逆变器的工作原理是通过功率半导体开关器件的开通和关断作用,把直流电能变换成交流电能的。单相逆变器的基本电路有推挽式、半桥式和全桥式三种,虽然电路结构不同,但工作原理类似。电路中都使用具有开关特性的半导体功率器件,由控制电路周期性地对功率器件发出开、关脉冲控制信号,控制各个功率器件轮流导通和关断,再经过变压器耦合升压或降压后,整形滤波输出符合要求的交流电。
1、半桥式逆变电路
半桥式逆变电路原理。该电路由两只功率开关管、两只储能电容器和耦合变压器等组成。该电路将两只串联电容的中点作为参考点,当功率开关管vt1在控制电路的作用下导通时,电容c1上的能量通过变压器初级释放,当功率开关管vt2导通时,电容c2上的能量通过变压器初级释放,vt1和vt2的轮流导通,在变压器次级获得了交流电能。半桥式逆变电路结构简单,由于两只串联电容器的作用,不会产生磁偏或直流分量,非常适合后级带动变压器负载。但该电路工作在工频(50hz或者60hz)时,需要较大的电容容量,使电路的成本上升,因此该电路更适合用于高频逆变器电路中。
2、全桥式逆变电路
全桥式逆变电路原理。该电路由四只功率开关管和变压器等组成。该电路克服了推挽式逆变电路的缺点,功率开关管vt1、vt4和vt2、vt3反相,vt1、vt3和vt2、vt4轮流导通,使负载两端得到交流电能。为便于理解,用等效电路对全桥式逆变电路原理进行分析。图中e为输入的直流电源,r为逆变器的纯电阻性负载[等效于变压器b的原边],开关k1~k4等效于vt1~vt4。当开关k2、k4断开,k1、k3接通时,电流流过k1、r、k3,负载r上的电压极性是左正右负;当k1、k3断开,k2、k4接通时,电流流过k2、r和k4,负载上的电压极性反向。若两组开关k1、k3和k2、k4以频率f交替切换工作t=1/f。
3、推挽式逆变电路
推挽式逆变电路原理。该电路由两只共负极连接的功率开关管和一个初级带有中心抽头的升压变压器组成。升压变压器的中心抽头接直流电源正极,两只功率开关管在控制电路的作用下交替工作,输出方波或三角波的交流电力。由于功率开关管的共负极连接,使得该电路的驱动和控制电路可以比较简单,另外由于变压器具有一定的漏感,可限制短路电流,因而提高了电路的可靠性。该电路的缺点是变压器效率低,带感性负载的能力较差,不适合直流电压过高的场合。
上述几种电路都是逆变器的最基本电路,在实际应用中,除了小功率光伏逆变器主电路采用这种单级的(dc-ac)转换电路外,中、大功率逆变器主电路都采用两级(dc-dc-ac)或三级(dc-ac-dc-ac)的电路结构形式。一般来说,中、小功率光伏系统的太阳能电池组件或方阵输出的直流电压都不太高,而且功率开关管的额定耐压值也都比较低,因此逆变电压也比较低,要得到220v或者380v的交流电,无论是推挽式还是全桥式的逆变电路,其输出都必须加工频升压变压器,由于工频变压器体积大、效率低、笨重,因此只能在小功率场合应用。