AC-DC交流電變直流電

一種將交流（AC）輸入轉(zhuǎn)換為直流（DC）輸出的電路。

1.交流電：Alternating Current（交流）的首字母縮寫。

AC：是大小和極性（方向）隨時(shí)間呈周期性變化的電流。電流極性在1秒內(nèi)的變化次數(shù)被稱為頻率，以Hz為單位表示。

2. Direct Current（直流）的首字母縮寫。

直流電：恒定電流是直流電的一種，是大小和方向都不變的直流電。交流電，英文Alternating Current，簡(jiǎn)稱AC，是指電流方向隨時(shí)間作周期性變化的為交流電，在一個(gè)周期內(nèi)的運(yùn)行平均值為零。動(dòng)極性（方向）和大小皆不隨時(shí)間變化的電流通常被稱為DC。

②流動(dòng)極性不隨時(shí)間變化，但大小隨時(shí)間變化的電流也是DC，

通常被稱為紋波電流 （Ripple current）。

3. ACDC的低頻的電源變換方案

AC/DC電源就是輸入為交流，輸出為直流的電源變換器。例如我們常用的手機(jī)充電器、筆記本、平板電腦的電源適配器都是這種電源。在這個(gè)電源變換器內(nèi)部包含有降壓電路、整流濾波電路、和穩(wěn)壓電路。

低頻的電源變換方案

常見的高壓AC－低壓DC電源適配器 4. AC-DC 轉(zhuǎn)換器類型

分為：降壓和降壓-升壓轉(zhuǎn)換器；反激式轉(zhuǎn)換器 ；正向轉(zhuǎn)換器 ；LLC諧振轉(zhuǎn)換器；PFC 轉(zhuǎn)換器；單相輸入 PFC 轉(zhuǎn)換器 ；三相輸入 PS ZVS FB 轉(zhuǎn)換器 等

5. AC/DC線性電源與開關(guān)電源

i. AC/DC線性電源

AC/DC線性電源設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。AC/DC線性電源通過變壓器將交流電（AC）輸入電壓降低到更適合預(yù)期應(yīng)用的值；然后，對(duì)降低的交流（AC）電壓進(jìn)行整流變?yōu)橹绷鳎―C）電壓；最后對(duì)其進(jìn)行濾波以進(jìn)一步改善波形質(zhì)量（如下AC/DC線性電源功能框圖）。

AC/DC線性電源功能框圖

傳統(tǒng)的AC / DC線性電源在效率、功率范圍和尺寸方面限制了集成度。由于AC/DC線性電源的輸入電壓是在輸入端進(jìn)行轉(zhuǎn)換的，因此需要的變壓器體積大和重。在低頻（例如50Hz）下，需要較大的電感將大量功率從初級(jí)線圈傳輸?shù)酱渭?jí)線圈，需要很大的變壓器鐵芯。AC / DC線性電源的另一個(gè)限制是大功率的電壓調(diào)節(jié)。AC / DC線性電源使用線性穩(wěn)壓器來保持輸出端的電壓恒定。這些線性穩(wěn)壓器以熱量的形式耗散多余的能量。對(duì)大功率而言，穩(wěn)壓器為了維持恒定的輸出電壓需要耗散的熱量高，需要龐大的散熱裝置。

ii. AC/DC開關(guān)電源

AC / DC開關(guān)電源能夠創(chuàng)建效率更高的電源變換器，而無需消耗額外的功率。在開關(guān)交流電源中，在輸入端就對(duì)其進(jìn)行整流和濾波，直流電壓通過斬波器，由斬波器將電壓轉(zhuǎn)換為高頻脈沖序列。最后通過另一個(gè)整流器和濾波器將脈沖序列轉(zhuǎn)換回直流（DC）電壓，并清除到達(dá)輸出之前可能存在的任何剩余交流分量（開關(guān)模式AC/DC電源功能框圖）。

在高頻下運(yùn)行時(shí)，變壓器電感能夠傳輸更多的功率而不會(huì)達(dá)到飽和，這意味著鐵芯可以越來越小。因此，AC / DC開關(guān)電源中用于將電壓幅度減小到預(yù)期值的變壓器尺寸，可以僅為AC / DC線性電源所需變壓器尺寸的一小部分。

開關(guān)模式AC/DC電源功能框圖

AC / DC開關(guān)電源變換器會(huì)在系統(tǒng)中產(chǎn)生大量噪聲，需要復(fù)雜的控制電路，增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。AC / DC開關(guān)電源中更小的變壓器和不斷提高的穩(wěn)壓器效率。AC / DC線性電源和開關(guān)電源之間的區(qū)別如下：

線性電源與開關(guān)電源的比較

DCDC

DC到DC電源變換：輸入為DC直流，輸出為DC直流的電源變換器。

DC/DC轉(zhuǎn)換器是指將直流轉(zhuǎn)換為直流的裝置的名稱。它常被稱為線性穩(wěn)壓器或開關(guān)穩(wěn)壓器等，以轉(zhuǎn)換方式的名稱命名。

1. DCDC拓?fù)漕愋头郑?/p>

降壓開關(guān)型轉(zhuǎn)換器：輸出電壓低于輸入。

升壓開關(guān)型轉(zhuǎn)換器：輸出電壓高于輸入電壓。

降壓-升壓開關(guān)型轉(zhuǎn)換器：輸出電壓可以高于或低于輸入電壓。降壓-升壓型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器通常用于電池供電設(shè)備。

2.從變換類型上分：

i.開關(guān)DCDC轉(zhuǎn)換器

開關(guān)穩(wěn)壓器，英文（regulatior），有人叫它調(diào)節(jié)器、穩(wěn)壓源。實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，就是需要控制系統(tǒng)（負(fù)反饋），從自動(dòng)控制理論中知，當(dāng)電壓上升的時(shí)候通過負(fù)反饋把它降低，當(dāng)電壓下降的時(shí)候就把它升上去，這樣形成了一個(gè)控制的環(huán)路。如圖中的方框圖是PWM（脈寬控制方式），當(dāng)然還有其他如：PFM（頻率控制方式）、移相控制方式等。

占空比：開通的時(shí)間Ton 與開關(guān)周期T 的比值，ton（開通時(shí)間） + toff（關(guān)斷時(shí)間） = T（開關(guān)周期），占空比D=ton / T。但是，我們不能采用一個(gè)脈沖輸出！需要一種實(shí)現(xiàn)能量流動(dòng)平穩(wěn)化的方法。通過很多的脈沖，高頻地切換，將在開關(guān)接通期間存儲(chǔ)能量而在開關(guān)切斷時(shí)提供此能量的手段，從而實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的電壓。

特點(diǎn)如下：

① 能夠提升電壓（升壓）

② 以及使電壓減低（降壓）甚至反相

③ 具有較高的效率和功率密度 ii.線性DCDC轉(zhuǎn)換器

最基本的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器是線性電壓轉(zhuǎn)換器。它們通過將多余的功率耗散到電阻器中來實(shí)現(xiàn) DC-DC 電壓轉(zhuǎn)換，使它們成為電阻分壓器。顯然，這對(duì)于電源轉(zhuǎn)換效率來說并不是很理想。它們的工作原理的另一個(gè)含義是它們只能將某個(gè)輸入電壓轉(zhuǎn)換為具有相同極性的較低輸出電壓。換句話說，它們的電壓轉(zhuǎn)換比的值總是在零和一之間。線性電壓轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)施起來相當(dāng)簡(jiǎn)單。此外，它們通常不需要大型且占用空間的電感器或電容器，這使它們成為單片集成的有吸引力的選擇。

優(yōu)點(diǎn)：

設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單

元件數(shù)量少

噪聲小

高速瞬態(tài)響應(yīng)

價(jià)格低

缺點(diǎn)：

輸入輸出壓差大效率差

低效率發(fā)熱大

有時(shí)需要散熱

只能降壓 3.線性穩(wěn)壓：

固定輸出線性穩(wěn)壓器件 －傳統(tǒng)芯片 正電壓輸出的78xx，以及負(fù)電壓輸出的79xx

可調(diào)輸出線性穩(wěn)壓器件 －傳統(tǒng)芯片 LM317

線性穩(wěn)壓的性能特性舉例：

4. LDO：即low dropout regulator，是一種低壓差線性穩(wěn)壓器。這是相對(duì)于傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器來說的。

LDO 是一種線性穩(wěn)壓器的。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器，如78XX系列的芯片都要求輸入電壓要比輸出電壓至少高出2V~3V，否則就不能正常工作，低壓降（LDO）線性穩(wěn)壓器的成本低，噪音低，靜態(tài)電流小，這些是它的突出優(yōu)點(diǎn)。它需要的外接元件也很少，通常只需要一兩個(gè)旁路電容。新的LDO線性穩(wěn)壓器可達(dá)到以下指標(biāo)：輸出噪聲30μV，PSRR為60dB，靜態(tài)電流6μA（TI的TPS78001達(dá)到Iq=0.5uA），電壓降只有100mV（TI量產(chǎn)了號(hào)稱0.1mV的LDO）。

常用LDO器件 － AMS1117

5.開關(guān)穩(wěn)壓器：

傳輸器件開關(guān)（場(chǎng)效應(yīng)管），在每個(gè)周期完全接通和完全切斷的狀態(tài)；

l 里面至少包括一個(gè)電能儲(chǔ)能的元件，如：電感器或者電容器；

l 多種拓?fù)洌ń祲骸⑸龎骸⒔祲?升壓等） 。

傳統(tǒng)的LM2576系列是降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓器代表。

開關(guān)穩(wěn)壓器的電感量和電容量，都和頻率相關(guān)，頻率越低，需要的儲(chǔ)能量也就越大，才有大的電流輸出，電感量和輸出的功率有很大關(guān)系

6.電荷泵，也稱為開關(guān)電容式電壓變換器，是一種利用所謂的“快速”（flying）或“泵送”電容（而非電感或變壓器）來儲(chǔ)能的DC-DC（變換器）。

電荷泵電路能夠在不需要電感參與的情況下實(shí)現(xiàn)高效的能量傳輸。尤其在火熱的手機(jī)快充應(yīng)用中，降壓式電荷泵能夠?qū)崿F(xiàn)接近98%的轉(zhuǎn)換效率。

在過去的十年里，電荷泵得到了廣泛運(yùn)用，從未調(diào)整單輸出IC到帶多輸出電壓的調(diào)整IC。輸出功率和效率也得到了發(fā)展，因此現(xiàn)在的電荷泵可以輸出高達(dá)250mA的電流，效率達(dá)到75%（平均值）。電荷泵大多應(yīng)用在需要電池的系統(tǒng)，如蜂窩式電話、尋呼機(jī)、藍(lán)牙系統(tǒng)和便攜式電子設(shè)備。

主要應(yīng)用包括驅(qū)動(dòng)用于手機(jī)背光的白光LED和毫瓦范圍的數(shù)字處理器。

7.常用器件 － MC34063

MC34063是一款集Boost變換器、BUCK變換器、電源反向器于一身的電源芯片。MC34063可用極少的開關(guān)元器件，構(gòu)成升壓變換開關(guān)、降壓變換開關(guān)和電壓反向電路，這種開關(guān)電源相對(duì)線性穩(wěn)壓電源來說，效率較高，而且當(dāng)輸入輸出電壓降很大時(shí)，效率不會(huì)降低，電源也不需要大的散熱器，體積較小，使得其應(yīng)用范圍非常廣泛，主要應(yīng)用于以微處理器或單片機(jī)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)里。

MC34063主要封裝有DIP-8以及SOP-8兩種。

DC-DC 開關(guān)轉(zhuǎn)換器用于在本地為系統(tǒng)的任何組件或部分提供所需的直流電壓和電流。根據(jù)應(yīng)用在輸入和輸出電壓之間的關(guān)系，工程師必須選擇最佳的電源拓?fù)洹祲骸⑸龎骸⒔祲?升壓或反相，帶或不帶同步整流。或者，他們可以決定使用基于單片 IC 或帶有分立電源開關(guān)和控制器的實(shí)施方案——甚至是高級(jí)數(shù)字實(shí)施方案。無論他們選擇什么，正確的半導(dǎo)體產(chǎn)品都是滿足其特定效率和尺寸設(shè)計(jì)目標(biāo)的關(guān)鍵。

8. DCDC方案選擇舉例：

方案說明：

3.3V@100mA@數(shù)字，可以直接從USB的輸入電壓通過一個(gè)LDO（典型壓降為1.2V）得到，一般USB端口通過USB線到達(dá)電路板會(huì)有一定的壓降，壓降值取決于USB線的粗細(xì)、長(zhǎng)短、材料（決定了阻抗）以及負(fù)載電路板所需要的電流，在本設(shè)計(jì)中我們假設(shè)USB線最大的壓降為0.5V，也就是在電源板的輸入端能夠保證4.5V－5V之間的直流供電。考慮到系統(tǒng)成本，在此設(shè)計(jì)中我們采用了最常用的、價(jià)格便宜而外圍電路非常簡(jiǎn)單的1117-3.3V LDO穩(wěn)壓器來產(chǎn)生3.3V@100mA的電壓，此路的最大功耗為0.33W，效率為3.3/4.5（73%） ～ 3.3／5（66%）。如果需要電流更大，可以考慮采用轉(zhuǎn)換效率超過75%以上的開關(guān)穩(wěn)壓器件產(chǎn)生3.3V，當(dāng)然這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的成本略微增加

1.2V@500mA@數(shù)字，必須用開關(guān)穩(wěn)壓的方式來產(chǎn)生，在此我們選擇了一款性價(jià)比很高的由Microchip公司提供的開關(guān)穩(wěn)壓器件MCP1603，能夠滿足系統(tǒng)的要求

＋5V@100mA@模擬，先通過MC34063將輸入范圍在4.5V－5V之間的直流電壓調(diào)整到＋6.5V（有開關(guān)噪聲），再通過最低壓降為1.2V的LDO 1117-5產(chǎn)生＋5V的、干凈的直流電壓

－5V@100mA@模擬，先通過MC34063將輸入范圍在4.5V－5V之間的直流電壓調(diào)整到－7.5V（有開關(guān)噪聲），再通過最低壓降為2.5V的線性穩(wěn)壓器79L05產(chǎn)生－5V的，干凈的直流電壓

＋／－5V的產(chǎn)生可以有多種方案，在此處采用兩顆MC34063并產(chǎn)生不同的輸出電壓，主要是為了讓大家對(duì)比體會(huì)79L05和1117-5之間的差別，也就是常規(guī)的線性穩(wěn)壓器和LDO之間的差異。

DC-AC直流變交流

DC-AC轉(zhuǎn)換器是指將交流電轉(zhuǎn)換成直流電的一種電源設(shè)備，簡(jiǎn)單說是開關(guān)電源，

直流電（DC）轉(zhuǎn)化為交流電（AC）的裝置稱為逆變器。它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成。

逆變器就是一種將低壓（12或24伏或48伏）直流電轉(zhuǎn)變?yōu)?20伏交流電的電子設(shè)備。因?yàn)橥ǔＪ菍?20伏交流電整流變成直流電來使用，而逆變器的作用與此相反，因此而得名。處在一個(gè)“移動(dòng)”的時(shí)代，移動(dòng)辦公，移動(dòng)通訊，移動(dòng)休閑和娛樂。在移動(dòng)的狀態(tài)中，不但需要由電池或電瓶供給的低壓直流電，同時(shí)更需要在日常環(huán)境中不可或缺的220伏交流電，逆變器就可以滿足需求。

逆變器是把直流電能（電池、蓄電瓶）轉(zhuǎn)變成定頻定壓或調(diào)頻調(diào)壓交流電（一般為220V，50Hz正弦波）的轉(zhuǎn)換器。它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成。采用PWM原理，MOS管工作產(chǎn)生變化波形后通過變壓器變換電壓，再整流輸出。交流電轉(zhuǎn)換成直流電被稱為整流，直流電轉(zhuǎn)換成交流電被稱為逆變。

廣泛適用于空調(diào)、家庭影院、電動(dòng)砂輪、電動(dòng)工具、縫紉機(jī)、DVD、VCD、電腦、電視、洗衣機(jī)、抽油煙機(jī)、冰箱，錄像機(jī)、按摩器、風(fēng)扇、照明等。在國(guó)外因汽車的普及率較高外出工作或外出旅游即可用逆變器連接蓄電池帶動(dòng)電器及各種工具工作。通過點(diǎn)煙器輸出的車載逆變是20W 、 40W、 80W、 120W到150W 功率規(guī)格。

逆變電源常用的方法為：通過SPWM方式調(diào)制出正弦波波形，然后通過一個(gè)H橋切換輸出電壓極性，要求H橋的切換和SPWM電路同步。在技術(shù)上較為復(fù)雜，但是效率高，市場(chǎng)上不少逆變器都采用這種方式。

SPWM：正弦脈寬調(diào)制正弦PWM的信號(hào)波為正弦波， 就是正弦波等效成一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形（與我們課件上畫的一致） ， 這個(gè)由n個(gè)等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦波的半周波形等效， 稱為SPWM波形。

單極性脈寬調(diào)制波的形成

SPWM是以正弦波作為基準(zhǔn)波（調(diào)制波），用一列等幅的三角波（載波）與基準(zhǔn)正弦波相比較產(chǎn)生PWM波的控制方式。當(dāng)基準(zhǔn)正弦波高于三角波時(shí)，使相應(yīng)的開關(guān)器件導(dǎo)通;當(dāng)基準(zhǔn)正弦波低于三角波時(shí)，使相應(yīng)的開關(guān)器件截止。由此，逆變器的輸出電壓波形為脈沖列，其特點(diǎn)是：半個(gè)周期中各脈沖等距等幅不等寬，總是中間寬，兩邊窄，各脈沖面積與該區(qū)間正弦波下的面積成比例。這種脈沖波經(jīng)過低通濾波后可得到與調(diào)制波同頻率的正弦波，正弦波幅值和頻率由調(diào)制波的幅值和頻率決定。

逆變電路的工作還可以細(xì)化為：先把振蕩電路將直流電轉(zhuǎn)換為交流電；其次，線圈升壓將不規(guī)則交流電變?yōu)榉讲ń涣麟姡蛔詈螅魇沟媒涣麟娊?jīng)由方波變?yōu)檎也ń涣麟姟?/p>

工作原理如下圖：

逆變器的分類：

半橋式逆變器架構(gòu)

UPS是一種含有儲(chǔ)能裝置，以逆變器為主要元件，穩(wěn)壓、穩(wěn)頻輸出的電源保護(hù)設(shè)備。當(dāng)市電正常輸入時(shí)，UPS就將市電穩(wěn)壓后供給負(fù)載使用。同時(shí)對(duì)機(jī)內(nèi)電池充電，把能量?jī)?chǔ)存在電池中，當(dāng)市電中斷（各種原因停電）或輸入故障時(shí)，UPS即將機(jī)內(nèi)電池的能量轉(zhuǎn)換為220V交流電繼續(xù)供負(fù)載使用，使負(fù)載維持正常工作并保護(hù)負(fù)載軟、硬件不受損壞。

全橋逆變架構(gòu)如下：

工作效率：

逆變器在工作時(shí)其本身也要消耗一部分電力，它的輸入功率要大于它的輸出功率。逆變器的效率即是逆變器輸出功率與輸入功率之比，即逆變器效率為輸出功率比上輸入功率。如一臺(tái)逆變器輸入了100瓦的直流電，輸出了90瓦的交流電，那么，它的效率就是90%。

逆變器的主要特點(diǎn)

轉(zhuǎn)換效率高、啟動(dòng)快；

安全性能好：產(chǎn)品具備短路、過載、過/欠電壓、超溫5種保護(hù)功能；

物理性能良好：產(chǎn)品采用全鋁質(zhì)外殼，散熱性能好，表面硬氧化處理，耐摩擦性能好，并可抗一定外力的擠壓或碰擊；

帶負(fù)載適應(yīng)性與穩(wěn)定性強(qiáng)

AC-DC大小和頻率的變化

變頻電源是將市電經(jīng)過ACC—DC—AC的轉(zhuǎn)換，輸出的為純正弦波，在一定范圍內(nèi)可調(diào)。具有體積小噪音低操作簡(jiǎn)單過載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

變頻電源是通過應(yīng)用電力電子技術(shù)，改變電機(jī)工作電源頻率，以控制電機(jī)不同轉(zhuǎn)速的電力控制設(shè)備。變頻器主要有整流電路、緩沖電路、濾波電路、逆變電路等組成。如下圖。

整流電路：主要由整流橋組成；將交流電（市電）經(jīng)過全橋整流后成直流電。對(duì)于三相380V的交流電，經(jīng)整流后，直流電壓理論值為380X1.414≈537V；而單相220V的交流電，經(jīng)整流后，直流電壓理論值為220X1.414≈310V。

緩沖電路：抑制在上電瞬間的沖擊電流。由電解電容的工作原理可知，變頻器在上電瞬間，電容的兩端電壓不會(huì)突變，而電容兩端的電流會(huì)突變，此時(shí)電容兩端相當(dāng)于短路。若沒有緩沖電路（充電電阻），整流橋會(huì)因?yàn)殡娏鬟^大而損壞。緩沖電路起到了保護(hù)整流橋的作用。

濾波電路：一般電解電容的耐壓值為400V；而三相380V的交流電，經(jīng)整流后，直流電壓理論值約為537V。因此濾波電容器，只能由兩級(jí)電解電容串聯(lián)而成。由于電解電容的容量不可能絕對(duì)相同，串聯(lián)之后兩級(jí)電解電容上的電壓分配是不均衡的，會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)電解電容的使用壽命不一樣。為了解決電壓不均衡的問題，需在兩個(gè)電解電容兩端分別并聯(lián)阻值相同的均壓電阻。

逆變電路：將直流電（直流母線）轉(zhuǎn)換成交流電的電力電子電路。在逆變橋里的多個(gè)IGBT組成。每個(gè)IGBT里都集成一個(gè)續(xù)流二極管，其作用是為電機(jī)的定子繞組反饋能量（電機(jī)發(fā)電）提供回路。當(dāng)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)時(shí)，其電能可通過續(xù)流二極管流向直流回路，電解電容充電。

由于世界各國(guó)電網(wǎng)中電壓、頻率各不相同，出口、進(jìn)口產(chǎn)品都需要根據(jù)不同國(guó)家的電壓、頻率來測(cè)試其技術(shù)性能。 變頻電源可以模擬世界各國(guó)的供電電壓和頻率。

變頻電源的輸入電源是交流電，一般國(guó)內(nèi)的三相交流電是380V，單相交流電是220V，美國(guó)、日本等國(guó)的電壓是110V，（查看世界各國(guó)的電壓的頻率）。變頻電源可以模仿世界各國(guó)的用電標(biāo)準(zhǔn)電壓怕頻率，所以很多的出口電器的廠商就用變頻電源來測(cè)試出口電器的使用情況。每個(gè)國(guó)家的用電標(biāo)準(zhǔn)頻率都是不同的，不同國(guó)家的用電標(biāo)準(zhǔn)頻率：世界各國(guó)電壓標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)家電壓頻率

下表列出了一些國(guó)家或地區(qū)的單相電壓數(shù)值。

我們常規(guī)使用的大功率變頻電源一般參數(shù)示例

變頻器根據(jù)調(diào)制方式分類：

t 脈幅調(diào)制（PAM） ：Plus Amplitude Modulation

t 脈寬調(diào)制（PWM） ：Plus Width Modulation

變頻電源是將市電中的交流電經(jīng)過AC-DC-AC變換， 輸出為純凈的正弦波，輸出頻率和電壓 一定范圍內(nèi)可調(diào)。它有別于用于電機(jī)調(diào)速用的變頻調(diào)速控制器，也有別于普通交流穩(wěn)壓電源。理想的交流電源的特點(diǎn)是頻率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、內(nèi)阻等于零、電壓波形為純正弦波（無失真）。變頻電源十分接近于理想交流電源，因此，先進(jìn)發(fā)達(dá)國(guó)家越來越多地將變頻電源用作標(biāo)準(zhǔn)供電電源，以便為用電器提供最優(yōu)良的供電環(huán)境，便于客觀考核用電器的技術(shù)性能。

變頻電源基本原變頻電源做為交流諧振耐壓試驗(yàn)系統(tǒng)的核心部分，要求調(diào)壓、調(diào)頻獨(dú)立進(jìn)行，輸出電壓0～400 V，頻率30～300 Hz，且穩(wěn)定度高，還要求在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下有較強(qiáng)的抗干擾能力。

隨著全控型快速開關(guān)器件GTR、IGBT、MOSFET等的出現(xiàn)，才逐漸發(fā)展為PWM方式。由于調(diào)節(jié)PWM波的占空比即可調(diào)節(jié)電壓幅值，所以逆變環(huán)節(jié)可同時(shí)完成調(diào)壓和調(diào)頻任務(wù)，整流器無需控制，設(shè)備結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，控制更方便。輸出電壓由方波改進(jìn)為PWM波，降低了輸出電壓的低次諧波含量。

目前逆變電源研究的現(xiàn)狀

一般的電源跟負(fù)載相連， 從相關(guān)文獻(xiàn)可知， 目前對(duì)逆變電源的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：

i.拓?fù)湫问?/p>

目前常用的逆變電路拓?fù)湫问街饕校?常規(guī)逆變電路拓?fù)洌?軟開關(guān)逆變電路拓?fù)洌?多電平逆變電路拓?fù)涞取?/p>

常規(guī)逆變電路拓?fù)?/p>

常規(guī)逆變電路拓?fù)淇煞譃閱蜗喟霕颉?單相橋式、 三相橋式電路等， 根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)，又可將其分為電壓源型逆變電路（VSTI） 和電流源型逆變電路（CSTI）。單相逆變電路的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單， 使用器件少， 常用于幾 KW 以下的小功率逆變電源。三相橋式逆變電源應(yīng)用較多。

軟開關(guān)逆變電路拓?fù)?/p>

逆變電源為得到更好的交流輸出波形， 將會(huì)提高全控型電力電子器件的開關(guān)頻率， 同時(shí)，開關(guān)損耗也會(huì)隨之增加， 電路效率嚴(yán)重下降， 電磁干擾也增大了， 所以簡(jiǎn)單的提高開關(guān)頻率是不行的。 針對(duì)這些問題出現(xiàn)了軟開關(guān)技術(shù)， 它是以諧振為主的輔助換流手段， 解決了電路中的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲問題， 使開關(guān)頻率可以大幅度提高。 軟開關(guān)技術(shù)總的來說可以分為零電壓（ZVS） 和零電流（ZCS） 兩類， 按照其出現(xiàn)的先后， 可以將其分為準(zhǔn)諧振、 零開關(guān) PWM和 PWM 三大類。每一類都包括拓?fù)浜捅姸嗟呐缮負(fù)洹?/p>

三電平或多電平逆變電路拓?fù)?/p>

多電平逆變器的思想最早由日本 Nabae 于 20 世紀(jì) 80 年代初提出的。其基本原理是通過多個(gè)直流電平來合成逼近正弦輸出的階梯波電壓。 其優(yōu)點(diǎn)是減小逆變器輸出諧波， 降低了開關(guān)管電壓應(yīng)力。 多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)種類較多， 但是大致可分為： 二極管鉗位型， 飛跨電容性和獨(dú)立直流電源級(jí)聯(lián)多電平這三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 這三種多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)各有優(yōu)點(diǎn)， 其中應(yīng)用最廣泛的是二極管鉗位型多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

全波整流和半波整流（AC/DC轉(zhuǎn)換）將AC（交流電壓）轉(zhuǎn)換為DC（直流電壓）的整流方式有全波整流和半波整流。兩種情況都利用了二極管的電流正向流通特性來進(jìn)行整流。

全波整流是通過二極管橋式電路結(jié)構(gòu)將輸入電壓的負(fù)電壓成分轉(zhuǎn)換為正電壓后整流成直流電壓（脈沖電壓）。而半波整流是使用一個(gè)二極管來消除輸入負(fù)電壓成分后整流為直流電壓（脈沖電壓）。

ii.變頻電源技術(shù)研究的發(fā)展趨勢(shì)

在電力電子技術(shù)的應(yīng)用及各種電源系統(tǒng)中， 變頻電源技術(shù)均處于核心地位。 近年來， 現(xiàn)代變頻電源技術(shù)發(fā)展主要表現(xiàn)出以下幾種趨勢(shì)：

（1） 高頻化

提高變頻電源的開關(guān)頻率， 可以有效地減小裝置的體積和重量， 為了進(jìn)一步減小裝置的體積和重量， 去掉笨重的工頻隔離變壓器， 采用高頻隔離， 并可消除變壓器和電感的音頻噪聲， 同時(shí)改善了輸出電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。

（2） 高性能化

高性能主要指輸出電壓特性的高性能， 它主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 穩(wěn)壓性能好， 空載及負(fù)載時(shí)輸出電壓有效值要穩(wěn)定； 波形質(zhì)量高， 不但要求空載時(shí)的波形好， 帶載時(shí)波形也好，對(duì)非線性負(fù)載性要強(qiáng)； 突加或突減負(fù)載時(shí)輸出電壓的瞬態(tài)響應(yīng)特性好； 電壓調(diào)制量小； 輸出電壓的頻率穩(wěn)定性好； 對(duì)于共相電源， 帶不平衡負(fù)載時(shí)相電壓失衡小。

（3） 模塊化

當(dāng)今逆變電源的發(fā)展趨向是大功率化和高可靠性。 雖然現(xiàn)在已經(jīng)能生產(chǎn)幾千 KVA 的大型逆變電源， 完全可以滿足大功率要求的場(chǎng)合。 但是， 這樣整個(gè)系統(tǒng)的可靠性完全由單臺(tái)電源決定， 無論如何可靠性也不可能達(dá)到很高。 為了提高系統(tǒng)的可靠性， 就必須實(shí)現(xiàn)模塊化， 模塊化意味著用戶可以方便地將小容量的模塊化電源任意組合， 構(gòu)成一個(gè)較大容量的變頻電源。 模塊化需要解決逆變電源之間的并聯(lián)問題， 變頻電源的并聯(lián)要比直流電源的并聯(lián)復(fù)雜，它面臨著負(fù)荷分配、 環(huán)流補(bǔ)償、 通斷控制等多方面的問題。

（4） 數(shù)字化

現(xiàn)在數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)日趨完善成熟， 顯示出越來越多的優(yōu)點(diǎn)： 便于計(jì)算機(jī)處理控制、 避免模擬信號(hào)的畸變失真、 提高系統(tǒng)抗干擾能力、 便于軟件包調(diào)試和遙感遙測(cè)遙調(diào)、 也便于自診斷， 容錯(cuò)等技術(shù)的植入， 同時(shí)也為電源的并聯(lián)技術(shù)發(fā)展提供了方便。

（5） 綠色化

綠色電源的含義有兩層：首先是顯著節(jié)電， 這意味著發(fā)電容量的節(jié)約， 而發(fā)電是造成環(huán)境污染的重要原因。 為了使電源系統(tǒng)綠色化， 電源應(yīng)加裝高效濾波器， 還應(yīng)在電網(wǎng)輸入端采用功率因數(shù)校正技術(shù)和軟開關(guān)技術(shù)。提高輸入功率因數(shù)具有重要意義， 不僅可以減少對(duì)電網(wǎng)的污染， 降低市電的無功損耗， 起到環(huán)保和節(jié)能的效果， 而且還能減少相應(yīng)的投資， 提高運(yùn)行可靠性。 提高功率因數(shù)的傳統(tǒng)方法是采用無源功率因數(shù)校正技術(shù)， 目前較先進(jìn)的方法是：?jiǎn)蜗噍斎氲牟捎糜性垂β室驍?shù)校正技術(shù)， 三相輸入的采用 SPWM 高頻整流提高功率因數(shù)。今后電源技術(shù)將朝著高效率、 高功率因數(shù)和高可靠性方向發(fā)展， 并不斷實(shí)現(xiàn)低諧波污染、 低環(huán)境污染、 低電磁干擾和小型化、 輕量化。從而為今后的綠色電源產(chǎn)品和設(shè)備的發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)保證， 這也將是現(xiàn)代電源發(fā)展的必然結(jié)果。

iii.變頻電源數(shù)字化發(fā)展存在的難點(diǎn)

數(shù)字化是變頻電源發(fā)展的主要方向， 但還是需要解決一下難題：

（l） 變頻電源輸出要跟蹤的是一個(gè)按正弦規(guī)律變化的給定信號(hào)， 它不同于一般的開關(guān)電源的常值控制。 在閉環(huán)控制下， 給定信號(hào)與反饋信號(hào)的時(shí)間差就體現(xiàn)為明顯的相位差， 這種相位差與負(fù)載是相關(guān)的， 這就給控制器的設(shè)計(jì)帶來了困難。

（2） 變頻電源輸出濾波器對(duì)系統(tǒng)的模型影響很大， 輸入電壓的波動(dòng)幅值和負(fù)載的性質(zhì)，大小的變化范圍往往比較大， 這些都增加了控制對(duì)象的復(fù)雜性， 使得控制對(duì)象模型的高階性、不確定性、 非線性顯著增加。

（3） 變頻電源電力電子變換裝置是一個(gè)離散的、 耦合的、 非線性的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。

要滿足負(fù)載對(duì)電源的靜態(tài)指標(biāo)和動(dòng)態(tài)指標(biāo)要求， 一般地將電力電子變換裝置設(shè)計(jì)成一個(gè)閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，工程技術(shù)人員對(duì)線性系統(tǒng)的校正與綜合比較熟悉， 對(duì)這樣的系統(tǒng)控制有些力不從心。 因此， 如果能建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型， 特別是從控制到輸出之間的傳遞函數(shù)， 則有助于工程技術(shù)人員的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)分析， 減少盲目選擇參數(shù)的調(diào)試時(shí)間， 解決本質(zhì)非線性系統(tǒng)的線性控制問題。

審核編輯 ：李倩