单相全桥逆变电路是电力电子技术中一种基础且广泛应用的DC-AC转换拓扑。它能够将直流电（DC）转换为交流电（AC），在各种电力转换场景中扮演着核心角色。理解其工作原理、结构特点以及如何进行有效控制，对于电力电子工程师和相关领域的技术人员至关重要。
一、单相全桥逆变电路是什么？
1.1 核心定义与功能
单相全桥逆变电路，顾名思义，是一种用于将单向直流电源转换成单相交流电源的电子电路。其“全桥”结构指的是电路中使用了四个开关器件（通常是MOSFET或IGBT），这些器件连接成一个H形桥式拓扑，因此也常被称为H桥逆变器。
- 主要功能： 将恒定的直流电压（如电池、太阳能电池板或整流后的直流母线电压）转换为可控的交流电压，通常是标准的正弦波或准方波。
- 输出特性： 能够产生正负两个方向的交流电压，从而形成完整的交流波形。
1.2 主要构成要素
一个典型的单相全桥逆变电路主要由以下几个部分组成：
- 功率开关器件（Power Switches）： 四个自关断的半导体开关，如MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）或IGBT（绝缘栅双极晶体管）。它们通常分为两组，每组两个，形成两个“桥臂”。
- 续流二极管（Anti-parallel Diodes）： 每个功率开关器件内部或外部并联一个反并联二极管，用于在感性负载下为电流提供续流通道，保护开关器件。
- 直流母线电容（DC Link Capacitor）： 连接在直流输入端，用于平滑直流电压、储存能量，并为逆变器提供低阻抗的直流源。
- 输出滤波器（Output Filter）： 通常是一个LC（电感-电容）滤波器，用于滤除开关频率的谐波成分，使输出电压波形更接近纯正弦波。
- 控制电路（Control Circuit）： 产生精确的开关脉冲信号（如PWM信号），驱动四个功率开关器件按特定时序导通和关断。这部分包括微控制器（MCU）、DSP、比较器等。
- 隔离栅极驱动器（Isolated Gate Drivers）： 用于隔离控制电路与主电路，并提供足够的电压和电流来驱动功率开关器件的栅极。
二、为什么要选择单相全桥逆变电路？
2.1 相较于半桥逆变电路的优势
在单相逆变应用中，全桥拓扑相对于半桥拓扑具有显著的优势：
- 更高的输出电压： 全桥逆变器可以直接将直流母线电压全部应用于负载，输出交流电压峰值可达到直流母线电压的近似值。而半桥逆变器需要将直流母线电压分为两部分，其输出交流电压峰值最大只能达到直流母线电压的一半。这意味着在相同输出电压要求下，全桥逆变器所需的直流输入电压更低，或者在相同直流输入下能提供更高的输出电压。
- 无需分裂直流母线： 半桥逆变器需要一个中点抽头的直流电源（或通过两个大电容串联来模拟），而全桥逆变器可以直接使用一个独立的直流电源，简化了电源设计。
- 更好的直流电压利用率： 全桥电路能更有效地利用直流电源的电压，无需额外的降压或升压环节就能达到较高的输出电压。
- 更易于实现双极性PWM： 全桥拓扑天然支持双极性脉宽调制（Bipolar PWM），这在某些控制策略中能够有效降低输出谐波含量，简化输出滤波器的设计。
2.2 潜在的劣势考量
尽管优势明显，全桥逆变电路也并非完美无缺：
- 更多的开关器件： 需要四个功率开关，而半桥只需要两个。这增加了电路的复杂性、成本，并可能带来更多的导通损耗和开关损耗。
- 更复杂的栅极驱动： 四个开关器件需要四路独立的栅极驱动信号，且其中两路通常是浮地的（High-side drivers），这增加了驱动电路的复杂度和成本。
- 潜在的直通风险： 相邻桥臂上的开关器件（如S1和S2）若同时导通，将导致直流母线短路，形成“直通”（shoot-through），可能损坏器件。因此，必须精确控制开关时序，并引入“死区时间”。
三、单相全桥逆变电路在何处应用？
单相全桥逆变电路因其优异的性能和灵活的控制能力，在众多电力电子应用中发挥着关键作用：
- 不间断电源（UPS）： 在线式和后备式UPS的核心拓扑，将电池的直流电转换为稳定的交流电，为负载提供持续供电。
- 光伏逆变器： 将太阳能电池板产生的直流电转换为交流电，可用于离网供电或并网发电。
- 变频器/电机驱动： 虽然三相逆变器更常见于电机驱动，但单相全桥逆变器也用于驱动小型单相交流电机，实现调速控制。
- 感应加热电源： 用于将直流电转换为高频交流电，驱动感应线圈产生电磁场，加热金属工件。
- 车载逆变器： 将汽车12V/24V直流电转换为家用220V/110V交流电，为车载电器供电。
- 储能系统： 在电池储能系统中，用于将电池直流电转换为交流电，供家庭或电网使用。
- 医疗设备： 需要高可靠性和纯净交流输出的医疗设备电源。
四、关键性能参数与“多少”考量？
4.1 主要性能指标
评估单相全桥逆变电路的性能，需要关注以下几个关键参数：
- 输出电压与电流等级： 额定交流输出电压（如220V、110V）、最大输出电流和功率（VA或W）。
- 效率（Efficiency）： 衡量输入直流功率有多少能有效转换成输出交流功率，通常在85%到98%之间，受开关损耗、导通损耗、滤波器损耗等影响。
- 总谐波失真（THD）： 衡量输出交流电压波形与理想正弦波的接近程度。对于高质量逆变器，THD通常要求小于5%，甚至小于3%。
- 开关频率（Switching Frequency）： 功率开关器件的开关频率，影响输出滤波器的体积和成本（频率越高，滤波器越小），但也增加开关损耗。通常在几kHz到几十kHz，高频应用可达上百kHz。
- 动态响应速度： 逆变器对负载变化或输入电压变化的响应速度，影响输出电压的稳定性。
- 功率因数（Power Factor）： 对于带感性或容性负载的逆变器，其输出功率因数可能不同于单位功率因数。
- 直流母线电压范围： 逆变器能够正常工作的直流输入电压范围。
- 保护功能： 包括过流保护、过压保护、欠压保护、过温保护、短路保护等。
4.2 损耗与热管理
“多少”损耗是设计时需要重点考虑的。损耗主要来源于：
- 开关损耗（Switching Losses）： 在开关器件导通和关断过程中产生的损耗，与开关频率和器件特性（上升/下降时间）相关。
- 导通损耗（Conduction Losses）： 开关器件导通时由于导通电阻（MOSFET）或饱和压降（IGBT）产生的损耗，与输出电流大小相关。
- 二极管损耗： 续流二极管的导通损耗和反向恢复损耗。
- 滤波器损耗： 电感线圈的铜损和铁损，电容的介质损耗。
- 控制电路损耗： 控制板、驱动器等自身的功耗。
有效的热管理（散热器、风扇等）是确保器件可靠工作和系统效率的关键。
五、单相全桥逆变电路如何工作？
5.1 基本开关模式（方波输出）
最简单的全桥逆变器工作模式是生成方波。其基本时序如下：
- 正半周： 开关S1和S4同时导通，电流从直流正极流经S1、负载、S4，回到直流负极。负载两端产生正向电压。
- 负半周： S1和S4关断后，经过一个短的死区时间，开关S2和S3同时导通，电流从直流正极流经S2、负载、S3，回到直流负极。负载两端产生反向电压。
- 周期性重复： 通过交替导通S1/S4和S2/S3，即可在负载上形成一个交变的方波电压。
这种方法简单，但输出方波含有大量谐波，通常不适用于对波形质量要求高的场合。
5.2 脉宽调制（PWM）控制技术
为了获得接近正弦波的输出电压，并实现对输出电压有效值的控制，通常采用PWM技术。全桥逆变器常用的PWM策略有两种：
5.2.1 单极性脉宽调制（Unipolar PWM）
这是全桥逆变器最常用和推荐的PWM策略之一。
- 工作原理： 在一个交流半周期内，一个桥臂（例如S1/S2）以高频开关，而另一个桥臂（S3/S4）保持直流电压极性不变（一个导通，另一个关断）。在下一个交流半周期，另一桥臂高频开关，而第一个桥臂保持极性不变。
- 正半周： S4保持导通，S3保持关断。S1和S2进行互补高频开关（S1开，S2关；S1关，S2开，但需死区）。当S1导通时，输出为+Vdc。当S2导通时，输出为0（通过S2和S4形成环路）。
- 负半周： S1保持导通，S2保持关断。S3和S4进行互补高频开关。当S3导通时，输出为-Vdc。当S4导通时，输出为0。
- 优点：
- 输出电压的等效开关频率是调制频率的两倍，这意味着谐波成分集中在更高的频率，更容易滤除。
- 在半个周期内，输出电压在零和正/负峰值之间切换，没有正负之间的直接跳变，因此输出谐波含量较低，尤其是在低次谐波方面。
- 对输出滤波器要求较低。
5.2.2 双极性脉宽调制（Bipolar PWM）
- 工作原理： 两个桥臂都进行高频开关。在任何时刻，对角线的开关对（S1/S4或S2/S3）互补导通，同时对另对角线开关对进行高频PWM控制。
- 例如，在正半周，S1和S4同时导通产生正电压，或S2和S3同时导通产生负电压。通过PWM调节S1/S4导通时间与S2/S3导通时间的比例，来合成平均输出电压。
- 在整个周期内，输出电压在+Vdc和-Vdc之间切换。
- 优点：
- 控制逻辑相对简单，通常只需一路载波和一路调制波进行比较。
- 在某些情况下，可以简化死区时间的处理（因为它总是在正负Vdc之间切换）。
- 缺点：
- 输出电压直接在正负Vdc之间快速切换，导致输出电压的谐波含量较高，尤其在低次谐波方面。
- 等效开关频率与调制频率相同，对输出滤波器要求较高，滤波器体积可能较大。
5.3 死区时间（Dead Time）的引入
死区时间是逆变电路中一个至关重要的概念。
为了防止同一桥臂上的两个开关器件（如S1和S2）因控制信号的传播延迟或关断时间不一致而同时导通，从而引起直流母线短路（即“直通”），在其中一个器件关断后，必须等待一个短暂的时间间隔（通常是几百纳秒到几微秒），再导通另一个器件。这个时间间隔就是死区时间。
如何引入： 死区时间通常由栅极驱动电路或微控制器（MCU/DSP）的PWM模块硬件/软件设定。
影响： 死区时间过短会导致直通；死区时间过长则会引起输出波形失真（“死区效应”），降低输出电压有效值，并增加谐波。因此，精确设定合适的死区时间是设计成功的关键。
5.4 输出滤波与电压闭环控制
为了将PWM产生的方波或准方波电压转换成高质量的正弦波，必须使用输出滤波器。最常见的是LC低通滤波器。其设计需要考虑：
- 截止频率： 远低于开关频率，但高于基频。
- 电感值（L）和电容值（C）： 影响滤波效果、体积、成本和动态响应。
- 寄生电阻： 会造成损耗和效率下降。
同时，为了应对负载变化、直流母线电压波动等因素引起的输出电压变化，通常需要引入电压闭环控制。通过采样输出电压，与给定参考值进行比较，然后利用PI（比例-积分）控制器或PR（比例-谐振）控制器调节PWM信号的占空比，使输出电压稳定在设定值。
六、如何优化与排查单相全桥逆变电路？
6.1 常见故障与排查思路
- 直通（Shoot-through）：
- 现象： 瞬间大电流，器件损坏，甚至保险丝熔断。
- 排查： 检查栅极驱动信号是否正常，死区时间是否设置正确且足够长；检查驱动芯片或功率器件是否损坏。
- 输出波形失真/谐波过大：
- 现象： 输出电压波形不纯净，非正弦波，THD值高。
- 排查： 检查PWM调制波形和载波是否正确；检查输出滤波器参数是否合理，有无饱和；检查闭环控制参数是否稳定；检查死区时间是否过长。
- 输出电压不稳或无法调节：
- 现象： 输出电压波动大，或无法达到额定值。
- 排查： 检查闭环控制反馈信号是否正确；控制器参数（如PI参数）是否调优；直流母线电压是否稳定；负载是否超出额定范围。
- 功率器件过热/损坏：
- 现象： 散热器温度过高，器件烧毁。
- 排查： 检查开关损耗和导通损耗是否过大（开关频率过高、负载过重）；散热设计是否充分；栅极驱动是否到位（驱动电压不足或波形失真会导致开关损耗增加）。
- 噪声和电磁干扰（EMI）：
- 现象： 电路板或周围设备受到干扰，产生异常声音。
- 排查： 检查PCB布局是否合理，尤其功率环路面积是否最小化；是否有足够的去耦电容；是否使用了共模/差模滤波器。
6.2 性能优化策略
为提高单相全桥逆变电路的性能、效率和可靠性，可以考虑以下优化措施：
- 选择合适的功率器件： 根据功率等级、开关频率和效率要求，选择具有低导通电阻、低开关损耗、快速开关速度和合适电压/电流裕量的MOSFET或IGBT。
- 优化PWM策略： 采用单极性PWM而非双极性PWM，以降低输出谐波和滤波器要求。
- 精确的死区时间控制： 通过实验和计算确定最佳死区时间，平衡直通风险和波形失真。高级的驱动芯片甚至具备自适应死区时间功能。
- 优化的滤波器设计： 根据开关频率、THD要求和动态响应需求，精确计算LC滤波器参数，并选用高质量的电感和电容。
- 高效的栅极驱动电路： 提供足够大的峰值电流以快速充放电栅极电容，确保功率器件快速开通和关断，减少开关损耗。同时，保证驱动信号的抗干扰能力和可靠的电平转换。
- PCB布局优化：
- 最小化功率环路面积，特别是DC-link电容到开关管的环路，以减少寄生电感。
- 合理安排驱动回路，使其远离高噪声功率回路。
- 做好地平面设计，减少共模干扰。
- 先进的控制算法： 除了PI/PR控制器，还可以考虑引入前馈控制、谐振补偿等，以提高动态响应和稳态性能。
- 热管理设计： 合理选用散热器、风扇，并优化器件布局，确保所有功率器件在允许的温度范围内工作。
- 保护功能完善： 设计全面的过流、过压、欠压、过温、短路保护，确保系统在异常情况下能够安全关断。
通过深入理解单相全桥逆变电路的各个方面，并结合实际应用需求进行精细设计和优化，可以构建出高效、稳定、可靠的电力转换系统。
