轉換器與逆變器的差異:轉換方向、電路、輸出公式、用途比較

在電力電子中,改變電力形式的電路依轉換方向來區分名稱。將交流轉為直流的順向轉換是整流電路(AC-DC轉換器),將直流轉為另一個電壓之直流的是DC-DC轉換器(截波器),將直流轉為交流的逆向轉換則是逆變器。廣義上,有時也把這些統稱為電力轉換器。在冷氣或工廠的馬達驅動中,常見的組合是先以整流電路將交流轉為直流,再以逆變器轉回頻率與電壓可變的交流。

項目整流電路(AC → DC)DC-DC轉換器(DC → DC)逆變器(DC → AC)
轉換方向交流 → 直流(順向轉換)直流 → 另一個電壓的直流直流 → 頻率與電壓可變的交流(逆向轉換)
主要開關二極體。要調整輸出時用閘流體MOSFET等開關與二極體(同步整流以MOSFET取代二極體)IGBT或MOSFET。各開關反向並聯二極體
基本電路4個二極體的單相橋式、6個的三相橋式。後面接平滑電容以開關、電感、二極體、電容構成的降壓、升壓、升降壓截波器。需要隔離時使用變壓器的方式(返馳式等)半橋(2個開關)、全橋(4個)、三相橋(6個)
決定輸出大小的因素輸入交流的電壓(閘流體則以觸發角α調整)開關的責任週期DPWM的調變指數m(電壓大小)與調變波的頻率(輸出頻率)
理想輸出公式單相全波整流的平均值約為0.9 × 有效值(100 V時約90 V)。加上平滑電容後接近峰值約141 V電流連續模式下,降壓Vout = D·Vin,升壓Vout = Vin/(1 − D)正弦波PWM時,橋臂輸出基本波的振幅為m·E/2(E為直流電壓)。三相線電壓的有效值約為0.61·m·E
輸出殘留的成分電源頻率2倍(全波整流)的脈動。以平滑電容減小切換頻率的漣波。以電感與電容減小載波頻率附近的諧波。以馬達繞組的電感或LC濾波器減小
輸入側的課題電容的充電電流集中在電壓峰值附近,含諧波的電流使功率因數下降。以功率因數校正(PFC)改善降壓時輸入電流呈脈衝狀,因此輸入電容很重要直流側流過很大的漣波電流。馬達急減速時回送的電力會使直流電壓上升
主要用途AC電源轉接器與家電電源的入口、馬達驅動器的前級CPU或SoC的核心電源、由電池或12 V等產生的各種電壓、LED驅動馬達速度控制(變頻冷氣、電車、電動車)、太陽能發電的功率調節器、不斷電系統(UPS)

數值為具代表性的大致參考值,會因世代或產品而異。

適用於什麼情況

整流電路(AC → DC)
由插座的交流產生電子設備或電池使用的直流時。一定功率以上的設備,常在後面加上功率因數校正電路,使輸入電流接近正弦波。
DC-DC轉換器(DC → DC)
想把直流電壓有效率地轉為另一個電壓時。代表例是由電池或12 V、48 V等電源產生IC使用的低電壓。
逆變器(DC → AC)
由直流產生交流時。特別是想改變頻率來控制馬達速度,或將太陽能電池、蓄電池的電力併入交流電網時使用。

常見問題

轉換器與逆變器的名稱如何區分?

狹義上,將交流轉為直流的順向轉換裝置稱為轉換器,將直流轉為交流的逆向轉換裝置稱為逆變器。馬達驅動器的「轉換器部」與「逆變器部」就是這個意思。另一方面,也常像DC-DC轉換器那樣,把改變電力形式的電路統稱為轉換器(電力轉換器),屬於哪種意思要依上下文判斷。

為什麼逆變器能改變馬達的速度?

因為感應電動機等交流馬達的轉速取決於所施加交流的頻率。4極感應電動機的同步速度在50 Hz時為1500 min⁻¹,60 Hz時為1800 min⁻¹(120f/極數),以逆變器降低頻率就轉得慢,提高頻率就轉得快。改變頻率時,會讓電壓與頻率的比(V/f)大致保持一定,使馬達的磁通維持一定。

為什麼整流電路的輸出直接當直流用並不方便?

因為只用二極體橋把方向統一的輸出,會以電源頻率的2倍在0與峰值之間脈動。以平滑電容填補電壓的低谷後就接近直流。脈動大小的估計為負載電流 ÷(脈動頻率 × 電容值),50 Hz全波整流、2 A、10,000 µF時為2 ÷ (100 × 0.01) = 2 V。

逆變器的輸出是正弦波嗎?

輸出電壓本身是把直流電壓導通、關斷切換而成的脈衝列。正弦波PWM比較正弦波的訊號波與三角波的載波來改變脈衝寬度,因此將脈衝平均後的基本波是正弦波。馬達的繞組電感會使電流變得平滑,需要正弦波電壓時則加入LC濾波器。

理解度檢測

將有效值100 V的正弦波交流以理想二極體的橋式電路全波整流。沒有平滑電容時,最接近輸出電壓平均值的是下列何者?

  1. A約90 V
  2. B100 V
  3. C約141 V
查看答案與解析

正確答案:A. 約90 V

正弦波的最大值為 Vm = √2 × 100 ≈ 141 V。全波整流後波形的平均值為 (2/π) × Vm = (2√2/π) × V ≈ 0.90 × 100 ≈ 90 V。100 V是全波整流後波形的有效值,與輸入的有效值相同。若為半波整流,負半週被去除,因此平均值為其一半,約45 V。

假設在漣波的一個週期內,負載電流全部由電容供應來估算。將50 Hz的交流全波整流,以10,000 µF的平滑電容平滑,並對負載流過固定的2 A電流時,輸出電壓的漣波(峰對峰)大約是下列何者?

  1. A約1 V
  2. B約2 V
  3. C約4 V
查看答案與解析

正確答案:B. 約2 V

全波整流時,漣波的週期為電源的半週期 1/(2 × 50 Hz) = 10 ms。若電容在這段期間供應2 A,放出的電荷為 2 A × 10 ms = 20 mC,電壓的下降為 ΔV ≈ I/(2fC) = 20 mC ÷ 10,000 µF = 2 V。實際上下一次充電會在波峰稍前就開始,因此漣波比這個估算略小。半波整流時漣波的週期為20 ms,在相同條件下約為4 V。

推導降壓轉換器理想的輸出電壓 Vout = D × Vin 時,其根據正確的是下列何者?

  1. A穩態時電感電流每個週期都回到原值,因此電感上電壓在一個週期內的平均為0
  2. B穩態時輸出電容的電流始終為0,因此無論開關導通或關斷,電容電壓都保持一定
  3. C開關導通期間電感上沒有電壓,因此輸出電壓等於輸入電壓
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正確答案:A. 穩態時電感電流每個週期都回到原值,因此電感上電壓在一個週期內的平均為0

電感電流的變化,由施加電壓對時間的積分決定(V = L di/dt)。穩態時電流每個週期都回到原值,因此電感上的電壓在一個週期內平均為0(電壓與時間乘積的平衡)。在降壓轉換器中,導通期間加有 (Vin − Vout),關斷期間加有 −Vout,因此由 (Vin − Vout) × D = Vout × (1 − D) 得到 Vout = D × Vin。升壓轉換器與升降壓轉換器的轉換比,也能以相同的想法求得。

  1. 在逆變器的正弦波PWM中,決定開關導通與關斷的方法,正確的是下列何者?
  2. 以正弦波PWM驅動直流電壓600 V之逆變器的橋臂,調變指數為0.8。相對於直流電源中點,橋臂輸出電壓基本波的振幅(最大值)為下列何者?
  3. 以頻率50 Hz的三相交流運轉的4極感應電動機,其同步轉速為下列何者?

前往電力電子電路的練習題

相關名詞的解說

整流電路
將交流轉換為單一方向流動之電流(直流)的電路。有以二極體去除負半週的半波整流電路、以4個二極體組成的橋式電路使兩個半週都朝同一方向的全波整流電路,以及以6個二極體整流三相交流的三相全波整流電路等。輸出含有漣波,因此以平滑電容或電感使其接近直流。若以閘流體取代二極體,就能以觸發角調整輸出電壓。
DC-DC 轉換器
將直流電壓轉換為另一種大小的直流電壓的電路。使用開關、電感與電容,有降低至低於輸入電壓的降壓型,以及升高電壓的升壓型。
逆變器
將直流電力轉換為任意頻率與大小之交流電力的裝置。把電力用開關(IGBT或MOSFET)接成橋式,以PWM切換導通與關斷來產生交流電壓。用於馬達的轉速控制、電動車的驅動、太陽能發電的功率調節器、不斷電系統(UPS)等。它與在邏輯電路中反轉0與1的反相器(NOT閘)是不同的東西。
平滑電容
並聯在整流電路等的輸出端,用來減小電壓漣波、使其接近直流的電容。電壓高時充電,電壓低時對負載供應電流。商用頻率的整流電路使用大容量的鋁質電解電容,切換式電源的輸出端則也使用陶瓷電容等。全波整流時,漣波的大小(峰對峰)大約可以用 負載電流 ÷(2 × 電源頻率 × 電容值)來估算。
正弦波PWM
以逆變器產生接近正弦波之交流的PWM方式。比較想輸出之頻率的正弦波(訊號波)與頻率高得多的三角波(載波),訊號波較大時使上側開關導通,較小時使下側開關導通。訊號波與載波振幅的比稱為調變指數,調變指數在1以下時,輸出電壓的基本波與調變指數成正比。超過1的過調變會使低次諧波增加。
降壓轉換器
以開關、二極體(或第2個開關)、電感與電容,產生低於輸入之直流電壓的DC-DC轉換器。以開關導通時間的比例(責任週期)D調整輸出,在連續導通模式下,理想的輸出電壓為 D × 輸入電壓。它是用途最廣的非隔離型轉換器,用於CPU或SoC核心的電源,以及由12 V或5 V產生各種電壓等。
功率因數校正
在由交流電源接受電力的設備中,使輸入電流接近與電壓同形狀、同相位的正弦波,讓功率因數接近1的電路(PFC電路)。一般的方式是在整流後放置升壓轉換器,控制開關使輸入電流與整流後的電壓成正比,輸出為高於輸入電壓最大值、約380~400 V的直流。用來減少僅以電容平滑之整流電路所產生的諧波電流,後級的隔離型DC-DC轉換器再由此直流產生所需的電壓。
感應電動機
以定子的三相繞組產生旋轉磁場,靠轉子導體中感應出的電流與磁場之間的力而旋轉的交流電動機。轉子以比旋轉磁場的速度(同步轉速)稍慢的速度旋轉,這個落後的比例稱為轉差率。構造簡單又堅固,廣泛用於泵、風扇、工具機、鐵路車輛等。以逆變器改變頻率,就能在大範圍內調整轉速。

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