逆變器的逆變原理和NMOS選型

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。