FCD----逆變器的逆變原理

引言：逆變器，inverter，即將直流電DC轉轉換為交流電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構--->全橋逆變，由四個同規格NMOS（驅動更簡易）組成。直流電壓轉換成交流電壓，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，這時交流電就產生了。

圖5-1：全橋逆變拓撲

2.逆變過程

如圖5-2為Q1、Q4導通，Q2、Q3關斷時的電流流向，對于中間Rload來說，設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導通，Q1、Q4關斷時的電流流向，對于中間Rload來說，設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生，藍色矩形電壓波為反向電流方向時產生，方波交流無法直接用來驅動負載，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換成正弦交流電，即將紅藍矩形波形轉換成綠色正弦波形。

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增加開關頻次，即矩形波的數量，圖5-1中一個正弦波周期只有兩次開關切換，實際上一個正弦波周期里面有許多次開關切換，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保持關斷，Q1、Q4間歇導通與關斷，導通與關斷的時間和次數決定半個周期內藍色矩形波的寬度和數量，開關寬度可調，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，那么對應到Q1、Q4和Q2、Q4上，Q1、Q4大頻率f1是50HZ（1/（導通0.01S+關斷0.01S）)，Q2、Q3大頻率f1也是50HZ（1/（導通0.01S+關斷0.01S）)，兩組相位差90°。以Q1、Q4一個周期為例，關斷期間一直關閉，導通期間為間歇導通，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的原理以及構成）

圖5-6：50HZ周期示例

3.NMOS選型

搭建一個分立式逆變系統，NMOS的選型至關重要，除了常規的VGSS、IDSS、RDSON，還需要關注其動態參數，例如在電磁感應式無線充電中，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的動態特性提出了要求，包括導通關斷延時，較低的開關損耗，基準開關性能（極低的Rdson×Qg和Rdson×Qgd），高頻率工作狀態下良好的EMI表現（集成阻尼網絡）。如圖5-7和圖5-8，可以比較一下其參數，因為共振式工作頻率更高，所以其Gate charge characteristics參數更加優秀，驅動損耗更低，驅動速度更快。

圖5-7：應用于感應式的NMOS：BSC0996NS

圖5-8：應用于共振式的NMOS：BSZ0909ND

所以逆變器的MOS選型依據有如下幾點：

1.基本VDSS、IDSS、Rdson參數。

2.根據MOS工作的最大頻率（1.5×fsw）選擇QG、QGD。

3.根據MOS工作的最大頻率（1.5×fsw）評估Raise time、Fall time、Td、Toff。