逆變器

半橋式逆變器是什麼?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,我們就得從半橋式逆變器開始說起。

我們從半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。

最後說明半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、半橋式逆變器的架構

半橋式逆變器

什麼是「半橋」呢?

「半橋」表示這種電路只使用了一半的橋型結構

也就是只使用了兩個開關,與全橋式逆變器相對(全橋式使用四個)。

如圖所示,這兩個開關會輪流處於ON/OFF的階段,

也就是:當S1 為ON時,S2 為OFF;當S1 為OFF時,S2 為ON。

確保了在任何時刻都只有一個開關導通,從而避免了電源短路的風險。

為了進一步看出半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、半橋式逆變器的原理

電流的逆變過程

半橋式逆變器S1為ON與S2為ON

當S1導通時,電流流經負載並產生正電壓;

而S2導通時,電流方向相反,產生負電壓。

這種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:

由於半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,

展現了半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

半橋式逆變器運作時的波型

在本篇講述的半橋式逆變器中,

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。

雖然方波不同於常見的正弦波交流電,

但它在某些應用中仍然有效,

如在某些類型的馬達驅動器或簡單的電源供應中。

當使用半橋式逆變器來產生方波交流電時,

關鍵在於確保兩個開關S1 ON的時間跟S2 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、半橋式逆變器的局限

半橋式逆變器是理解逆變原理的理想模型,

但在實際應用中,它有一些限制需要考量:

  1. 雙重直流電源需求:半橋式逆變器需要兩個直流電源,這導致輸入電壓必須是輸出電壓的兩倍。例如,如果輸入電壓為2V,則輸出交流電壓的振幅只能達到V。
  2. 交替使用電源:這兩個直流電源會輪流使用,所以在任何給定時間,只有一個電源被使用,另一個則處於閒置狀態。

由此可見,無論從電壓還是使用時間來看,半橋式逆變器的電源利用率相對較低。

總結來說,半橋式逆變器提供了一種簡單且成本有效的方式來理解和實現DC -> AC。

但對於高功率或高效率要求的應用,可能需要考慮更複雜的逆變器設計,如全橋或多級逆變器。

四、重點整理

  1. 半橋式逆變器的架構:半橋式逆變器以其簡單的兩開關電路拓撲為特色,相較於四開關的全橋式逆變器更經濟,並透過兩開關的互補操作避免電源短路。
  2. 半橋式逆變器的原理:半橋式逆變器透過交替導通的兩個開關創造了交流電的基本波形,模擬了交流電的正負變化(方波交流電),適用於某些馬達驅動器或簡單的電源供應應用。
  3. 半橋式逆變器的局限:半橋逆變器的總體能效較低,受限於輸入與輸出電壓的關係,增加了系統複雜度和成本,適用於不需高效率的應用。

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