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[導讀]開關(guān)電源真的很有趣,在開關(guān)管、二極管、電感、電容、電阻的配合下,就把一種電源變?yōu)榱硪环N電源,滿足各種電器設(shè)備的使用。

開關(guān)電源真的很有趣,在開關(guān)管、二極管、電感、電容、電阻的配合下,就把一種電源變?yōu)榱硪环N電源,滿足各種電器設(shè)備的使用。

開關(guān)電源的種類有很多,主要分三類DC-DC(直流電源轉(zhuǎn)化為直流電源)、AC-DC(交流電源轉(zhuǎn)化為直流電源)、DC-AC(直流電源轉(zhuǎn)化為交流電源),這只是開關(guān)電源的幾種類型,在每種類型下,又各自有很多種電路,比如DC-DC類,它又分為boost電路(升壓電路)、buck電路(降壓電路)、flyback電路(buck類)、cuk電路、buck-boost電路等,各種電路都有各自的特性和作用。

今天我們展示的內(nèi)容是開關(guān)電源中的DC-AC類,也就是我們常說的逆變器,逆變器的作用即使把直流電變?yōu)樾枰慕涣麟姟Uf到這里,有人會問我,逆變器的運用場景有什么呢?

逆變器的重要運用之一就是可以用來給交流電機調(diào)速,只要改變電機的勵磁線圈中的勵磁電流的頻率,那么電機中的磁場頻率旋轉(zhuǎn)頻率也在變,磁場頻率在變,那么電機的轉(zhuǎn)速就會改變。

逆變器的另一個重要的運用是工業(yè)冶煉爐,冶煉爐的爐體通過帶高頻電流的線圈作用進行升溫(渦流效應(yīng)),進而對爐內(nèi)的礦物進行冶煉。

除此之外,逆變器還運用在新能源設(shè)備的發(fā)電上,新能源包括太陽能發(fā)電、風力發(fā)電、地熱發(fā)電、海浪發(fā)電等,這些設(shè)備的都是把自然界的其他形式的能量轉(zhuǎn)化為電能,這個電能除了自己的用電設(shè)備使用外,還可以把電賣給電網(wǎng),嘿嘿,是不是發(fā)現(xiàn)了一個賺錢之道!但是你賣電之前要做的事就是要把你發(fā)的電調(diào)制成電網(wǎng)要求的形式,比方說330KV/50HZ,如果你不按要求調(diào)制的話,那么你發(fā)的電就賣不出去了,至于賣不出去的原因大家可以百度下,這里不是我介紹的重點,你只需要知道,你發(fā)的電質(zhì)量太差,頻率和幅值都是不穩(wěn)定的,直接輸送電網(wǎng)會對電網(wǎng)和電網(wǎng)上的設(shè)備造成危害。在調(diào)制過程中就使用到逆變器,他把各式各樣的發(fā)電設(shè)備發(fā)出來并轉(zhuǎn)化成直流電進行頻率調(diào)制,頻率調(diào)制好后的交流電在通過電力變壓器進行升壓,最終就實現(xiàn)了新能源設(shè)備發(fā)的電傳輸?shù)诫娋W(wǎng)。

逆變器真的很好玩,直接把直流電轉(zhuǎn)化為交流電。

逆變器的整個工作原理是什么樣的呢?

今天的講解我這里就只用單相逆變器進行闡述了,因為我的電腦太卡了,只能仿真簡單的,復雜的運行不起來,大家諒解下。

單相逆變器的原理就是一個H橋,該電路由四部分組成,15V直流源、4個開關(guān)管(M1、M2、M3、M4,M1和M4是PMOS管,M2和M3是NMOS管)、電感L1、開關(guān)管控制電源(PWM1、PWM2,PWM1和PWM2的控制邏輯相反)


逆變器的整個工作原理是什么樣的呢?

實驗電路

H橋的原理就是四個開關(guān)管在同一個時刻,只有對角上的兩個管子導通,另一個對角上的兩個管子處于關(guān)斷,下一個時刻兩個對角的管子的開通和關(guān)斷的邏輯相反,比如說,t=0s時,M1和M3處于開通狀態(tài),M2和M4處于關(guān)斷狀態(tài);t=0.5s時,M2和M4處于開通狀態(tài),M1和M3處于關(guān)斷狀態(tài)。根據(jù)上面的講解,那么我們就知道,控制M1和M3的控制信號的邏輯要一致,控制M2和M4的控制信號的邏輯要一致,并且控制M1和M3的信號的邏輯與控制M2和M4的信號的邏輯要相反。

如果4個開關(guān)管都是NMOS的情況,我們直接按照上面的講解的邏輯直接驅(qū)動開關(guān)管,但不幸的是,我們搭建的H橋使用的M1和M4是PMOS,而不是NMOS。如果我們使用了NMOS,會存在一個問題,M1和M4的地會隨著電感兩端的電壓變化而變化,該地是浮動地,因此要正常驅(qū)動M1和M4就要使用一個帶有浮動地的電源,也不是不可以搭建,但是想想自己電腦的配置,瞬間沒了動力,因此這里就使用PMOS了,使用PMOS就不用單獨搭建一個浮動地電源。

PMOS開通要求門極(G)電壓比漏極(D)電壓低10V即可,PMOS關(guān)斷要求門極(G)電壓和漏極(D)電壓一致即可;NMOS開通要求門極(G)電壓比漏極(D)電壓高10V即可,NMOS關(guān)斷要求門極(G)電壓等于漏極(D)電壓即可??吹竭@里我猜有人會問,為什么是10V呢?因為一般大功率的MOS管(不分PMOS還是NMOS)的開通電壓一般為兩倍的閾值電壓即可,而一般的大功率的開關(guān)管的閾值電壓的絕對值大概就是5V左右,因此這里選擇10V。

因此直接綜上,我們加入兩個PMOS后的控制邏輯如下:M1和M2一致,M3和M4一致,M1和M2與M3和M4控制邏輯相反。

至于控制的信號產(chǎn)生,我們這里使用一個三角波和一個正弦波進行比較輸出控制信號PWM,正弦波是我們逆變輸出的參考波形,這個參考波形頻率是10HZ,那么也就決定了我們逆變輸出的正弦波的頻率也是10HZ,


逆變器的整個工作原理是什么樣的呢?

參考正弦波


逆變器的整個工作原理是什么樣的呢?

三角波


逆變器的整個工作原理是什么樣的呢?

比較輸出控制波形PWM_1


逆變器的整個工作原理是什么樣的呢?

比較輸出控制波形PWM_1展開細節(jié)


逆變器的整個工作原理是什么樣的呢?

PWM_1輸出波形的整個過程中的波形展示


逆變器的整個工作原理是什么樣的呢?

控制波PWM_1和PWM_2的波形展示


逆變器的整個工作原理是什么樣的呢?

控制波PWM_1和PWM_2的波形細節(jié)展示


逆變器的整個工作原理是什么樣的呢?

逆變輸出正弦波展示


逆變器的整個工作原理是什么樣的呢?

逆變輸出正弦波細節(jié)展示

我們可以從上面的仿真輸出結(jié)果看出,輸出的正弦波的幅值為200多安培,注意逆變器輸出的是電流型的正弦波,不是我們正常說的電壓正弦波!逆變的過程就是利用了電感的電流不能突變的原理,根據(jù)我們高中的知識,電感兩端的電壓和電流滿足要求:

UL=L*di/dt

兩邊同時對時間進行積分得:IL=Ut/L

電感兩端的電壓是常量,也就是我們的直流電源15V,UL=15V(忽略開關(guān)管的壓降),t是每次開關(guān)管的開通的時間,這個時間是變化的,從上面的PWM波就可以看出來,L就是我們的電感0.3mH,根據(jù)上面的公式就可以計算出每一次開關(guān)后電感上面的電流變化的大小,電流變化的情況可以從最后一幅圖中看出,逆變輸出的波形上面的鋸齒狀的變化就是每次開關(guān)管造成的電感的電流的變化,電感越小電流變化的越明顯,我們把電感從0.5mH變?yōu)?.05mH的輸出波形如下,明顯看出電感的電流變化更大了,也可以說輸出的正弦波的紋波更大了。


逆變器的整個工作原理是什么樣的呢?

0.05mH的輸出波形

從上面的演示結(jié)果來看,逆變的原理是不是更清晰了。

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