全橋式逆變器是什麼

全橋式逆變器是什麼?3大點帶你理解架構、原理與局限

如果你對逆變器還不熟悉,閱讀這篇文章能讓你對逆變器有初步概念!

逆變器可以將直流電轉變成交流電

而理想逆變器的基本組成包括直流電源、開關,以及負載

要說明逆變器的原理,我們已經藉由上篇文章半橋式逆變器講述。

而為了為提高半橋式逆變器的效率

人們設計出了另一種電路拓撲——全橋式逆變器。

我們從全橋式逆變器的架構出發,

接著介紹它簡單的電流逆變過程,以及產生方波交流電的方式。

最後說明全橋式逆變器在效率和應用方面的局限

本篇為《電力電子學圖鑑》的學習整理,

如果有興趣的朋友可以去看看,就算零基礎也沒關係。

一、全橋式逆變器的架構

全橋式逆變器

什麼是全橋呢?

「全橋」表示這種電路使用了完整的橋型結構

也就是使用了四個開關,與半橋式逆變器相對(半橋式使用兩個)。

因為電路結構看起來像H,所以又被稱為H橋逆變器

如圖所示,全橋式逆變器的四個開關分為兩對(S1 S4、S2 S3),每對開關控制電路的一半,

電源的正極連接到開關S1和S3,而電源的負極則連接到開關S2和S4。

記得我們在半橋式逆變器的文章中提到:

半橋式逆變器的兩個開關輪流處於ON/OFF的階段(當S1 為ON時,S2 為OFF;當S1 為OFF時,S2 為ON)。

而全橋式逆變器則是兩對開關輪流處於ON/OFF的階段,

即當S1 S4 為ON時,S2 S3 為OFF;當S1 S4 為OFF時,S2 S3 為ON。

此外,全橋式逆變器利用單一直流電源V,就可以完成逆變(直流轉交流)

所以相較於半橋式逆變器,全橋式逆變器大幅提升了直流電源的利用效率。

為了進一步看出全橋式逆變器的交流電是如何產生的,

我們先來看其電流在兩開關輪流ON/OFF時的情況,

然後再看電流對應的電壓

二、全橋式逆變器的原理

電流的逆變過程

全橋式逆變器電流的逆變過程

與在半橋式逆變器中描述的原理類似:

當S1與S4導通時,電流流經負載並產生正電壓;

而S2與S3導通時,電流方向相反,產生負電壓。

這種兩對開關的交替導通,創造了交流電的基本波形。

這種交流電流的產生基於開關的快速切換,模擬了交流電的正負變化。

假設負載是純電阻,通過這個電阻的電流會周期性地改變極性。

這一個現象可以通過歐姆定律I=V/R來理解:

由於全橋式逆變器中開關的不斷切換,電阻兩端的電壓也會相應地發生變化,

從而在正電壓(+V)和負電壓(-V)之間進行快速切換。

這種持續的電壓變化形成了交流電的基本特徵,

展現了全橋式逆變器將直流電轉換為交流電的能力。

電壓與電流的波形

全橋式逆變器運作時的波型

在本篇講述的全橋式逆變器中,

產生的是方波交流電

這是因為開關的狀態只有全導通或全關斷

導致輸出電壓在極性間迅速切換。

不過,透過脈寬調制(PWM)技術,

全橋式逆變器也能產生接近正弦波的輸出波形。

這種方法通過調整開關導通的占空比,來模擬正弦波形

因此全橋逆變器的應用不限於只能產生方波。

在這邊講述的是基礎,所以用方波交流電來解說。

而當使用全橋式逆變器來產生方波交流電時,

關鍵同樣在於確保兩個開關S1 S4 ON的時間跟S2 S3 ON的時間相等

而且保持定值

換句話說,開關的每一次ON和OFF持續的時間合起來便構成了一個完整的交流電週期。

通過調整這個週期的長度,我們就能夠產生具有特定頻率的交流電。

原理可見以下這部影片以加強印象:

三、全橋式逆變器的局限

在實際應用中,

全橋式逆變器有一些限制需要考量:

  1. 開關應力:在全橋式逆變器中,開關需承受直流電源的全電壓,這對於所使用的半導體開關來說,可能需要更高的耐壓設計,這不僅提高了成本,也可能限制了開關速度。 
  2. 控制更複雜:全橋式逆變器需要精確的開關控制策略來防止短路和確保功率轉換的效率,這需要複雜的驅動電路和控制算法。
  3. 熱管理問題:由於全橋式逆變器有四個開關,相對於半橋式逆變器在相同功率水平下會有更高的熱負荷,因此需要更有效的熱管理解決方案。
  4. 開關死區時間(Dead Time)的需要:為了防止上下兩個開關同時導通而造成的短路(shoot-through),必須在開關切換間引入死區時間,而這通常會影響逆變器的效率。
  5. 成本增加:由於需要四個開關元件,全橋式逆變器在硬體上的成本高於半橋式逆變器,特別是在使用高性能開關如IGBT時更為明顯。
  6. 較大的體積:四個開關和相關的驅動電路可能會占用更多空間,從而導致整體設備體積變大。

儘管存在這些限制,

全橋式逆變器由於其能夠提供雙倍輸出電壓的能力和較好的效率,

在許多高功率應用中仍然是首選。

它們在電動車、太陽能逆變器,

以及其他需要將直流電源轉換為高品質交流電源的場合中被廣泛應用。

透過持續的技術進步,許多上述局限正在逐步被克服。

四、重點整理

  1. 全橋式逆變器的架構:全橋式逆變器以四個開關組成的電路拓撲為特色,提供比半橋式逆變器更大的靈活性,因此能產生更接近真實交流電的波形。
  2. 全橋式逆變器的原理:全橋式逆變器通過交替導通對角線上的開關(S1與S4、S2與S3),模擬了交流電的正負變化(方波交流電)。
  3. 全橋式逆變器的局限:全橋式逆變器因為四開關的設計,提升了輸出電壓與波形控制,但面臨了開關耐壓、控制複雜化與增加熱管理等挑戰。不過,在許多高功率應用(如電動車與太陽能逆變器)中仍然是首選。

最後可以再看另一部生動的短片來複習一下全橋式逆變器:

補充:逆變器的基本元件實踐

由前述的逆變器操作可見,當S1與S4為ON時,

開關會被雙向流通,以及直流電源會瞬間改變電流方向。

既然逆變器的架構為直流電源、開關與負載,

那麼要實現實際的全橋式逆變器,

我們需要:

  1. 可雙向流通的開關:流經開關的電流必須在0~T/2期間內反轉極性(反轉正極與負極)
  2. 可瞬間改變電流方向的直流電源:每經過開關的半週期T/2,電源的電流就會逆流回電源一次

因此,我們分別針對這兩點去討論如何實行。

1. 可雙向流通的開關2. 可瞬間改變電流方向的直流電源
——直流電源搭配電容
IGBT反向並聯二極體
透過能雙向導通的IGBT,
此元件結合MOS閘控制和BJT高電流的特性,
實現精細的電壓控制。
然而,IGBT通常僅支持單向電流
為實現逆向流通,
要借助電感(負載)儲能和二極體的自由輪流功能。
自由輪流:當主開關關閉後,
感性負載中的電流找到了一條可以自由流動的路徑


透過將二極體反向並聯於IGBT,可完成電流的雙向切換
無論開關狀態,都能保持電流連續。

這些二極體,也被稱為飛輪二極體,
當負載電動勢生成逆向電流時,
飛輪二極體將電流有效地反饋到直流電源中,
這不僅有助於能量的回收,
也進一步穩定了電源輸出,保證了逆變器的高效運行。
直流電源並聯電容
為了應對直流電源無法快速變換電流方向的限制,
通常會搭配電容來輔助。
因為電容能在正負電壓之間快速切換充放電狀態,
所以能在開關動作時發揮緩衝作用,
保持電流的連續性
此外,
電容的阻抗隨頻率變化 (Z=1/jωC),
對高頻成分的阻抗較低,
因此電容可以過濾電流中的高頻成分,
對提高逆變器性能至關重要。

總而言之,
直流電源並聯適當值的電容,
可以有效降低電源在高頻時的阻抗

優化電流快速變化的能力。

將上述兩點一起講的話,實際的全橋式逆變器電路為:

實際的全橋式逆變器電路

為了確保逆變器在運作時電源能平穩輸出,

我們會在直流電源與逆變器之間並聯了電容,

以儲存和釋放電能。

同時,為了克服IGBT等半導體開關只能單向導通的限制,

我們利用反並聯二極體,讓電感(實際負載)儲存的能量能夠在需要時釋放,

實現電流的反向流動。

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