1.2.2 电压型逆变电路

1.单相桥式逆变电路

单相桥式逆变电路如图1-3（a）所示，在图1-3（a）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。当S1、S4导通，S2、S3截止时，负载电压uo为正。当S1、S4截止，S2、S3导通时，负载电压uo为负。通过控制两组桥臂开关的导通和截止，将输入端的直流电转换为交流电。改变两组开关切换频率可改变输出交流电的频率。当阻性负载时，负载电流io和负载电压uo的波形相同，相位也相同；当感性负载时，io滞后于uo，波形也不相同，如图1-3（b）所示。

在图1-3（b）中，t1时刻前S1、S4导通，uo和io均为正，在t1时刻时S1、S4截止，S2、S3导通，uo变负，但io不能立刻反向，io而是从电源负极流出，经S2、负载和S3流回正极，负载电感能量向电源反馈，io逐渐减小，t2时刻降为零，之后io才反向并增大。

2.电压型逆变电路

电压型逆变电路如图1-4电路所示，电压型逆变电路具有以下特点。

（1）直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。

（2）输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗的不同而不同。

（3）电感性负载时需提供无功，为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。

1）单相半桥电压型逆变电路

单相半桥电压型逆变电路的功率开关元器件少，结构简单，但主电路交流输出的电压幅值仅为Ud/2，在同等容量下，其功率开关的额定电流为全桥逆变电路中的功率元器件额定电流的两倍，由于分压电容的作用，该电路还具有较强的抗电压输出不平衡能力。单相半桥电压型逆变电路结构如图1-5（a）所示，其工作原理为：VT1和VT2互补，栅极信号各半周正偏、半周反偏；uo为矩形波，幅值为Um=Ud/2，io波形随负载而异，感性负载时工作波形如图1-5（b）所示。当VT1或VT2导通时，io和 uo同方向，直流侧向负载提供能量，当VD1或VD2导通时，io和uo反向，电感中的储能向直流侧反馈，VD1、VD2称为反馈二极管，同时还使io连续，又称续流二极管。

单相半桥电压型逆变电路的优点是：电路结构简单，使用器件少；其缺点是：交流电压幅值仅为Ud / 2，直流侧需两电容器串联，要控制两电容器电压的均衡。该类型电路广泛应用于几千瓦以下的小功率逆变器，而单相全桥、三相桥式都可看成若干个半桥逆变电路的组合。

2）电压型全桥逆变电路

电压型全桥逆变电路使用了4个开关元器件，开关端电压为Ui，在相同的直流输入电压下，其最大输出电压是半桥逆变电路的两倍。这就意味着在输出相同功率的情况下，全桥逆变器输出电流和通过开关元器件的电流均为半桥逆变电路的一半，但驱动电路相对比较复杂。全桥逆变电路如图1-4所示，全桥逆变电路为两个半桥电路的组合，其中VT1和VT4为一对，而VT2和VT3为另一对，当成对的桥臂同时导通，交替各导通180°。它的uo波形同图1-5（b）半桥电路的uo，但电压幅值高出一倍，即Um=Ud，io波形和图1-5（b）中的io相同，电流幅值增加一倍。全桥逆变电路输出电压uo展开的傅里叶级数为

基波幅值为

基波有效值为

式中 Ud—直流输入电压；

uo—输出电压。

当uo正、负各180°时，要改变输出电压有效值，只能通过改变Ud来实现。

3）移相调压逆变电路

移相调压逆变电路及工作波形如图1-6所示，图中VT1和VT2互补，VT3和VT4互补。VT1和VT2的栅极信号为180°正偏，VT3和VT4的栅极信号为180°反偏。

VT3的栅极信号比VT1落后 q（0° ＜ q ＜ 180°），VT3、VT4的栅极信号分别比VT2、VT1的前移180°-q。输出电压uo正负各为q的脉冲，改变q即可调节输出电压的有效值。

4）带中心抽头变压器的逆变电路

带中心抽头变压器的逆变电路如图1-7所示。交替驱动两个开关管，经变压器耦合给负载加上矩形波交流电压。两个二极管的作用是提供无功能量的反馈通道，当Ud和负载相同，变压器匝比为1∶1∶1时，uo和io的波形及幅值与全桥逆变电路完全相同。

与全桥逆变电路相比，带中心抽头变压器的逆变电路少用一半的开关管，而器件承受的电压为2Ud，比全桥逆变电路高一倍。

3.三相电压型桥式逆变电路

1）电路结构

三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路。应用最广泛的三相桥式逆变电路，可看成由三个半桥逆变电路组成。每桥臂导电180°，同一相上、下两桥臂交替导电，各相开始导电的角度差为120°，任意瞬间有三个桥臂同时导通，每次换流都是在同一相上、下两臂之间进行，也称为纵向换流。三相电压型桥式逆变电路如图1-8所示。

2）波形分析

三相电压型桥式逆变电路的工作波形如图1-9所示。负载U相到电源中点N' 的电压为：在桥臂1导通时，；在桥臂4导通时，。负载端的线电压为

负载端的相电压为

负载中点和电源中点间的电压为

负载三相对称时有，于是有

利用式（1-5）和式（1-7）可绘出uUN、uVN和 uWN的波形，在已知负载的的情况下，可由uUN波形求出iU波形。一相上、下两桥臂间的换流过程和半桥电路相似，桥臂1、3、5的电流相加可得直流侧电流 id的波形。由于 id每60°脉动一次（直流电压基本无脉动），因此逆变器从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，这是电压型桥式逆变电路的一个特点。三相电压型桥式逆变电路输出线电压 uUV 展开成傅里叶级数为

其中，n=6k ± 1，k为自然数。

负载相电压有效值为

基波幅值为

基波有效值为

负载相电压uUN展开成傅里叶级数为

其中，n=6k ± 1，k为自然数。

负载相电压有效值为

基波幅值为

基波有效值为

为了防止同一相上下两桥臂开关管直通，采取了“先断后通”的控制方法。