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來源：貿澤電子 生活中我們常見的電源轉換以DC-DC、AC-DC居多，隨著綠色能源的發展，將DC轉換為AC的應用逐漸多了起來。例如，在并網太陽能系統中，太陽能電池板產生直流電，而交流電在輸送過程中可以實現高效的能量分配，更適合長距離輸電，因此，借助DC-AC轉換技術，方可順利實現太陽能與現有電網的并網發電。 將DC轉換為AC的重要性 直流-交流轉換器（也被稱為“逆變器”）主要有三個特點： 一是它們允許為交流電源設計的設備與直流電源（如電池）一起使用。這對于便攜式電子設備或離網電力系統特別有用。 二是轉換器使產生的電力能夠與產生直流電的電力系統中的傳統交流設備一起使用，例如太陽能電池板或風力渦輪機。 三是它們為電力系統提供了靈活性，允許不同類型的電源和負載一起使用。 在許多情況下，我們需要將直流電轉換為交流電。 01、在可再生能源系統中，太陽能電池板產生的是直流電，為了實現與公共電網的并網發電，需要經過逆變器將直流電轉換為交流電。 02、在家用和辦公環境中，因大多數家用和辦公設備如電視、電腦、冰箱、空調和其他設備都使用交流電，若使用電池或太陽能電池板等直流電源，同樣需要將直流電轉換為交流電才能運行這些電器。 03、在不間斷電源（UPS）的應用中，UPS常用于在停電時為計算機和其他敏感設備提供電源備份，因這些設備大多使用交流電，而UPS中的電池提供的是直流電源，故在使用中UPS的輸出也需要轉換成交流電。 逆變器中的主要組件 為了將直流電轉換為交流電，逆變器是必不可少的設備。逆變器的關鍵部件包括逆變器、H橋電路和晶體管，所有這些都在轉換過程中發揮著至關重要的作用。 逆變器是一種復雜的設備，可以將電池或其他電源的直流電轉換成大多數電器所需的交流電，而H橋電路和晶體管則控制著電流的流動和方向。逆變器通常利用某種形式的H橋電路來改變直流電的極性。在大多數情況下，需要放大較低電壓的直流電流，以匹配其將提供的交流電壓。下面我們就來看一下H橋的工作原理： 如圖1所示，H橋由四個開關組成，這些開關可用于通過H形電路切換負載的極性，因此電流可根據開關方向沿任意方向流過。 
圖1：一個簡單的H橋電路可以用來有效地切換直流極性（圖源：網絡） 一個基本的H橋可以提供特定頻率的交流電，但功率輸出的波形與電網應提供的波形不同。 當直流電源極性通過H橋切換時，產生的波形為方波。對于一些應用，只要頻率在適當的范圍內，方波形狀的交流電也是可以使用的。不過，對于更敏感的電氣設備和AC電機的操作來說，方波可能是有問題的，甚至會損壞設備。這些敏感電子設備只能使用純正的正弦交流波才能正常工作并保證使用壽命。 由于基本H橋在技術上只向前或反向切換電壓，因此在沒有添加組件的情況下，它們無法直接輸出正弦波形。逆變器產生的三種最常見波形分別是方波、改進型正弦波和純正弦波，每個逆變器的成本與它們能實現正弦交流波形的程度直接相關。根據可以產生的交流電類型逆變器分為三個類型： 01 方波逆變器 方波逆變器是一種輸出波形為方波的DC-AC轉換器，通過H橋快速切換直流輸入電壓來產生交流電。這種類型的逆變器通常用于低功率應用，如為筆記本電腦、智能手機和電燈等小型電子設備供電。方波逆變器不適用于需要純正弦波輸出的敏感設備，因為它們會將諧波和失真引入到電氣系統中。方波逆變器是最簡單的逆變器設計，與其他類型的逆變器相比，低成本和較高的效率是它的特點。 02 改進型正弦波逆變器 改進的正弦波逆變器使用H橋電路和高速開關來產生一個階梯狀波形，其形狀更接近正弦波，但仍然不是完全的正弦波。與純正弦波逆變器相比，改進的正弦波逆變器更具成本效益。對于許多應用，這種類型的交流電源是可接受的，并且可以與大多數電子設備和電機應用一起使用。即便如此，當由改進的正弦波逆變器供電時，一些電氣設備仍然無法有效運行，甚至可能損壞。 03 純正弦波逆變器 純正弦波逆變器的工作原理與改進型正弦波逆變器相同，但需要額外的電子元件來細化和平滑波形，從而產生與公用電網平滑一致的正弦波，這個額外的電子元件就是LC電路。一個基本的LC電路由電感器（L）和電容器（C）組成，它們可以作為電諧振器來將階梯狀波形平滑成電網中的正弦波。與改進型正弦波或方波逆變器相比，純正弦波逆變器產生的電力提供了低總諧波失真（THD）的高質量電源，適用于所有類型的電子設備和電器，但轉換效率可能要低于其他類型的逆變器。 選擇合適的逆變器設計方案 逆變器的效率主要取決于設計方法和質量。高質量的轉換器效率大約為85-90%，由于系統中存在的熱量、布線和其他電子部件，有可能會導致一定的能量損失。因此，選擇合適的逆變器對于電氣系統的高效運行至關重要。以下是做出決定時需要考慮的一些重要因素： 功率要求和負載容量。確定設備的功率要求，并確保轉換器能夠處理最大負載，選擇與電力需求相匹配的轉換器以避免系統過載或利用不足很重要。 轉換器的效率。評估各種轉換器的效率額定值，尋找具有更高額定效率的轉換器，才能確保最佳的能量轉換。 與特定應用需求的兼容性。不同的應用可能對其電源有特定的要求。例如，一些應用可能改進型正弦波輸出就能滿足需求，而另一些應用可能需要純正弦波輸出。轉換器的選擇要能夠在合理成本基礎上兼顧各種應用需求，避免出現兼容性的問題。 下面我們就以太陽能逆變器為例來聊一聊怎樣才能找到一款合適的逆變器設計方案。 太陽能逆變器是太陽能光伏系統的重要組成部分，它可將太陽能電池板產生的直流電轉換為交流電，用于為我們的家庭和企業供電。通過有效的能源轉換，太陽能逆變器在最大限度地提高能源生產和確保與電網無縫集成方面起著關鍵作用。根據應用，市場上既有家用的幾瓦和幾千瓦的逆變器，也有商用和電站級大型項目使用的幾兆瓦的大型太陽能逆變器。根據實現拓撲，光伏逆變器又可分為微型逆變器、組串式逆變器或集中式逆變器等。通常，單臺逆變器功率為5KW到200KW，將逆變器并聯后，總功率可達到20MW。 組串式逆變器基于兩級電路轉換。首先，DC / DC變換單元將可變直流電壓轉換為固定直流電壓，同時通過最大功率點追蹤（MPPT）技術從光伏板中提取最大功率。然后，DC / AC變換單元將直流電轉換成與電網兼容的交流電。大部分逆變器采用無變壓器或非隔離變壓器設計。一般而言，兩電平拓撲或三電平拓撲（三相組串式）都可用于光伏系統實現功率轉換，然而三相組串式因效率更高更受市場歡迎。 由英飛凌公司提供的三相組串式逆變器設計方案支持高達200KW的功率，產品中包含英飛凌CoolSiC Easy模塊和三電平Easy模塊，可實現出色的功率密度和高制造便利性。Easy模塊包含EasyPIM、EasyPACK和EasyDUAL，涵蓋600V/650V/1200V電壓，6A至200A電流的全功率范圍。在工作過程中，所有功率開關都需要與之配合的柵極驅動器，而所有柵極驅動器都需要相應的控制。為此，英飛凌還為逆變器設計方案提供了相應的EiceDRIVER柵極驅動器以及XMC微控制器。
圖2：三相組串式逆變器系統框圖（圖源：Infineon） 集中式逆變器通�；趩渭壒β兽D換，大部分逆變器采用變壓器設計或隔離變壓器設計。在直流轉交流階段，可變直流電可以轉換成與電網兼容的交流電，額定功率從600 KW到3,000KW不等。 英飛凌提供的單臺集中式逆變器額定功率高達1,000KW，將多臺逆變器并聯起來，可實現3,000KW的逆變解決方案。方案中的相關產品包括EconoDUAL3模塊和62mm模塊。其中，EconoDUAL 3主要面向中等功率應用，采用了先進的 TRENCHSTOP IGBT7或IGBT4技術，支持600V / 650V / 1,200V和1,700V電壓等級，從100A到900A的完整電流范圍。 為了滿足光伏逆變器的市場需求，英飛凌還推出了帶有標準半橋和共發射極配置的600A / 1,200V 62mm模塊，這些模塊的電流密度增加33%，有助于大幅提高逆變器系統的功率密度。62mm模塊既有650V電壓下300A - 400A的電流范圍，也有1,700V電壓下150A - 600A的電流范圍可供選擇，確保逆變器的成功設計。
圖3：集中式逆變器系統框圖（圖源：Infineon） 結語 交流電是大多數住宅和商業建筑中使用的標準電力形式，逆變器在為這些設置中的各種應用提供AC功率方面起著至關重要的作用。對于依賴于太陽能電池板或風力渦輪機等綠色能源的應用而言，高效的逆變器是不連接到主電網的這些離網電力系統中的重要組件，市場呈現穩步增長的趨勢。 據Business research insights預計，2021年，全球儲能直流和交流電力轉換系統（PCS）市場規模為8.64億美元，預計到2031年，市場規模將達到11.57億美元，預測期內復合年增長率為27.37%。隨著電子技術的普及以及可再生能源的增加，逆變器已成為當今電氣系統的重要組成部分，在滿足世界不斷變化的能源需求多樣性方面其作用越來越突出。 |
