【逆变原创】逆变电源的原理学习

    因为本人一直都是做开关电源，对于开关电源的电路结构相对比较了解。当学习逆变器时，必然会考虑开关电源的结构与逆变器电力路结构的异同。

    首先讲讲这二者电路结构的异同.

    开关电源的电路结构大致可以归纳为1，交流市电输入（低频交流110V或220V）;2,整流滤波；3，DCDC功率变换；4整流输出（高频直流）

而逆变器的电路结构和开关电源的结构正好相反，大致可以归纳为1，直流电压输入（通常取自蓄电装置）；2，滤波；3，DCDC功率变换；4，交流市电输出（通过低频变压器实现）;

    从拓扑结构可以看出二者的功能正好相反，开关电源是将交流电变为直流电，而逆变器则是将直流电变为交流电。二者正好是一对难兄难弟。

    不过二者的核心是一样的，就是DCDC变换这一块。从电路结构我们可以知道其实逆变器也是开关电源的一种。了解到这一步，我们已经知道逆变器的设计其实就是DCDC功率变换器的设计。

    下一步要做的就是分析各种拓扑结构的优缺点，从中选择合适的功率拓扑应用于逆变器中。

    今天继续更新讲解逆变器。

    我们都知道开关电源DCDC的常用拓扑分为反激式，正激式，推挽式，半桥，全桥等。

    在上一讲中我们说到逆变器和开关电源的核心均为DCDC。而由于逆变器本身的电气特性，所以它常用的拓扑结构就没有开关电源的拓扑结构多。逆变器常用的拓扑结构为推挽和全桥。下图分别为推挽拓扑和全桥拓扑：

    下面讲一讲个人对于推挽拓扑和全桥拓扑的理解。

    首先说说二者的异同点。二者均属于经典的BUCK降压式拓扑结构。如下图所示：

    二者的不同点由二者电力路结构就能看出来。二者拓扑电路中的驱动信号均相差180度，也就是功率MOS均为交替导通工作。

同等电压输入条件下推挽式拓扑中每一个功率MOS承受的电压应力是全桥式拓扑结构的两倍。这是全桥拓扑相对与推挽拓扑的优点，但同时带来的缺点就是全桥拓扑的成本增加了，因为多用了两个功率MOS。

    下面说说在实际应用中个人对于推挽拓和全桥拓扑的看法吧。

因为本人从事电镀电源设计改进与维修（维修居多）。电镀电源特性为中频低压大电流。通常电压为0-12V可调，电流为0-3000A可调。由电镀电源的电气特性可知其属于超大功率电源。

    在低压大电流场合中应用比较多而动拓扑结构就是推挽，半桥和全桥。我们自己做电镀电源这一块应用最多的其实就是推挽和全桥结构。功率管一般采用IGBT。最开始我们自己做电镀电源时为了省可以看的见的成本（为什么说是可以看的见的成本，后面会讲到），通常会采用推挽式拓扑。

    一个IGBT通常均价在700大洋左右，推挽式拓扑只需要两个IGBT，而采用全桥式拓扑成本就多了1400大洋左右。刚开始做的电源由于均采用推挽式拓扑，IGBT的电压应力很大，客户反应经常炸鸡。

    由于我们的客户很多都在沿江城市。一旦客户反应电源不正常，我们立马就要开车去维修，但是通常现场维修很多的故障又不能搞定，因为仪器毕竟带不全。这样反反复复，通常都需要大修两三回才能搞定。

    在维修时，经常坏的元件就是IGBT，采用示波器会看到IGBT的尖峰电压很高。这时我们也考虑使用经典的RCD钳位电路以及RC吸收。下图为尖峰吸收惯用的RCD吸收及RC吸收方法：

    但是由于电镀电源本身功率很大，常用的RCD吸收以及RC吸收原理均为将尖峰电压转换为热能消耗掉，所以RCD元件和RC元件的发热量均大的惊人。

    而且效果并没有书上说的那么好。后来索性采用全桥拓扑，客户反应炸鸡现象明显降低了，个人从此热衷于使用全桥拓扑。

    今天继续更新。

    话说上次讲到个人比较喜好采用全桥拓扑。主要还是结合我们自己的工作经验。后来我又仔细想了一下，在功率较小一些的场合如果使用半桥拓扑或者推挽拓扑加上合适的吸收电路应该效果不错。只不过因为我们做的电镀电源本身的功率太大了。

    说说什么叫做看的见的成本。我目前接触过很多的电源小作坊。他们很是精打细算，元器件很多都是采用拆机件。基本不测试，也不会测试，做出来的产品也能用，价格超低，质量吗，看个人的喜好了。

    我和他们沟通过，他们所谓的节省成本的方法就是从我们常规的看的见的成本上节省。比如元器件成本(拆机件)，人工成本（不需要工程师）等。做出来的产品个人是绝对不会正眼看他们的。

     而所谓的看不见的成本就是产品的质量，公司的形象，售后维修的费用等。

    就拿我们自己的电镀电源为例，我使用全桥拓扑，看上去多了两个IGBT，多了1400大洋。使用推挽拓扑则节省了1400大洋，但是一旦在保修期内电源炸鸡，则电源本身立马损坏两个IGBT，同时再换两个IGBT，这成本立马就和全桥拓扑的成本相同了。

    如果客户离我们比较近，当天能返回的话，来回的路费算400大洋，再加人工费500大洋，吃饭20大洋，这成本立马就高了将近1000大洋。如果再考虑客户的口碑，公司的形象，那些无形的成本就不好计算了。为什么很多小电源作坊一段时间后会消失，最根本的还是它的质量，说的更直接一点就是它的发展思路。

    讲了这么多废话，主要是有感而发，今天讲讲推挽拓扑，半桥拓扑和全桥拓扑的电路特性。

首先下图为推挽拓扑

    由图可知，推挽式拓扑输入端两个功率管交替导通工作，输出采用全波整流，具体的工作状态大家可以看看书，书上都会讲解的比较详细。

    个人说说推挽式拓扑大家讲的比较少的几点特性吧。第一，推挽式拓扑结构磁芯通常工作与一三象限，磁芯的利用率比较高，不同于反激电源，磁芯不需要开气隙。所以工艺上比较好实现。再联系我们自己做的电镀电源来说说吧，因为磁芯采用非晶磁材，由于其物理特性，二次加工几乎不可能。所以不开气隙对于我们来说是帮了大忙。

    下面我直接将《开关电源设计》一书作者分析的解释贴上来供大家参考，希望对工作中一直受此问题困惑的朋友有所帮助。

    说的直接点，其实就是初始工作周期中激磁电流又微小的不平衡，而经过无数个工作周期后，激磁电流累加大足够大，导致变压器磁饱和，此时变压器

失去其磁电转换特性，变成一导线，电压无穷小，电流无穷大，直接导致IGBT炸鸡。

下面讲讲半桥拓扑和全桥拓扑的特性。

先将二者的拓扑贴出来

    二者的工作原理看图就一目了然。说说二者的电气特性吧。直接将《开关电源设计》一书中作者的分析贴上来

这是上述二者的优点，那二者的缺点呢。

    半桥式开关电源最大的缺点是，当两个控制开关K1和K2处于交替转换工作状态的时候，两个开关器件会同时出现一个很短时间的半导通区域，即两个控制开 关同时处于接通状态。

    这是因为开关器件在开始导通的时候，相当于对电容充电，它从截止状态到完全导通状态需要一个过渡过程;而开关器件从导通状态转换到截 止状态的时候，相当于对电容放电，它从导通状态到完全截止状态也需要一个过渡过程。

    如果驱动设计的不合理，两开关管出现同时对地导通状态，那炸鸡现象随即发生，所以设置合理的死区时间很有必要，它能够有效避免功率管同时对地导通的现象。

    全桥式开关电源最大的缺点和半桥拓扑的缺点大同小异。

    当两组控制开关K1、K4和K2、K3处于交替转换工作状态的时候，4个开关器件会同时出现一个很短时间的半导通区域， 即两组控制开关同时处于接通状态。这是因为开关器件在开始导通的时候，相当于对电容充电，它从截止状态到完全导通状态需要一个过渡过程;而开关器件从导通 状态转换到截止状态的时候，相当于对电容放电，它从导通状态到完全截止状态也需要一个过渡过程。

    半桥和全桥拓扑设置合理的死区时间，通常的死区时间是0.2T足够。这是个人的经验值。

    今天继续更新。

    前段时间已经将逆变器的核心部分也就是DCDC这一块讲完了。今天讲讲逆变器的输出部分吧。

    首先需要讲讲逆变器的作用。逆变器其实是为需要交流电源而现场只有直流电源的场合服务的。那哪些地方只有直流电源而没有交流电源呢。这就多了去了，比如说汽车逆变器，太阳能充电站，移动的蒙古包使用的家庭用逆变器，驴友使用的移动逆变器，医疗设备采用的UPS等，在这里就不一一列举了。