你知道最直接影響我們日常生活的電力電子學應用是什麼嗎？
逆變器？沒錯，而且是三相逆變器！
在整個工業領域中，三相逆變器更是不可或缺的一部分。
逆變器簡單說，就是將直流電轉換為我們所需的交流電。
如果你對逆變器的原理還不熟悉，可以先藉由半橋式逆變器是什麼的文章來了解。
在全橋式逆變器是什麼的文章中，我們已經探討了單相全橋式逆變器的基本架構與工作原理。
本篇文章將進一步介紹三相全橋式逆變器，也就是生活中最常見的三相逆變器。
首先回顧一下，
逆變器的主要功能是將直流電（DC）轉換為交流電（AC）。
理想逆變器的基本元件包括直流電源、開關元件以及負載。
由於本篇聚焦於三相逆變器，
我們將分別介紹適用於單相和三相負載的電源配置以及關鍵要素——開關，
還有它們如何共同構成三相逆變器的核心結構。
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、單相與三相是什麼？
在介紹三相逆變器之前，
首先必須理解單相負載與三相負載之間的主要差異。
為了方便說明，我們要先知道「負載」是什麼，以及「電源」是什麼。
在電力電子領域中，「電源」和「負載」是常用的術語。
電源是指供應能量的部分，而負載則是指消耗這些能量的部分。
在電路圖中，電源通常被放置在圖的左側，而負載則位於右側。
如我們之前在單相逆變器中所提及，電阻和電感都屬於負載的範疇。
實際上，負載的類型多種多樣，它是一個涵蓋廣泛的術語。
1. 單相負載 vs. 三相負載
| 單相負載 | 三相負載 |
 單相負載由兩條電線供電， 這是最基本的負載連接方式， 常見於家庭和小型辦公設備中， 如燈具、電視等。 |  三相負載通常由三個單獨的負載組成， 這些負載可以按星形（Y型）或三角形（Delta型）方式連接。 它們由三條相位互相差120度的電源線供電， 形成所謂的三相供電系統。 三相負載主要用於工業應用， 如三相馬達， 因為它提供更高效率和穩定的功率輸出。 |
針對三相負載的細節（Y型與Delta型），可以分別看以下影片：
對應於單相負載與三相負載，我們的電源端也有單相交流與三相交流。
2. 單相交流 vs. 三相交流
| 單相交流 | 三相交流 |
 如全橋式逆變器是什麼文中提到的， 單相交流可以是簡單的方波或更常見的正弦波形。 這種交流通常適用於低功率應用，如家用電器和辦公設備。 |  由三個相位相差120°的正弦波組成， 形成一個三相系統。 這三個單相系統合在一起， 既可以用星形也可以用三角形配置， 以提供給三相負載穩定而高效的電力。 這種供電方式特別適用於需求高功率和高效能的工業應用， 如大型交流馬達。 如同三相負載有星形（Y型）或三角形（Delta型）的連接， 三相交流也有一樣的架構：  |
在這兩種系統中，三相交流由於它具備優異的平衡負載特性，
能夠讓交流馬達等重型機械運轉得更加高效和穩定，因此也被拿來配合三相逆變器操作。
單相交流與三相交流電源的細節則可以分別看以下影片：
我們知道星形（Y型）或三角形（Delta型）接線可以構成三相交流，
但具體上要如何實現三相交流呢？
3. 如何實現三相交流電？
承最前面說到逆變器是將直流轉交流，
所以三相交流，就可以透過三組相位各自錯開120度的單相逆變器來實現。
也就是說，每個單相逆變器的輸出相位都需要錯開120度，
才可以為三相負載供應連續且均衡的電力。
二、三相逆變器的架構
那如果選擇用單相逆變器實現三相交流，就需要配置3個單相逆變器，
考慮到每個單相逆變器需要4個開關，總共需要12個開關來實現。
然而，利用三相交流的特性，
我們可以採用更為簡便的方法——使用三相逆變器電路。
在三相逆變器電路中，只需6個開關就能完成相同的功能。
而連到Za (U)的S1與S2是一對，Zc (V)的S3與S4是一對，Zb (W)的S5與S6是一對。
如果你有機會看到三相馬達的驅動器的話，下圖中的粗體字P、N、U、V、W就會是驅動器上的端子，
則我們會稱呼S1與S2分別為U上臂與U下臂，S3到S6以此類推。
這些開關的動作原理與單相逆變器相似（在全橋式逆變器是什麼的文章提到），例如：
- 當S1處於ON狀態時，S2則必須處於OFF狀態（也就是上下臂不能同時導通！S3與S4、S5與S6一樣）
- P的電位（與基準N間的電壓）為E。
通過這樣的設計，三相逆變器不僅簡化了電路的複雜度，同時也提高了效率和可靠性。
這種設計使三相逆變器成為工業應用中供電系統的理想選擇，尤其是在要求高功率和高效率的場合。
三、三相逆變器的原理
承上圖的三相逆變器搭配Y接負載。這個逆變器透過S1~S6六個開關的有序切換來模擬三相交流電源，開關的動作順序被劃分為三組：S1S2、S3S4、S5S6，每組開關動作間隔120°以確保均勻的相位分配。
也就是說，同一相上下兩臂不會同時ON，且各相開始ON/OFF的時間點在角度上相差120°。所以在任一時刻，會有三個開關（三臂）同時ON。
每組開關ON/OFF的比例皆為1:1，而ON+OFF為一個週期，一個週期是360°。舉例來說，右圖的開關動作，以60度來劃分每一段的話：當S1為ON（S2必為OFF），S4與S6為ON。
接著，下一段60度週期時，S1仍保持ON，S3與S6為ON。
再下一段60度週期時，S1切換為OFF（S2必為ON），S3與S5為ON……，以此類推。
這樣的開關動作順序保證了負載能夠連續且穩定地接收三相電。
通過這種方式，逆變器能夠有效地模擬出穩定的三相電流，供給至各類三相負載，使其在不同工業應用中能夠廣泛應用。
接下來，我們來看三相逆變器的相電壓與線電壓：
相電壓
當S1為ON時，U電位為E，S1為OFF時，U電位為0。
同理，當S3為ON時，V電位為E；當S5為ON時，W電位為E。
而且各點電位每隔180°進行ON/OFF的切換（在0和E之間切換）。
線電壓
線電壓U-V是由點U的電位減去點V的電位計算得出，其他以此類推。
根據開關的不同狀態，U-V線間電壓會在+E、0和-E之間變化。（各相之間的線電壓相位差為120°）
這種週期性的正負變化使得線電壓能夠模擬交流電的波形。
這種電路的動作方式，產生的電壓電流結果與全橋式逆變器是什麼提到的逆變器相同，都是方波。
此外，開關S1~S6的實際組成也跟單相逆變器一樣：IGBT與二極體以反並聯連接，如下圖。
四、重點整理
實際三相逆變器的應用架構是直流電源、IGBT與二極體，以及三相負載。
1. 三相逆變器是將輸入的直流電轉換為三相交流電的電路。就像單相逆變器一樣，它也從電池取得直流電源，或者更常見的是透過整流器。
2. 三相逆變器類似於全橋逆變器，但它有六個臂，輸出端的三端UVW分別位於上下兩臂的中點。
3. 取兩兩之間的電壓差就可以得到三相電所需的三個相電壓。
4. 同一相上下兩臂交替ON/OFF，任一瞬間有三個臂同時ON，一上臂二下臂或二上臂一下臂。
5. 每臂ON與OFF各為180°。各相開始ON/OFF（UVW相電壓來看）的角度差120°。
6. 根據三組共六個開關的開通順序，三相逆變器可以得到一組振幅相等、頻率相等、相位相差120°的三相電訊號。
如果想要再深入細節，各位可以看這兩部教學影片：
（開關的快速切換實際上是在「換流」——改變電流的流動方向和方式，從而模擬出交流電的波形。在同一相上下兩臂之間進行，也稱為縱向換流。）