FCD----逆變器的逆變原理
引言:逆變器,inverter,即將直流電DC轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為交流電AC的裝置,小功率輸出的可以由集成方案解決,功率稍大的都是采用分立方案,本節(jié)主要簡述分立式逆變器的逆變原理,集成式同理。
1.逆變原理
如圖5-1所示是逆變器的核心拓撲結(jié)構(gòu)--->全橋逆變,由四個同規(guī)格NMOS(驅(qū)動更簡易)組成。直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓,我們知道,電流的流向可以決定電壓的方向,那么首先就需要以一定的頻率不斷改變電流流向,自然就會生成方向也不斷改變的電壓,這時交流電就產(chǎn)生了。
圖5-1:全橋逆變拓撲
2.逆變過程
如圖5-2為Q1、Q4導(dǎo)通,Q2、Q3關(guān)斷時的電流流向,對于中間Rload來說,設(shè)定此時的電流為正向電流。
圖5-2:全橋逆變器正向工作電流流向
如圖5-3為Q2、Q3導(dǎo)通,Q1、Q4關(guān)斷時的電流流向,對于中間Rload來說,設(shè)定此時的電流為反向電流。
圖5-3:全橋逆變器反向工作電流流向
在如圖5-2和圖5-3所示的不停的開關(guān)切換中,直流電就變成了交流電,但卻是方波交流電,如圖5-4所示。紅色矩形電壓波為正向電流方向時產(chǎn)生,藍色矩形電壓波為反向電流方向時產(chǎn)生,方波交流無法直接用來驅(qū)動負載,因為電壓一直突變,會影響負載的壽命,所以需要將方波交流電轉(zhuǎn)換成正弦交流電,即將紅藍矩形波形轉(zhuǎn)換成綠色正弦波形。
圖5-4:全橋逆變器工作電壓波形
矩形波變成正弦波,這就需要在半個正弦周期內(nèi)增加開關(guān)頻次,即矩形波的數(shù)量,圖5-1中一個正弦波周期只有兩次開關(guān)切換,實際上一個正弦波周期里面有許多次開關(guān)切換,如圖5-5所示,以半個正弦波周期為例,此時均為正向電流,電壓方向不變,Q2、Q3保持關(guān)斷,Q1、Q4間歇導(dǎo)通與關(guān)斷,導(dǎo)通與關(guān)斷的時間和次數(shù)決定半個周期內(nèi)藍色矩形波的寬度和數(shù)量,開關(guān)寬度可調(diào),平均值下來就接近正弦交流電,最后通過旁路的平滑電容Cout,將波形變得更加平滑。
圖5-5:全橋逆變器工作電壓波形
將四個開關(guān)分為兩組,Q1、Q4為一組,Q2、Q3為一組,從上面的逆變過程中我們可以得出,輸出的主體交流電頻率由兩組NMOS開關(guān)決定,以50HZ交流電為例,50HZ交流電周期T=1/f=0.02S,其中正向0.01S,負向0.01S,那么對應(yīng)到Q1、Q4和Q2、Q4上,Q1、Q4大頻率f1是50HZ(1/(導(dǎo)通0.01S+關(guān)斷0.01S)),Q2、Q3大頻率f1也是50HZ(1/(導(dǎo)通0.01S+關(guān)斷0.01S)),兩組相位差90°。以Q1、Q4一個周期為例,關(guān)斷期間一直關(guān)閉,導(dǎo)通期間為間歇導(dǎo)通,所以這里面也有一個二級頻率f2。歸納為大頻率f1決定輸出的交流電頻率,二級頻率f2決定輸出交流電的峰-峰值和矯正矩形波為標準正弦波。(開關(guān)方式降低高DC電壓的機理,傳送門:DC-DC-1:DC-DC的原理以及構(gòu)成)
圖5-6:50HZ周期示例
3.NMOS選型
搭建一個分立式逆變系統(tǒng),NMOS的選型至關(guān)重要,除了常規(guī)的VGSS、IDSS、RDSON,還需要關(guān)注其動態(tài)參數(shù),例如在電磁感應(yīng)式無線充電中,工作頻率在幾百KHZ,而共振式無線充電,工作頻率在7MHZ附近,這就為NMOS的動態(tài)特性提出了要求,包括導(dǎo)通關(guān)斷延時,較低的開關(guān)損耗,基準開關(guān)性能(極低的Rdson×Qg和Rdson×Qgd),高頻率工作狀態(tài)下良好的EMI表現(xiàn)(集成阻尼網(wǎng)絡(luò))。如圖5-7和圖5-8,可以比較一下其參數(shù),因為共振式工作頻率更高,所以其Gate charge characteristics參數(shù)更加優(yōu)秀,驅(qū)動損耗更低,驅(qū)動速度更快。
圖5-7:應(yīng)用于感應(yīng)式的NMOS:BSC0996NS
圖5-8:應(yīng)用于共振式的NMOS:BSZ0909ND
所以逆變器的MOS選型依據(jù)有如下幾點:
1.基本VDSS、IDSS、Rdson參數(shù)。
2.根據(jù)MOS工作的最大頻率(1.5×fsw)選擇QG、QGD。
3.根據(jù)MOS工作的最大頻率(1.5×fsw)評估Raise time、Fall time、Td、Toff。
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