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逆变器是指通过半导体功率器件（如GTR、MOSFET和IGBT等）的通断，将直流电转换为交流电，是整流器的反向转换装置。

一、逆变电路的工作原理

逆变器通过开关器件的有序开通和关断，将直流电转换成交流方波。 当交流侧接入电网时，即交流电接入电源时，称为有源逆变器； 当交流侧直接连接负载时，称为无源逆变器。 逆变器工作过程中，电流不断地从一个支路流向另一支路，这就是换向。 换流方式在逆变电路中占有突出的地位。 MOSFET是一种完全受控的器件，可以利用其自关断能力对单相进行换流（device commutation）。

图l中的Ql～Q4是典型的电桥电路。 当Q1、Q4导通，Q2、Q3关断时，电流从Q1流向Q4，负载电压为正； 同理，当Q1、Q4关断，Q2、Q3导通时，负载电压为负，从而将直流电转换为交流电，通过改变开关频率可以改变输出交流电的频率在这两个手臂被打开。 这是逆变电路最基本的工作原理。 负载为阻性时，负载电流和电压波形相同，相位相同； 当负载为感性时，电流相位滞后于电压，两者波形也不同。

图1 全桥逆变电路

2.逆变器的分类

(1) 单相全桥逆变器

全桥是指内部驱动电路的结构形式，其中每只包含2个功率晶体管的桥臂连接成正方形，形成全桥。 4个三极管轮流工作在正弦波的各个波段，两组开关管的中性点构成输出端，相当于取两个半桥之间的电压差三相全桥逆变电路，所以正负双向交流输出即可得到。 全桥逆变器不依赖外部器件三相全桥逆变电路，仅使用单一电压源输出双端完整交流信号。 单相全桥逆变电路及其电压、电流波形如图2所示。

图2 单相全桥逆变电路及其电压电流波形

(2) 三相桥式逆变器

三相桥式逆变器由三个桥臂和六个功率晶体管组成。 逆变器的输出位于三组开关管的中性点，取两组开关管之间的电压差即可得到三相电能。 3相电压。 通过控制三组功率晶体管的导通和关断时序，三相桥式逆变器可以输出等幅度、等频率的三相电信号。 三相桥式逆变电路如图3所示。

图3 电压型三相桥式逆变电路

3.逆变器输出电压计算

式中，Uolm为基波幅值； Uol为基波有效值。主电路的选择与设计

本样机设计采用单相全桥结构，具体设计参数如下： 输入直流电压为48V； 输出功率为1kW； 输出电压为单相交流220V。

4.单相逆变器系统原理图

单相逆变器硬件电路由三部分组成：主电路、控制电路和驱动电路。 主电路采用典型的AC-DC转换电路； 控制回路以集成PWM控制器SG3525为核心； 驱动电路由驱动芯片1R2110及外围组成。 单相逆变器的系统原理如图4所示。

图4 单相逆变器系统原理

(1) 变频器主电路

逆变器的核心是逆变开关电路，它通过功率器件的通断来完成逆变功能。 本文设计的直流48V输入、220V输出逆变电源由以下几部分组成。

1）降压电路。 为了得到直流48V电源，需要在整流电路前加一个变压器，把交流220V变成40V的交流电源。 由于降压电路简单，这里不再赘述。

2）整流电路。 其电路如图5所示。

图5 整流电路

系统工作原理如下：当交流电压为正向电压时，二极管VD、VD4导通，电流从二极管VD流出。 ，VD4流过，通过负载电阻对电容Cl.C2充电； 当交流电压处于r的负半周时，二极管VD2、VD3导通，电源通过二极管VD2、VD3，负载对电容C1、C2充电。 经过周期性工作后，最终输出电压经电容C1、C2滤波后得到直流电压。

3）全桥逆变电路。 本文采用全桥逆变电路为主电路，适用于大功率输出电路。 该电路由一只大容量电解电容C3和4只IRF460型MOSFET管组成。 直流电压经整流滤波后由整流桥输出提供。 单相全桥逆变电路由四个桥臂组成：一对桥臂1、4为正电压通道； 另一对桥臂2、3为负电压通道。 在驱动波形的同时，控制同一桥臂的两个MOSFET导通，上下桥臂180°交替导通。 ，从而在负载上获得交流电压。

(2) PWM信号的产生

该电路以集成PWM控制芯片SG3525产生的PWM信号为驱动信号，控制单相桥式逆变器的四个MOSFET交替导通，从而对负载处的交流电进行逆变。

PWM信号产生电路如图6所示，其中l脚与9脚短接； 2脚通过电阻R15（10k欧姆）接电位器R16（10k欧姆）的中性点； 电位器R16的两端分别接参考电压(5.1V)和地。 3脚和4脚悬空； 5脚通过滤波电容C13（0.01uF）接地，该脚还通过电阻R14（10欧姆）与7脚相连； 8脚通过C14（100uF）接地与7脚相连，起到软启动的作用； 13、15脚为芯片工作电压输入端，接15V电源； 11、14脚为两个PWM信号输出端； PWM1和PWM2为SG3525输出端，两路占空比相等，相位差180°驱动信号。 通过R16调整占空比，调整标尺。 . 也就是说，可以改变输入引脚2的电压值Ur。 当参考电压Ur降低时，PWM1的占空比增加。 SG3525输出PWM1、PWM2两路PWM信号，通过光耦隔离驱动电路驱动逆变器L下桥臂的两路MOSFET管。

图6 PWM信号产生电路

(3)光耦隔离电路

SG3525发出两路PWM信号：其中一路信号经电阻R1送至光耦1输入端，经74HC14反向处理后送至光耦2； 另一路PWM信号以同样的方式处理。 经光耦隔离处理后的PWM信号驱动集成电路芯片IR2110的高低输入信号。 光耦隔离电路如图7所示。

图7 光耦隔离电路

(4) MOSFET栅极驱动电路设计

为了提高单相逆变器的可靠性，简化电路，提高系统的集成度，经考察决定采用美国IR公司生产的IR2110驱动集成芯片。 该芯片采用双通道、栅极驱动，同时芯片内还采用了高度集成的电平转换技术，简化了逻辑电路对功率器件的控制要求，并集成了多种保护功能，因此电路参数一致。 ,稳定可靠。 IR2110的上管采用外接自举电容上电，减少了驱动电源的数量。 对于普通的三相桥式逆变器，由于IR2110集成了两个驱动电路，因此只需要三片IR2110和一个15V电源。 在硬件设计方面，大大减少了电源变压器的体积和驱动电源的数量，提高了系统的可靠性，降低了成本。

本文设计了一种单相桥式逆变器。 由于一个IR2110可以驱动同一个桥臂的上下开关器件，两个IR2110就可以满足设计要求。 以其中一只IR2110为例说明电路的组成，另一只工作原理相同。 IR2110的外围电路如图8所示，其中C9、C10为自举电容，12V电源通过VD5对C10、C9充电，保证QI导通、Q2关断时，C9、C10具有足够的容量来驱动 Ql 的栅极。 一般采用大容量电容和小容量电容并联作为自举电容。 当逆变器工作频率为20kHz时，C10取0.1uF，C9取1.0uF。 并联高频小电容的作用是吸收逆变电路工作时产生的干扰电压。

图8 IR2110外围电路

电路模型的建立与仿真

仿真结果如图9所示，从图中可以看出，电路仿真结果与实际情况基本一致，能够很好地描述全桥MOSFET逆变器主电路的工作过程。 输出电压经电感滤波后，在负载R上可得到理想的正弦波。

图9 输出电压仿真波形

5.结论

本文在详细分析逆变器工作原理的基础上，设计了一款以SG3525集成PWM控制器为控制核心的单相桥式逆变器，并在MatlabSimulink中建立了控制系统的仿真分析模型。 通过对系统进行仿真，可以实时观察仿真结果。 仿真验证了该控制方案在单相桥式逆变器应用中的可行性，因此该系统具有良好的实用价值，对实际工程应用具有一定的指导意义。