将直流电转为极性周期改变的交流电，直流电源能向交流负载提供能量，即直流→交流。

图4-106 电压型三相半桥式PWM整流电路波形

图4-107 电压型三相SPWM整流电路的控制框图

图4-108 典型单端谐振逆变器原理和工作过程

1.基本拓扑

电压源输入单端逆变器用串联谐振的负载，用反向导通的功率开关实现零电流开通、零电压关断，见图4-108。适当负载匹配后产生谐振，用谐振电压/电流极性改变的性质，由变压器将交流形式的电能耦合、传输到负载。用负载谐振换流，使输出交流电压频率和器件开关频率一致。器件电压、电流峰值大，负载电压畸变大。用于感应加热、家用电热器等小输出功率、频率高、对输出谐波要求不高的场合。

2.推挽逆变电路

典型推挽逆变电路见图4-109，电源经1个三绕组变压器和2个功率开关交替向负载供电，通过变压器绕组同名端和开关时序安排，输出电压极性在1个输出周期中改变1次或多次。变压器存在非理想特性，漏感储能导致推挽机构功率开关耐受电压可能大于2倍输入电压，对变压器制造工艺、关断电路要求高，用高频调制技术时，变压器励磁为工频基波+高频谐波，对磁性材料要求高。适用于中小功率场合。

图4-109 典型推挽逆变电路

3.桥式逆变电路

如图4-110所示，两组功率开关串联于电源构成桥臂，串联中性点输出。按开关通断组合，桥臂可将所跨接2个不同电位作输出，合理安排桥臂输出电位生成正负输出电压。控制、组合方式灵活，自换流或负载换流均可。桥式电路可组合成半桥、全桥、三相桥、多电平桥式电路、多重化桥式电路等。

图4-110 桥式逆变电路的基本拓扑结构和实现形式

4.方波逆变电路

（1）单相方波逆变电路 全桥和半桥单相方波逆变电路见图4-111a、b，两路占空比50%的周期互补信号分别控制半桥上下开关管V_p、V_n或全桥两组开关V1、V3及V2、V4。

图4-111 单相方波逆变电路工作原理与基本波形

1）输出电压。图4-111c中，逆变电路输出交变方波，电压u_o，频率f、正负幅值均为U_d，傅里叶展开式为

输出电压基波峰值为

输出电压有效值为

基波电压增益为

2）换流过程。图4-111a中电压与电流为参考方向。设电路已处于稳态，t₀时V1、V3导通同时关断V2、V4，输出+U_d，感性负载的电流滞后输出电压，输出正电压的一段时间内负载电流仍为负，t₀时刻负载电流从V2、V4强制换到V3、V1的反并联VD3、VD1，负载电感磁场储能向直流母线馈送，负载电流绝对值按指数曲线下降到零。非纯阻性负载时，负载电流与输出电压有相位差。两者方向不一致时改变开关状态，若负载电流滞后，电流从开关管转到二极管，若负载电流超前，电流从续流二极管转到开关管。

3）电路特点：

①输出方波。交变方波输出，与负载无关。可调节方波逆变输出电压；通过移相调压，可以两套方波逆变器通过变压器输出串联移相调压，或相移调压全桥逆变电路。

②输出电压谐波含量大。

③直流电压利用率高。一定幅值的直流电压可逆变产生交流输出电压基波有效值，直流电压利用率可达0.9。

（2）全桥相移式调压逆变电路 典型方波逆变电路自身不能调节电压，全桥移相逆变电路可在方波逆变基础上不改变主电路调节输出电压，见图4-112a，以直流母线中心抽头为电位参考点，两组共用直流母线的半桥产生两路交变方波输出，此输出基波矢量相对α可调，连续改变α=0～π，可调节两路输出电压之差由零到最大值，输出之差幅值最大时为各自的2倍。如将负载接在两个半桥的输出端，在两端产生可调节电压，实现调压逆变。此时母线中心抽头仅是电位参考点，电路简化为与一般全桥方波逆变电路拓扑结构完全相同，只是开关管驱动信号安排有区别，2个桥臂各自用一组同频率占空比50%的互补方波驱动信号，通过角度差变化调节电压。半桥电路不能使用移相调压控制。

全桥移相方波逆变调压方式的换流过程，见图4-112b。(www.daowen.com)

5.三相方波逆变电路

大容量三相结构逆变器，可负载平衡，图4-113a为主电路。设电路为理想特性、负载Y联结，三相输出点U、V、W，负载连接中性点O，三相对称，以直流电位中性点为电压参考点。各桥臂上下驱动脉冲互补，方波占空比为0.5，臂间驱动脉冲相位互差120°，见图4-113b。

图4-112 方波移相调压逆变电路与波形

（1）工作模式 电路中任一时刻只有3个主开关导通，分别是2个上管1个下管或1个上管2个下管。电路对称，前一种情况可能有四种工作状态：3个主开关载流，电流从直流母线流向逆变器；2个主开关和1个续流二极管载流，电流从直流母线流向逆变器；1个主开关和2个续流二极管载流，电流从逆变器流向直流母线；3个续流二极管载流，电流从逆变器流向直流母线，见图4-114。工作状态与电路控制模式、负载特性有关，三相方波逆变接无源负载只出现三种电路状态。

（2）输出电压 相对直流电位中性点三相半桥方波逆变器的各桥臂输出为方波电压±U_d/2；输出线电压±U_d、0；输出相电压±U_d/3、±2U_d。感性负载三相方波逆变基本波形见图4-113b。输出线电压基波幅值/有效值为相电压基波幅值/有效值的1.732倍，相差30°，两者都不包含3倍的谐波，特性与一般三相系统一致。

图4-113 三相半桥方波逆变器主电路与基本原理波形

图4-114 三相逆变电路的不同工作模式

（3）输出与输入电流 输出相电压与线电压呈台阶状周期变化。逆变电路纯电阻负载时，三相半桥电路所有功率开关中的反并联二极管全不导通，逆变器从直流母线吸取无脉动的直流电流；感性负载时，逆变器吸取直流电流外还与母线交换交流无功电流，见图4-113b中的i_d，三相桥上3管或下3管中单只功率管工作且反并二极管载流时段就是无功电流向母线回馈时段。

（4）电路特点 输出电压谐波含量高，低次谐波丰富，可能影响设备运行；输出电压不可调，可在相控整流后接直-直变流器；直流电压利用率低，输出线电压基波有效值与直流母线电压之比为0.78。

6.三相全桥方波逆变电路

如图4-115所示，3个变压器将共母线的三组全桥逆变输出组合得到三相输出，控制复杂；输出经变压器匹配组合，全桥电路可移相调压，每相电压独立可调，适应三相负载不均衡场合。

图4-115 星形输出的三相全桥逆变器

7.正弦波脉冲宽度调制SPWM逆变电路

静止逆变器正弦交流输出的常用方法，通过正弦调制波与三角载波比较，控制逆变电路开关时序，主电路基本一致时，将负载谐波推向高频，滤波后得正弦波。

（1）单相SPWM逆变电路

图4-116 桥式双极性SPWM逆变基本原理

1）双极性SPWM逆变电路。主电路与全桥方波逆变电路或全桥移相逆变电路相同。SPWM用调制波u_s=U_smsinωt。载波u_c是峰-峰值2U_cm、频率f_c的三角波。定义幅值调制比m_a=U_sm/U_cm，频率调制比m_f=f_c/f，全桥对角功率开关用相同控制信号。当u_s＞u_c，V1、V3导通，反之V2、V4导通。工作基本波形见图4-116b。极性SPWM模式时，换流与方波逆变类似，在对角主开关载流和另一对角二极管续流两模式间强制切换，在输出电流极性变化时桥臂内自然换流。每个主电路开关周期内输出电压波形为双极性SPWM。当m_f较高时，一般是载波频率大于调制波频率，图4-117a是m_a=0.8时单相双极性SPWM逆变输出电压频谱图，图4-117b是主要谐波随幅度调制比变化曲线。图4-116b中i_d直流电源向双极性SPWM全桥逆变器电流含直流分量、交流基波分量、开关次整数倍的高频分量，直流部分为向负载提供有功功率，其余成分为无功电流。

图4-117 单相双极性SPWM的输出谐波分布

该逆变电路输出电压调节方便，输出谐波性能好，但直流电压利用率低；器件开关损耗/电磁兼容问题比工频方式严重；桥臂互补工作模式时，桥臂上下管有“直通”风险。

2）单极性SPWM逆变电路。主电路结构与全桥逆变器一致。此电路每个开关周期内逆变输出电压只有零电平和1个正电平或负电平，不适于半桥电路。此调制控制方式的每个主电路开关周期内输出电压在正和零、负和零间跳变，正负电平输出不同时在同一开关周期内，故称为单极性SPWM。单极性和双极性SPWM输出基波电压调节性能相同。单极性SPWM输出包含基波成分；以开关为中心的各边带谐波。在过调制时输出电压低奇数次谐波丰富，方波输出是极端现象，见图4-118。

图4-118 单极性SPWM逆变电路基本波形

（2）三相SPWM 以三相半桥为例，逆变主电路结构与三相方波逆变电路相同。三相SPWM载波频率f_c、幅值U_cm的三角波。调制波是三组频率f、幅度U_sm，相差120°标准正弦波。

三组桥臂各由相应调制波与载波比较产生的互补矩形脉冲系列控制，输出电平相对母线电位中性点±U_d/2，输出线电压是各臂输出电压之差，图4-119中为m_a=0.8，m_f=15时自然采样法三相半桥SPWM逆变基本原理波形。图4-120a为高频率调制比的非过调三相SPWM规则采样法脉冲产生的局部图，图4-120b为1个载波周期内输出桥臂电压、相电压及线电压。

三相半桥SPWM逆变是3套共直流母线半桥单相SPWM组合，各自用同一载波和互差120°调制波控制输出电压。

高频率调制比主电路特性对调制比具体数值不敏感，适宜选择奇数频率调制。频率调制比为3的整数倍可改善输出谐波性能，三相场合应使调制波以相反方向与载波交汇过零。

SPWM输出电压最低次谐波频率接近开关频率。感性负载时逆变器除吸取直流电流外，还与母线交换交流无功电流，无功脉动电流基波频率是输出相/线电压频率的6倍，还包含输出电压谐波的高次谐波电流。三相半桥SP-WM逆变输出电压谐波指标比方波逆变改善较大，输出电压可调，适合交流传动，但抗负载不均衡性能差；直流电压利用率比单相全桥SPWM逆变还低。

图4-119 三相半桥SPWM基本原理波形