用于調(diào)節(jié)脈寬，進(jìn)而改變輸出電壓大小，可用于AC 220V /800W負(fù)載供電。