整流和逆变:直流和交流相互转化的桥梁
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直流电与交流电是可以相互转化的。交流电转化为直流电的过程叫做整流;而直流电转化交流的过程叫做逆变,整流和逆变是互逆的过程。整流的过程以整流桥作为关键元器件;而逆变的过程主要以MOS管作为关键元器件。下面从研发的角度介绍一下整流和逆变的原理。
交流电转化为直流电的工作原理:整流
这个过程叫做整流,整流主要是通过整流桥来实现的,从实现原理上来分,具有三种整流方式,分别为半波整流、全波整流以及桥式整流。这三种整流方式的区别主要体现在变压器、二极管数量以及波形输出上。
半波整流原理
半波整流只需要用到一只整流二极管,利用交流电的方向性和二极管的单向导电特性,二极管只在半个周期内导通,另外半个周期截止。半波整流的原理框图如下图所示。
上图中,二极管在正半周期内导通,在负半周期内截止,所以正半周期的波形保留,而负半周期的波形被削掉,从而使得波形的情况如下图所示。从半波整流的波形上可以看出,整流效率太低,所以这种整流方式只用在小功率的应用中。
全波整流原理
与半波整流相比,全波整流有两处不相同的地方,1)全波整流需要用到两只二极管;2)全波整流所用的变压器需要带中间抽头。在正半周期内,上二极管导通,下二极管截止;在负半周期内上二极管截止,下二极管导通。所以,可以看作是两个半波整流的叠加。全波整流的电路原理框图如下图所示。
由于在每半个周期内都有二极管导通,所以在负半周期时的波形也被翻转上去,从而形成了所谓的馒头波,如下图所示。
桥式整流原理
桥式整流是最常用的整流原理,主要通过整流桥来实现。整流桥由四只二极管组成,在每半个周期内具有两只二极管同时导通,所以负半周期的波形也会被保留翻转。其实现的电路原理框图如下图所示。其波形与全波整流的波形在最终的结果上一致。
开关电源、手机充电器等都是通过桥式整流来实现交流转化为直流的,桥式整流是应用最广的整流方式。
直流电转化为交流电的工作原理:逆变
蓄电池、干电池、太阳能电池板等都是直流输出的设备,利用这些直流电源向交流负载供电时,就需要用到逆变器。逆变器的作用就是将直流转化为交流,这个过程叫做逆变,需要用到逆变电路。逆变一般通过MOS管来实现,从原理上可以分为半桥逆变电路和全桥逆变电路。以全桥逆变为例,介绍逆变的过程。
全桥逆变主要由四个MOS管构成,有两个桥臂,在工作时每个桥臂不能同时导通,对边桥臂导通。上图是T1和T3同时导通时的电流流向。下图是T4和T2同时导通时的电流流向。
在MOS管的门极,由控制板所输出的PWM信号来控制,通过改变方波的占空比可以实现正弦波幅度的控制,这里在程序上涉及到比较复杂的矢量控制/磁场导向控制FOC。原理如下动态图所示。
整流和逆变的总结
将交流转化为直流的过程叫做整流,整流电路在开关电源、充电器、配电柜中应用广泛;将直流转化为交流的过程叫做逆变,在光伏发电、BLDC控制等应用广泛。
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