逆变器的逆变原理和NMOS选型

FCD----逆变器的逆变原理

引言：逆变器，inverter，即将直流电DC转转换为交流电AC的装置，小功率输出的可以由集成方案解决，功率稍大的都是采用分立方案，本节主要简述分立式逆变器的逆变原理，集成式同理。

1.逆变原理

如图5-1所示是逆变器的核心拓扑结构--->全桥逆变，由四个同规格NMOS（驱动更简易）组成。直流电压转换成交流电压，我们知道，电流的流向可以决定电压的方向，那么首先就需要以一定的频率不断改变电流流向，自然就会生成方向也不断改变的电压，这时交流电就产生了。

图5-1：全桥逆变拓扑

2.逆变过程

如图5-2为Q1、Q4导通，Q2、Q3关断时的电流流向，对于中间Rload来说，设定此时的电流为正向电流。

图5-2：全桥逆变器正向工作电流流向

如图5-3为Q2、Q3导通，Q1、Q4关断时的电流流向，对于中间Rload来说，设定此时的电流为反向电流。

图5-3：全桥逆变器反向工作电流流向

在如图5-2和图5-3所示的不停的开关切换中，直流电就变成了交流电，但却是方波交流电，如图5-4所示。红色矩形电压波为正向电流方向时产生，蓝色矩形电压波为反向电流方向时产生，方波交流无法直接用来驱动负载，因为电压一直突变，会影响负载的寿命，所以需要将方波交流电转换成正弦交流电，即将红蓝矩形波形转换成绿色正弦波形。

图5-4：全桥逆变器工作电压波形

矩形波变成正弦波，这就需要在半个正弦周期内增加开关频次，即矩形波的数量，图5-1中一个正弦波周期只有两次开关切换，实际上一个正弦波周期里面有许多次开关切换，如图5-5所示，以半个正弦波周期为例，此时均为正向电流，电压方向不变，Q2、Q3保持关断，Q1、Q4间歇导通与关断，导通与关断的时间和次数决定半个周期内蓝色矩形波的宽度和数量，开关宽度可调，平均值下来就接近正弦交流电，最后通过旁路的平滑电容Cout，将波形变得更加平滑。

图5-5：全桥逆变器工作电压波形

将四个开关分为两组，Q1、Q4为一组，Q2、Q3为一组，从上面的逆变过程中我们可以得出，输出的主体交流电频率由两组NMOS开关决定，以50HZ交流电为例，50HZ交流电周期T=1/f=0.02S，其中正向0.01S，负向0.01S，那么对应到Q1、Q4和Q2、Q4上，Q1、Q4大频率f1是50HZ（1/（导通0.01S+关断0.01S）)，Q2、Q3大频率f1也是50HZ（1/（导通0.01S+关断0.01S）)，两组相位差90°。以Q1、Q4一个周期为例，关断期间一直关闭，导通期间为间歇导通，所以这里面也有一个二级频率f2。归纳为大频率f1决定输出的交流电频率，二级频率f2决定输出交流电的峰-峰值和矫正矩形波为标准正弦波。（开关方式降低高DC电压的机理，传送门：DC-DC-1：DC-DC的原理以及构成）

图5-6：50HZ周期示例

3.NMOS选型

搭建一个分立式逆变系统，NMOS的选型至关重要，除了常规的VGSS、IDSS、RDSON，还需要关注其动态参数，例如在电磁感应式无线充电中，工作频率在几百KHZ，而共振式无线充电，工作频率在7MHZ附近，这就为NMOS的动态特性提出了要求，包括导通关断延时，较低的开关损耗，基准开关性能（极低的Rdson×Qg和Rdson×Qgd），高频率工作状态下良好的EMI表现（集成阻尼网络）。如图5-7和图5-8，可以比较一下其参数，因为共振式工作频率更高，所以其Gate charge characteristics参数更加优秀，驱动损耗更低，驱动速度更快。

图5-7：应用于感应式的NMOS：BSC0996NS

图5-8：应用于共振式的NMOS：BSZ0909ND

所以逆变器的MOS选型依据有如下几点：

1.基本VDSS、IDSS、Rdson参数。

2.根据MOS工作的最大频率（1.5×fsw）选择QG、QGD。

3.根据MOS工作的最大频率（1.5×fsw）评估Raise time、Fall time、Td、Toff。