Share |

 Elliott Sound Products Inverter AC Power Supplies 

Inverter AC Power SuppliesRod Elliott ­ March 2014

Articles Index 

Main Index

Contents

Introduction1 ­ Inverter Overview2 ­ Squarewave Inverters3 ­ Modified Squarewave Inverters4 ­ Modified Sinewave Inverters5 ­ Pure Sinewave Inverters6 ­ Pulse Width Modulation (PWM)

6.1 ­ High Voltage PWM7 ­ Oscillators8 ­ Regulation9 ­ TransformersConclusionReferences

Introduction

Inverters are used in all kinds of places and for all kinds of reasons. One very common applicationis to convert 12V from a car DC outlet to 230 or 120V AC to power small appliances. These arevery common, especially with travellers with motor­homes or caravans. Another is for'uninterruptible' backup supplies (UPS ­ uninterruptible power supply) for computers, either in thehome or in large data centres. Inverters are also used with solar systems and wind generators,with some being very large and powerful indeed. This article only looks at the technologiescommonly used for small and medium power systems ­ those up to a few hundred watts, but thetechniques used can be scaled to almost any power level.

The basic requirements and the most common types are described. It is not meant to provide adesign process, but to inform the reader what the various terms mean, how different types ofinverter interact with common appliances, and how they work. There are many aspects of thedesign process that are far too complex to attempt to explain in detail however, so don't expect tosee every possible variation described in full.

Please note that waveforms and voltages are shown based on 50Hz and 230V RMS output. 60Hz120V systems use identical technology, and simply use a transformer with a different turns ratio

and a 60Hz oscillator. DC input current is virtually unchanged for a given output power. While a60Hz inverter can theoretically use a slightly smaller transformer than a 50Hz unit, the differenceis so small that it can be ignored for all practical purposes.

Circuit examples show MOSFETs used for switching, but many high power inverters use IGBTs(insulated gate bipolar transistors) because they are more rugged and are designed for very highcurrent operation. Some budget inverters may use standard bipolar transistors if they are only lowpower, because they are cheaper than the alternatives.

1 ­ Inverter Overview

The idea of an inverter is simple enough. We use an oscillator to generate the required frequency(50 or 60Hz), and use that as the input to a power amplifier. Because the amplifier's workingvoltage is generally fairly low (typically 12 or 24V DC), a transformer is used to step up the voltageto 230V or 120V as required. Most inverters will use the transformer as part of the power amplifieritself, because this makes the overall design much simpler, especially for modified squarewavedesigns.

Let's assume that the circuit is 100% efficient just for the moment. This makes calculations niceand simple, and also gives us a rough idea of what the final circuit has to be able to do in real life.12V DC is a very common input voltage, and this is suited for use in cars, motor homes and forcomputer UPS applications. The first thing we now need to know is how much output power dowe need. For the sake of the exercise, let's assume 1,000W (1kW).

To obtain 1kW at 120V requires an output current of 8.33A, or 4.35A at 230V. Unfortunately, 1kWat 12V means that we need 83.33A from the battery, ignoring all losses. If you wanted to be ableto provide 1kW for 1 hour, you'll quickly discover that you need a 12V battery rated at around120AH (amp hours). Lead­acid batteries are the most economical choice for a UPS, and that'swhat you already have in the car (make sure that you don't fully discharge the battery). Lead­acidbatteries (including gel­cell and AGM types) provide a reduced capacity if they are dischargedquickly. For example, a 120AH battery will usually only provide its claimed capacity if dischargedat the 10 hour rate (i.e. 10 hours at a current of 12A for a 120AH battery). Higher dischargecurrent means that the capacity of the battery is reduced.

The above current requirements refer only to the RMS output current (AC), and the average inputcurrent (DC). For 230V output from a 12V source, the average DC input is typically around 20times the RMS output current for a modified squarewave inverter. DC input current is higher thanthe rough calculation, because it must include an allowance for losses in the system. In reality it iswise to lower your expectations.

It's probably fair to say that inverters are a fairly evil load for any battery, especially if you expectmore than a few watts output. It's equally fair to say that the output of any inverter that isn't asinewave ('pure' sinewave) is also a pretty evil source for a great many loads. It's not evenpossible to give a list, because so many loads are now electronically controlled. Once electronicsis involved with a load (especially motors and transformers), it's only possible to know what'sinvolved if you have detailed specifications and/or a circuit diagram.

Some products might state whether they are suitable for use with various inverters, but mostdon't. Most switchmode power supplies will be happy enough, but they may be subjected tohigher peak current than normal if the input is not a sinewave. PCs should be alright ­ they are thevery load that most UPS systems are designed for. If in doubt, seek advice from the appliancemanufacturer.

Inverters are commonly classified by their output waveform, so you will typically see the followingtypes offered ...

1.  Squarewave2.  Modified Squarewave3.  Modified Sinewave4.  Pure Sinewave

Note that 'modified sinewave' and 'modified squarewave' inverters are actually quite different, butit's common for the two to be lumped together and the terms used interchangeably. This is partlybecause there is no strict definition of the terms, and advertising material is notorious for bendingthe rules to make a product seem more appealing. Claiming that an inverter is modified sinewavesounds much better than saying it's modified squarewave ­ particularly for people who have a littleknowledge of such things. The three most common types have their waveforms shown below. Ineach case the RMS value of the voltage waveform is 230V, but only the modified squarewave andsinewave types maintain the correct peak voltage of 325V.

Figure 1 ­ Inverter Waveforms, All 50Hz, 230V RMS

For the squarewave and modified squarewave waveforms, I added the sinewave as an overlay soyou can see the difference clearly. The 'modified sinewave' waveform isn't shown here becauseit's somewhat more complex and harder to produce. There are also several different ways tocreate a modified sinewave, and these are discussed below. As noted above, in manyadvertisements you will see the modified squarewave type referred to as modified sinewave. Thisis false advertising, but some people really don't know the difference.

All squarewave based inverters will cause stress to interference suppression components fitted tothe connected appliance. A sinewave has a relatively gentle rate of change of voltage (DVDT akaΔVΔT, the change of voltage over time). Squarewaves (modified or otherwise) have a very highDVDT, and additional filtering is needed on the inverter output to reduce it to somethingacceptable to the most common loads.

Filtering is also needed so that products will pass EMI (electromagnetic interference) tests thatapply in most countries. It's not at all uncommon for inverters to cause radio interference,especially on the AM bands. You can also expect to be told that this interference will causecancer, your belly­button will fall off and you'll get ingrown toenails as a result of 'dirty electricity'

as it's become known. Maybe bad things will happen, but it's not like we use inverters pressedclose to our bodies all day. Most 'pure' sinewave inverters also create interference because theyoperate at high switching frequencies.

2 ­ Squarewave Inverters

The simplest inverter is a squarewave type. The oscillator is very basic, and they are fairly easy tobuild. Unfortunately, the ratio of peak to RMS voltage is very different from a sinewave, and thiswill cause stress to some appliances. Motors and transformers in particular will usually draw muchhigher current than they are designed for, so they may run hot enough to cause premature failure.Most switchmode power supplies don't care, and will operate quite happily from a squarewaveinput. Interference suppression capacitors will be stressed by the fast rise time of the squarewave.

A sinewave has a peak to RMS ratio of 1.414 (√2), so a 230V sinewave has a peak value of 325Vand a 120V sinewave has a peak of 170V (close enough in each case). A squarewave with apeak value of 325V has an RMS voltage of ... 325V. Peak and RMS are the same. If the voltage isreduced so that the RMS voltage is correct, then many electronic power supplies will see a greatlyreduced input voltage because many charge filter capacitors to the peak of the voltage. So wherethe load expects to see peaks of 325V (or 170V), it will only get 230V or 120V peaks. Some loadswill not power up properly if the voltage is too low.

The above notwithstanding, I will explain a basic squarewave inverter first, because the sameswitching circuitry is used for the modified squarewave converter as well. The simple squarewaveis easy to understand, and will make it easier to follow the more complex options. The mostcommon arrangement for simple inverters is to use a transformer with a centre­tapped low­voltage primary. The centre tap is connected to the 12V DC supply, and each end of the windingis connected to earth/ ground in turn. This is shown in Figure 2. It is important to understand thatthere must be no time when both MOSFETs of transistors are turned on at the same time, sothere is a short period where both are turned off. This is known as 'dead time'.

Figure 2 ­ Basic Squarewave Inverter

The inverter shown in Figure 2 is very basic ­ it has been simplified to such an extent that it iseasy to understand, but it does not work very well. The biggest problem is mentioned above ­ thepeak and RMS voltages are the same, and this limits its usefulness. However, the same basiccircuit operated at a higher frequency (25kHz or more) is exactly what's used with a great many

DC­DC converters. See Project 89 as an example. R1/C1 and R2/C2 are snubber circuits thatreduce high voltage spikes from the transformer.

Even operated at 50Hz, the circuit is fairly efficient. It's very important to choose transistors orMOSFETs that have a very low 'on' resistance. It is imperative that losses in the switching devicesare minimised, and heavy wire is needed for all interconnections and on the transformer'sprimary. Every small resistances add up quite quickly in a high current circuit, and it's easy forlosses to become so great that overall efficiency is reduced dramatically. This is not what youwant when operating equipment from a battery, because amp­hours cost money.

As shown, the output stage is very similar to that used in a great many different inverters. Theonly difference between the circuit shown and a modified squarewave inverter is the oscillator andthe transformer voltage ratio. For the squarewave inverter, the transformer ratio is determined by...

Rt = Vout / Vin     (Where Rt is the transformation ratio, Vin is the input voltage and Vout is the RMSoutput voltage ... equal to the peak voltage with a squarewave inverter)Rt = 230 / 12 = 1:19.16

The above does not make any allowance for losses, and the ratio would need to be between 1:20and 1:22 (for each primary winding) to allow for losses across the MOSFETs and in thetransformer windings. This type of inverter has no mechanism for regulation, so the output voltagewill vary with the load. To keep the variation to a minimum, all losses must be kept as low aspossible.

An AC waveform swings positive and negative, so the peak­to­peak voltage is double the peakvoltage. This is accomplished by the transformer, which has a dual primary with a centre­tap.Because of the dual primary, the ratio may also be written as 1+1:20 (for example). The ratiobased on the voltage across the entire primary is 1:10 and the peak­to­peak input voltage isactually 24V. This is the voltage across each switching MOSFET ­ it varies between close to zeroand +24V. This is simple transformer theory ­ if you don't understand, then please read thearticles Transformers, Part 1 and Transformers, Part 2.

3 ­ Modified Squarewave Inverters

To provide a waveform that has the same RMS and peak voltages as the mains, we need tomodify the waveform to that shown in Figure 1B. The remainder of the circuit remains exactly thesame, but the transformer ratio is changed so that the peak voltage is created.

Rt = Vpeak / VinRt = 325 / 12 = 1:27.08

Again, allowances must be made for switching and transformer winding resistance, so the finalratio will be around 1:30 to obtain the required 325V peak voltage for a 230V RMS voltage underload. A lot of common loads rely on the peak voltage, in particular simple switchmode powersupplies. Unfortunately, it's not feasible to regulate the peak voltage with a basic design, but it isrelatively easy to regulate the RMS voltage simply by changing the width of the voltage pulses. Asthe pulse width is increased, the RMS voltage is increased, even though the peak voltage may bereduced.

For a waveform with exactly 325V peaks, each positive and negative going pulse needs to beexactly 5ms wide. This means that for a 50Hz waveform (20ms for one complete cycle) the

voltage will be as shown in Figure 3. This is the same waveform as that shown in Figure 1B, butexpanded for clarity.

Figure 3 ­ Modified Squarewave Waveform In Detail

Naturally, for 60Hz mains the timing is different, but the essential part is that the waveform periodis divided evenly into 4 discrete segments that are exactly equal. For 50Hz, the period is 20ms, sothe waveform is made up of 4 * 5ms segments. It might not be immediately apparent, but thisgives the same 1.414 peak/ RMS value as a sinewave. The RMS value is 230V and the peak is325V (give or take a fraction of a volt). The distortion is a rather high 47% (THD), and although itcan be reduced by changing the width of the pulses, doing so changes the voltage. The bestdistortion figure (28% THD) is achieved when the pulses are about 7ms wide (instead of 5ms), butthe RMS voltage is increased to over 270V. All in all, equally timed pulses and dead time are farsimpler to generate and give a fairly good overall result.

The transformer requires a different turns ratio as described above. Apart from the oscillator, theinverter circuit is identical to that shown in Figure 2. The oscillator must be more complex toproduce the waveform, but it's not difficult and can be done in many different ways. One of theeasiest is to use a PIC (or any other programmable micro­controller), which also means thatfrequency stability can be extremely good if the controller uses a crystal oscillator.

Regulation of the RMS voltage can be achieved by making the voltage pulses wider or narrower,but the peak voltage cannot be regulated without extreme circuit complexity. For a simple inverterthat's suitable for many common loads, the additional circuitry will never be added because thecircuit would not be simple any more.

Since it is easy to regulate the RMS value by simply changing the width of the pulses, you maythink of this as a very (very!) crude form of PWM (pulse width modulation). And so it is. It istheoretically possible to add a filter that will give a passable sinewave at the output, but becausethe frequency is so low it would be uneconomical and would actually create far more problemsthan it would ever solve.

4 ­ Modified Sinewave Inverters

While the modified squarewave inverter can be seen as a very crude form of PWM, one form ofmodified sinewave uses low speed PWM to achieve a rough approximation to a sinewave

(discussed below). Another variation is to build a step waveform, by switching differenttransformer windings in and out of circuit. This is shown below, and you can see that it is startingto resemble a rather piecemeal sinewave. This is a crude form of pulse amplitude modulation(PAM), a technique that was common for a brief period before fully digital systems wereeconomically feasible.

Figure 4 ­ Modified Sinewave Waveform

This waveform cannot be created using the simple switching shown above, and requires atransformer with more primary windings to generate the output voltage. By carefully adjusting thenumber of turns and switch timing it's possible to get a waveform with distortion of around 26% orbetter. Because of the relative complexity of the waveform, it has to be created using discretelogic (cheap but inflexible) or a programmable microcontroller (PIC or similar).

This type of inverter is not common, because its transformer is more complex and it needsadditional switching transistors and driver circuits. With Class­D amplifier technology nowcommonplace, it's easier and cheaper to build a 'true' sinewave inverter than to mess aroundtrying to implement a workable modified sinewave. To give you an idea of the relative complexity,Figure 5 shows a simplified circuit.

Figure 5 ­ Simplified Modified Sinewave Schematic

It's no longer appropriate to call the frequency generator an oscillator, because it has to generatea relatively complex waveform. This make it a waveform generator, rather than a simple oscillator.It may not be immediately apparent how this circuit works, so first let's assume that we are aboutto generate a positive half cycle followed by a negative half cycle.

1.  There is no output for the first 1ms, all MOSFETs are off2.  Output 1 goes high, turning on Q1. Current flows through the upper primary windings for

2ms3.  Output 1 goes low, output 2 goes high, turning on Q2. Current flows through half the upper

primary winding for 4ms4.  Output 2 goes low, output 1 goes high again for 2ms5.  All outputs remain low for 2ms, then we start the negative half cycle6.  Output 3 goes high, turning on Q3. Current flows through the lower primary windings for

2ms7.  ... the remainder of the cycle should be apparent, helped by the waveforms shown for each

waveform generator output

It is imperative that no two MOSFETs are ever on at the same time, or extremely high andpossibly destructive current will flow. This means that there will be small glitches in the outputwaveform, but most loads will be unaffected. Some basic filtering will remove the highestharmonic frequencies, and is essential to prevent radio frequency interference. Snubber circuitshave not been shown, nor has the fuse.

The waveform timings described are only intended as an example. To optimise the peak to RMSratio and distortion performance it will be necessary to make small adjustments to the timing ofeach pulse and off period. This will also be necessary to change the frequency ­ the timing of thepulses described will provide a 50Hz output.

There is another variant of the 'modified sinewave' inverter that uses low­speed pulse widthmodulation (PWM). Rather than use a switching frequency of 25kHz or so, it can be done with afrequency of around 550Hz. The 'sampling' frequency should be an odd harmonic of the desiredfundamental frequency to ensure a symmetrical output waveform.

Figure 6 ­ Low­Speed Pulse Width Modulation Waveform

There is very little point trying to filter this waveform, because the sampling frequency is far toolow and no sensible filter can remove the harmonics. I have no personal experience with this typeof inverter, so I can't be certain how most common loads will behave. Because of the very high

harmonic content, most motors and transformers are likely to be stressed and may overheat. With96% harmonic distortion, it's by far the worst so far, and if you are going to go to the trouble ofPWM, then it might as well be the real thing from the outset. Like the other 'modified sinewave'variant shown above, it will cost so little more to implement a true sinewave that low­speed PWMis not worth considering.

5 ­ Pure Sinewave Inverters

Making a pure sinewave inverter is (in theory) not especially difficult. All you need is a sinewaveoscillator of the right frequency, a power amplifier to provide the current you need, and atransformer to increase the voltage to 230V or 120V RMS. Unfortunately, this is very inefficientand makes poor use of the battery's capacity. This used to be fairly common for sinewavelaboratory power supplies, and I have one on my workshop. It's very large, extremely heavy, andalthough the waveform is extremely good it runs hot enough at full load to make full use of theheavy­duty fans that are fitted. Forget battery operation entirely, because it operates fromrelatively high voltage to keep the current within sensible limits. This power supply (it'sinappropriate to call it an inverter) uses a vast number of power transistors to allow it to drive'difficult' loads.

Although it is possible to use much the same power amplifier arrangement as shown in Figure 2,a great deal of feedback is needed to obtain good linearity. It's generally easier to use a more­or­less conventional power amp (but remembering that it has to be fully protected against accidentalshorts, normal momentary overloads and possibly very reactive loads. This makes the amplifiercomplex and expensive, and more so if you want to operate if from a low supply voltage.

When the supply voltage is only 12V DC, it's almost essential to run two amplifiers in bridge (BTL)mode, since that effectively doubles the supply voltage. Using a linear power amplifier is notviable for an inverter for a UPS, because the efficiency is poor (expect no better than ~60% for'real­world' circuits), although it can be increased slightly at the expense of some distortion.Expecting better than 70% is generally unrealistic unless the sinewave is clipped to the extent thatit resembles a squarewave.

Figure 7 ­ Clipped 'Pure' Sinewave Waveform

With distortion of just over 5% (the mains can be worse than that), an RMS voltage of 231.5V anda peak value of 310V, the above waveform is very close to that obtained directly from the mains.Because of the clipping, the efficiency will be in the vicinity of 70­75% ­ somewhat better than thetheoretical maximum with a pure sinewave. The transistors still need substantial heatsinks, and ofcourse every Watt of heat has to be supplied by the battery.

As should be apparent, this is not an ideal circuit. The relatively low distortion is good for motorsand other inductive loads, and causes little stress to any load because it's close to what comesout of a wall outlet. However the extra battery drain is high enough that you lose nearly 30% of thebattery's capacity in heat.

Because this is not a viable option, no representative circuit is provided. If anyone wanted to buildan inverter using linear amplifiers, it is feasible and potentially useful if the power levels are low.One example that comes to mind is to use a crystal­controlled sinewave oscillator, IC poweramplifier and a suitable transformer to create up to 10W or so. Such an arrangement is ideal fordriving synchronous clocks that generally only use 2­3W at the most. Ensuring that the amplifierdoes clip will help to reduce the total power dissipation.

6 ­ Pulse Width Modulation (PWM)

PWM is the technology of choice for maximum efficiency and a clean sinewave output. Themodulation frequency should be high enough to ensure no­one can hear it, which typically meansat least 25kHz. Lower frequencies can be used, but the noise from the transformer or filterinductor may be intolerable and the filter components will be larger and more expensive. Thereare countless chip­sets available for making PWM circuits, and it's not difficult to get very highperformance with high efficiency. It's possible to get a properly designed Class­D amplifier to havean efficiency of between 80% and 90%, but there will also be transformer losses that must beconsidered.

For power output of more than perhaps 200W, the Class­D amplifier will almost certainly usediscrete components. IC amplifiers are available that can do more, but an inverter is a specialcase when it comes to the load. Many common loads will present close to a short­circuit when firstpowered on (motors, toroidal transformers and simple mains rectifier­filter capacitor powersupplies for example), and this causes extreme stress on the amplifier.

For an output of 500W (for example) at 230V, the load impedance is 106 ohms. Since thetransformer will need a 1:30 ratio (1:900 impedance ratio), the effective load on the poweramplifier is only 118mΩ ­ 0.118 ohm! This is an extraordinarily low impedance, and gives you anidea of the kind of load experienced. Remember that this can drop to almost zero, limited only bythe resistance of the transformer windings, and so far has only considered a resistive load.There's more info on the transformer ratios below. To combat the high losses experienced at suchlow impedances, it's wise (and more efficient) to include a boost converter to increase theavailable 12V to something more manageable. Naturally, there will be losses involved in the boostconverter, but with careful design they will be less than the losses incurred without it.

To examine the processes needed for a Class­D power amp for inverters, I suggest that you readthe Texas Instruments application note [2]. This recommends the use of a 'tri­level' PWMwaveform, generated by dedicated logic and uses a bridged output stage. A highly simplifiedexplanation is shown here as well, and I expect that it will be somewhat easier to understand. It'salso worth looking at the Class­D article on the ESP website [3].

Figure 8 ­ Derivation Of PWM (Blue) From Input (Red) And Reference (Green)

Generating the PWM waveform is (at least in theory) delightfully simple. A sinewave is fed intoone input of a comparator, and a linear triangle waveform into the other. When the signal voltageis greater than the reference, the output of the comparator is high and vice versa. The comparatoroutput will look like the blue trace in Figure 8. Being a simple on/off waveform, it's easy to amplifyand the original sinewave can be reconstructed using a relatively simple inductor/capacitor (LC)filter. Naturally, reality is different. Dedicated chipsets that are available to generate PWM signalswill generally give far better results than discrete ICs, and will provide much of the other supportfunctions as well. These include MOSFET gate drivers and cycle­by­cycle current limiting, bothessential for an inverter expected to deliver significant current.

The essential functions are shown below, but without including a full schematic. Figure 9 is highlysimplified, because a complete schematic is too complex to follow easily. The two oscillators areshown in the next section ­ one 50Hz sinewave oscillator and one 25kHz triangle wave oscillator.These are used to generate the PWM waveform. Note that in switchmode power supply language,a bridged output stage like that shown below is commonly referred to as an 'H' bridge, and isdrawn so that the switching devices and transformer form the shape of the letter 'H'.

Figure 9 ­ Simplified PWM Sinewave Inverter

As shown above, it is preferable to use a bridged amplifier to drive the primary. This has the effectof doubling the supply voltage, so the maximum swing across the transformer is almost 8.5V RMS(24V peak­peak) rather than just under 4.25V that can be obtained from a single 12V supply. Thecurrent that each MOSFET stage must control is extremely high, and MOSFETs with extremelylow RDSon (on resistance) are needed. At an output of just 1A peak into the load, each MOSFETwill be switching a peak current of at least 30A DC.

The bridged PWM amplifiers are driven just like any other bridged amp, but with a PWM signal.Because the high frequency switching may play havoc with a transformer attached, it mightnecessary to use the output low pass filters so that the switching signal is isolated from thetransformer. If the transformer is made to have very low leakage inductance, it will be possible toplace the low pass filter at the output, but this means that the required inductance will be greaterthan that needed if the filter is in the low voltage circuit. The MOSFET driver sections areresponsible for level shifting (high side) and for providing the required dead­time to ensure thatthe vertical MOSFET pairs (Q1, Q2 and Q3, Q4) are never on at the same time.

6.1 ­ High Voltage PWM

For any high power inverter, the transformer becomes a major part of the unit, in size, weight andcost. If the inverter uses a switchmode boost supply to obtain the peak voltage needed for theoutput, it can use a much smaller transformer because it will switch at 25kHz or more, rather than50Hz. The output stage then works with the full peak voltage, either 325V or 170V DC, to suit230V and 120V mains respectively. A basic diagram of this kind of inverter is shown below. Byusing a higher DC voltage (e.g. 400V for 230V output), it becomes possible to provide regulationthat can be as good as you need it to be.

Figure 10 ­ DC­DC Converter, High Voltage PWM

This arrangement allows the DC­DC converter to be optimised, and the transformer can be agreat deal smaller than would otherwise be the case. Although only two IGBTs are shown for theDC­DC converter, ideally it would use several high current devices in parallel so that theextremely high current can be handled with minimum losses. Since this arrangement may be usedwith inverters of any power, but it only becomes economical for an output of perhaps 250VA ormore (typically allowing for a 500VA peak or 'surge' rating). At an output of just 500VA (or 500W),the average DC current will be around 47A allowing for losses.

The output stage will be an 'H' bridge so that the DC voltage is only half that otherwise needed fora full AC cycle. It may seem silly to use two separate stages, having a DC­DC converter followedby a PWM sinewave generator at the full mains voltage, but it has many advantages and if doneproperly will be more efficient than a single switching stage. This approach also makes regulationeasier, but it requires very comprehensive protective circuits around the output switching devices(not shown in Figure 10).

Providing protection isn't especially difficult, but it needs to be fast enough to protect the switchingdevices under worst case conditions. Mains loads can be very hard on inverters, because thereare so many that appear to be close to a short circuit when power is applied. Most switchmodepower supplies, large transformers and motors are especially difficult, with motors being one ofthe hardest of all. Start current for typical motors is very high, and if the motor has to start underload (refrigeration compressors being one of the worst) the problem is a great deal worse. If theinverter can't supply enough current for the motor to start, either the inverter or the motor (or both)may be damaged.

Figure 11 ­ Photo Of 300W High Voltage PWM Inverter

The photo above shows the insides of a 300W inverter that follows the block diagram shown inFigure 10 pretty much exactly. The output section is driven by a PIC microcontroller and twoIR2110 combined high­side and low­side MOSFET drivers, each driving a pair of IRF840 highvoltage MOSFETs. The PIC is responsible for generating the sinewave, probably using a simpletable to determine the pulse width needed for each transition. It's crystal controlled, so thefrequency will be fairly accurate, but this wasn't tested. Distortion is very low ­ all harmonics arebelow ­40dB, so total distortion is unlikely to exceed around 2% ­ this is an excellent result for aninverter.

The main inverter section uses a pair of IGBTs to handle the high current. The large yellow coremarked PSI­300W is the inductor for the output filter, along with a 2uF, 300V AC capacitor. Theother core you can see is the switching transformer that converts the 12V input to approximately350V DC, switching at ~40kHz.

7 ­ Oscillators

There are many different ways to make oscillators that are suitable for generating sinewaves andtriangle waves. In a highly integrated commercial design, they will probably both be digital, andpreferably crystal locked so the frequency is accurate. For a UPS, the situation is complicated ifyou want the output of the generator to be in phase with the mains so the changeover is free ofglitches. In the case of a stand­alone sinewave generator, we don't care, especially as the systemcan also operate as a frequency changer. Producing 60Hz mains in a 50Hz country (or viceversa) is a fairly common testing laboratory requirement for example.

The oscillator described in the first reference [1] and shown in Figure 10 is fairly straightforward,and has good frequency stability. Amplitude stability is determined by the saturation voltage of thefirst opamp, and may vary slightly with temperature. For a more comprehensive look at varioussinewave generator techniques, see Sinewave Oscillators ­ Characteristics, Topologies andExamples. For an AC source, distortion below 1% is more than acceptable, and even a Class­Dstage can benefit (slightly) by allowing it to clip the peaks. For most applications it doesn't matterat all if the generated mains waveform has up to 5% total distortion, and this eases the demandson the 50/60Hz oscillator. In particular, it means that amplitude stabilisation techniques aren'tneeded, simplifying the design.

Figure 12 ­ Three Stage Phase­Shift Sinewave Oscillator

While the design is straightforward and has fairly low distortion, the amplitude will vary a little asthe frequency is changed via VR1. The amplitude can be varied to some extent by changing theratio of R3 and R4, but this also changes the frequency and is not useful. U1 operates as aamplifier with gain controlled by R3 and R4. As shown it has a gain of 10 (100k / 10k), and if thegain is reduced by much it won't oscillate. Higher gain makes oscillation a certainty, but at theexpense of higher distortion. With a 12V supply, the output level is about 460mV RMS with adistortion of 0.8%. Frequency is 50Hz with VR1 set to 52k. Because the output sinewave is takenfrom the output of an opamp, it has low impedance. To obtain a higher level, U4 can be wired asan amplifier, or the output can taken from U3 (930mV with 2% distortion).

This oscillator is usable for either linear or Class­D inverters. There's obviously not much pointmaking a sinewave oscillator for a modified squarewave inverter. A good sinewave can also becreated using digital synthesis, and that has the advantage that it can be crystal controlled. Whileabsolute frequency stability is usually not very important for an inverter, it doesn't hurt anythingand if it comes (virtually) free then what's not to like? A PIC can be used to generate the

sinewave, and also monitor circuit performance, temperature, etc.

Figure 13 ­ Schmitt Trigger + Integrator Triangle Generator

The triangle wave generator can also be done many different ways, but as shown above is fairlysimple and has good linearity. U1 is wired as a Schmitt trigger, having positive feedback appliedto its non­inverting input. U2 is an integrator. The output from U2 increases until the non­invertinginput of U1 is forced higher than the reference voltage (Vref) at the inverting input. It rapidlyswitches its output high, causing the output of U2 to fall linearly until the non­inverting input of U1is forced lower than Vref. The cycle repeats indefinitely. With the values shown and a 12V supply,the output amplitude is 4V peak­to­peak at a frequency of 25.8kHz. VR1 allows you to set thelevel to match that from the sinewave generator for the optimum modulation level. C2 is used atthe 'bottom' end of VR1 so that the 6V reference voltage is retained, and doesn't vary with the potsetting. R6 ensures that the triangle wave and DC reference level cannot be lost, even if the potbecomes open­circuit.

Figure 14 ­ Comparator To Create PWM Waveform

By combining the circuits of Figure 12 and Figure 13 and adding a comparator, we get a completepulse width modulator ­ and yes, it really is that simple. For a better idea of the exact waveformsinvolved, refer to Figure 8. The output is PWM, and is ready to send to the switching MOSFETsvia a suitable level shifter and gate driver IC. These are readily available, with the InternationalRectifier IR2110 being one of the most common. This part is specifically designed to drive the

gates of MOSFETs for Class­D amplifiers.

Figure 15 (Left) ­ PWM Waveform, 2.5kHz with 50Hz ModulationFigure 16 (Right) ­ Recovered 50Hz Signal With Spectrum

Figure 15 shows the output of a pulse width modulator along the lines of that shown in Figure 14.The main difference is that I used an opamp (which works but is isn't really fast enough), and Ihad to reduce the triangle waveform frequency to 2.5kHz so the waveform could be seen properlyon the oscilloscope.

The recovered waveform is shown in Figure 16, along with the frequency spectrum in the lowerviolet trace. The 50Hz waveform is the spike at the extreme left, and the 2.5kHz residual (with itssidebands) is seen in the centre of the frequency domain measurement. The filter used was just asimple resistor­capacitor low­pass type with a ­3dB frequency of 159Hz (10k resistor and 100nFcapacitor), so there's more of the 2.5kHz signal than you'd normally see. If the modulation carrierfrequency is increased to 25kHz, the 50Hz waveform is very clean indeed ­ even with such acrude filter and slow opamp.

8 ­ Regulation

Many inverters offer 'regulation', but it's often not proper regulation that maintains both peak andRMS at the designated output voltage. For modified squarewave inverters, the regulation circuitwill attempt to maintain the RMS voltage as the peak sags under load. This is done by making the'on' periods longer, and the output voltage starts to resemble that from a squarewave inverter asthe load is increased.

True sinewave inverters using PWM will use a variety of techniques, but the easiest is simply toallow the output waveform to clip. The alternative is to ensure that the PWM amplifier has someheadroom, and to apply a comprehensive feedback circuit to ensure that the AC output remainswithin preset limits.

With all inverters, it is essential to realise that the current on the input side will be very high. Thatmeans that everything in the chain can affect the regulation, from the battery, supply leads,switching devices and transformer primary windings. Even a rather paltry 100W inverter will draw8.33A DC at 12V, but the instantaneous current is higher and losses haven't been considered.The actual (average) current will be closer to 10A, and peak current will be almost 20A. Even asmall resistance causes a serious voltage drop ­ for example just 0.1 ohm will cause a loss of 2Vat 20A, so 12V is now only 10V.

It is quite obvious that if 12V is reduced to 10V at the peak current, then the output voltage mustfall at least in proportion, and there may be a bit more loss due to internal resistances. Therequired peak of 325V will fall to only 270V and the RMS value will be down to about 190V. Theonly way that proper output regulation can be achieved is with feedback. A high voltage PWMinverter is likely to be the only one that can offer both acceptable regulation (better than 5% fromno load to full load) while maintaining the correct peak to RMS ratio ­ see below.

9 ­ Transformers

The transformer used for an inverter is invariably a step­up type. The primary must have very lowresistance because of the high current involved, and in all cases the transformer has to bedesigned for the mains frequency in use. This means that it will be comparatively large ­ at leastthe same size as a normal step­down transformer intended for the same VA rating.

Depending on the intended usage (intermittent or permanently connected for example) theallowable losses will be different. A transformer that will only be used for occasional UPS dutiesmay be smaller than the ideal case, and it will therefore be cheaper, smaller and lighter. Ofcourse, it will also have higher losses. The primary inductance is of little real consequence, but itmust be high enough to ensure that magnetising current at 50 or 60Hz is low enough to ensurelosses are within sensible limits.

As an example, a fairly basic (i.e. nothing special) mains voltage transformer may draw 50mAfrom a 230V 50Hz mains supply with no load. This is the magnetising current, and the effectiveinductance is therefore calculated using the normal inductive reactance formula ...

XL = V / IXL = 230 / 0.05 = 4.6k ohmsL = XL / ( 2 * π * f )L = 4.6k / ( 6.283 * 50 ) = 14.64H

It follows that if the turns ratio is 30:1 (7.66V RMS Output) that the effective secondary inductancewill be about 488mH, and when used in reverse the magnetising current will be around 1.5A. Asalways with transformer design, it's really only the core saturation limit that needs to beaddressed, and this depends on the core material, the type of core (E­I, toroidal, etc.) and themaximum allowable dissipation at idle. Contrary to popular belief, the core flux of any transformeris at a maximum when there is no load. The flux always reduces as the load current is increased[5].

For a step­up transformer, it is essential that the low voltage primary has enough turns to preventcore saturation. It's a much bigger problem with step­up transformers because the primaryresistance is very low, and even slight saturation will cause a dramatic increase in the currentdrawn from the battery. Unlike a conventional mains transformer, the primary resistance is too lowto provide any current limiting.

As always, transformer design is a compromise, and to get the lowest resistance means few turnsof thick wire. However, if the wire is so thick that you can't get enough turns, the core will saturateand no­load losses become excessive. The designer's task is to work out the thickest wirepossible for the turns needed, and to choose a core that's big enough to avoid saturation, but notso big that it becomes too heavy and expensive.

Perhaps surprisingly, even if the amplifier is PWM at high frequency, the transformer can't be asmall ferrite core type. The low frequency content (i.e. the mains frequency) is the dominant

factor, and the transformer has to be able to handle that, not the switching frequency. Thislimitation applies even if there is no low pass filter between the amplifier(s) and the transformer'slow voltage primary.

It's not at all uncommon for commercially available inverters to have a transformer that is clearlytoo small. In order to get the required number of turns needed to avoid saturation, the transformermust use wire that is thinner than required to remain cool under load. This is usually addressed byfan cooling the transformer. Although this certainly works and prevents the transformer from melt­down, it doesn't prevent the losses that cause the transformer to get hot in the first place. Theresult is decreased efficiency.

Conclusion

As should now be obvious, an inverter is not trivial. Many of the cheap ones that are available areonly low power, and if they claim to be more than around 100VA then you can be assured thatthey won't be the size of a drink can. Remember that the transformer alone will be rated for thefull load current, so even a small inverter (100VA, or 230V at 430mA) needs a transformer ratedfor at least 100VA. Most will make claims of up to double the rated output for 'surge' or 'peak'output, but this will almost invariably mean that the transformer is overloaded during this period. Acommon method to allow a smaller than ideal transformer is to fan cool it, and this is quitecommon for cheap inverters.

Frequency accuracy and stability are rarely quoted. Although relatively unimportant for mostapplications (5% accuracy will usually be quite sufficient) there are a few cases where bothstability and frequency are extremely important. Don't imagine that any budget inverter is stableenough to drive synchronous clock or timer motors for example. An error that's insignificant formost applications is extremely significant for clocks and mechanical timers that use the mains asa reference frequency.

In case anyone was wondering, there is no project for a sinewave inverter and there's not about tobe. On­line auction sites will have many listings for inverters, some will be modified squarewave(but claim "modified sinewave"), and others shown as true sinewave. This may or may not be thetruth. Either way, at the prices they sell for, it's not worth trying to build one. In general, I'd suggestthat you halve the claimed rating, as I suspect that very few are capable of their advertised powerratings, but even after doing that, they are still cheap.

Because of the very high currents involved, the switching devices must be extremely rugged, andgood protection is needed to ensure that momentary overloads don't cause failure. It is alsonecessary to include battery protection, so that if the voltage falls below a pre­determinedminimum voltage the inverter turns off. If this isn't included, the battery will be ruined because allcurrent chemistries are damaged if they are discharged too far. As a guide, you can assumeabout 10A for each 100W of output with a 12V input. This assumes an overall efficiency of around83%, which will cover most budget inverters and quite a few up­market types as well.

For those so inclined, it can be amusing to look through some of the advertisements for inverters.I've seen 2,500W (5,000W peak) inverters, where it's claimed that the unit has a 40A fuse. Sincethe inverter can be expected to draw up to 500A at 12V (~250A at full rated continuous power), Iwonder what the fuse is for.

References

1.  DC/AC Pure Sine Wave Inverter ­ Worcester Polytechnic Institute

2.  800VA Pure Sine Wave Inverters Reference Design ­ Texas Instruments3.  Class D Audio Amplifiers ­ Theory and Design 4.  Sinewave Oscillators ­ Characteristics, Topologies and Examples 5.  Transformers ­ The Basics (Section 1) 

 

Main Index 

Articles Index

Copyright Notice. This article, including but not limited to all text and diagrams, is the intellectual property of RodElliott, and is Copyright © 2014. Reproduction or re­publication by any means whatsoever, whether electronic,mechanical or electro­ mechanical, is strictly prohibited under International Copyright laws. The author grants thereader the right to use this information for personal use only, and further allows that one (1) copy may be made forreference. Commercial use is prohibited without express written authorisation from Rod Elliott.Page published and copyright © March 2014.