青云计划获奖文章：交流和直流如何相互转化？ / 开普饭

直流电与交流电是可以相互转化的。交流电转化为直流电的过程叫做整流；而直流电转化交流的过程叫做逆变，整流和逆变是互逆的过程。整流的过程以整流桥作为关键元器件；而逆变的过程主要以MOS管作为关键元器件。下面从研发的角度介绍一下整流和逆变的原理。

交流电转化为直流电的工作原理：整流

这个过程叫做整流，整流主要是通过整流桥来实现的，从实现原理上来分，具有三种整流方式，分别为半波整流、全波整流以及桥式整流。这三种整流方式的区别主要体现在变压器、二极管数量以及波形输出上。

半波整流原理

半波整流只需要用到一只整流二极管，利用交流电的方向性和二极管的单向导电特性，二极管只在半个周期内导通，另外半个周期截止。半波整流的原理框图如下图所示。

上图中，二极管在正半周期内导通，在负半周期内截止，所以正半周期的波形保留，而负半周期的波形被削掉，从而使得波形的情况如下图所示。从半波整流的波形上可以看出，整流效率太低，所以这种整流方式只用在小功率的应用中。

全波整流原理

与半波整流相比，全波整流有两处不相同的地方，1)全波整流需要用到两只二极管；2)全波整流所用的变压器需要带中间抽头。在正半周期内，上二极管导通，下二极管截止；在负半周期内上二极管截止，下二极管导通。所以，可以看作是两个半波整流的叠加。全波整流的电路原理框图如下图所示。

由于在每半个周期内都有二极管导通，所以在负半周期时的波形也被翻转上去，从而形成了所谓的馒头波，如下图所示。

桥式整流原理

桥式整流是最常用的整流原理，主要通过整流桥来实现。整流桥由四只二极管组成，在每半个周期内具有两只二极管同时导通，所以负半周期的波形也会被保留翻转。其实现的电路原理框图如下图所示。其波形与全波整流的波形在最终的结果上一致。

开关电源、手机充电器等都是通过桥式整流来实现交流转化为直流的，桥式整流是应用最广的整流方式。

蓄电池、干电池、太阳能电池板等都是直流输出的设备，利用这些直流电源向交流负载供电时，就需要用到逆变器。逆变器的作用就是将直流转化为交流，这个过程叫做逆变，需要用到逆变电路。逆变一般通过MOS管来实现，从原理上可以分为半桥逆变电路和全桥逆变电路。以全桥逆变为例，介绍逆变的过程。

全桥逆变主要由四个MOS管构成，有两个桥臂，在工作时每个桥臂不能同时导通，对边桥臂导通。上图是T1和T3同时导通时的电流流向。下图是T4和T2同时导通时的电流流向。

在MOS管的门极，由控制板所输出的PWM信号来控制，通过改变方波的占空比可以实现正弦波幅度的控制，这里在程序上涉及到比较复杂的矢量控制/磁场导向控制FOC。原理如下动态图所示。

将交流转化为直流的过程叫做整流，整流电路在开关电源、充电器、配电柜中应用广泛；将直流转化为交流的过程叫做逆变，在光伏发电、BLDC控制等应用广泛。