單相正弦波有源逆變并網(wǎng)電源

陳繼棟，施崇陽(yáng)，周樂(lè)意

（武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430079）

全球能源危機(jī)和環(huán)境惡化問(wèn)題推動(dòng)了新能源的發(fā)展，使得太陽(yáng)能、燃料電池等清潔能源得到了利用。由于這些能源以直流電壓的形式提供電能，因此需要逆變作為接口。在日常生活中市電（220 V/50 Hz）提供了人們所需的絕大多數(shù)能源，本系統(tǒng)將直流電轉(zhuǎn)換為220 V/50 Hz的交流電，配合市電一起提供能量。

1 總體方案的比較與選擇

1.1 逆變回路的選擇

逆變是與整流相對(duì)應(yīng)的，將直流電變?yōu)榻涣麟姟?/p>

方案一：半橋逆變電路，優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單，使用器件少。缺點(diǎn)：輸出交流電壓幅值為輸入電壓的一半，且直流側(cè)需兩電容串聯(lián)，要控制兩者電壓均衡。應(yīng)用：用于幾kW以下的小功率逆變電源；單相全橋、三相橋式都可看成若干個(gè)全橋逆變電路的組合。

方案二：全橋逆變電路，共4個(gè)橋臂，可看成兩個(gè)半橋電路組合而成，兩對(duì)橋臂交替導(dǎo)通180o，輸出電壓和電流波形與半橋電路形狀相同，幅值高出一倍，改變輸出交流電壓的有效值只能通過(guò)改變輸入直流電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)，阻感負(fù)載時(shí)，還可以采用移相的方式來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓[2]。

方案三：推挽式逆變，逆變器是由具有中心抽頭變壓器，兩只開關(guān)管V1、V2碭和兩只二極管D1、D2構(gòu)成的，是一種完全對(duì)稱的結(jié)構(gòu)形式。且V1和V2發(fā)射極接在電源的負(fù)極，驅(qū)動(dòng)十分方便，也不必進(jìn)行隔離。變壓器兩個(gè)初級(jí)繞組的匝數(shù)相等，即W11=W12=W1，次級(jí)繞組的匝數(shù)為W2[3]。

如圖1所示。綜合比較，本系統(tǒng)采用方案二。

圖1 推挽式逆變Fig.1 Push-pull inverter

1.2 SPWM波得產(chǎn)生方案

SPWM即正弦波脈寬調(diào)制，是把一個(gè)正弦波分成N個(gè)等幅而不等寬的方波脈沖，每一個(gè)方波的寬度與其所對(duì)應(yīng)時(shí)刻的正弦波的值成正比，這樣就產(chǎn)生了與正弦波等效的等幅矩形脈沖序列波。從理論上講，這一系列脈沖波形的寬度可以嚴(yán)格地用計(jì)算的方法求得，作為控制逆變器中各個(gè)開關(guān)器件的通斷依據(jù)，但較為實(shí)用的辦法是引用“調(diào)制”這一概念，以期望的波形（在這里是正弦波）作為調(diào)制波，而受它調(diào)制的信號(hào)稱為載波。在SPWM中常用等腰三角波作為載波，因?yàn)榈妊切问巧舷聦挾染€性對(duì)稱變化的波形，當(dāng)它與任何一個(gè)光滑的曲線相交時(shí)，在交點(diǎn)時(shí)刻控制開關(guān)器件的通斷，即可得到一組等幅而脈沖寬度正比于該曲線函數(shù)值的矩形脈沖[4]。

方案一：使用 SPWM集成芯片，如 HEF4752、SLE4520。HEF4752是全數(shù)字化生成三相SPWM波的集成電路芯片，既可用于有強(qiáng)迫換流電路的三相晶閘管逆變器，也可用于由全控型電力電子器件構(gòu)成的逆變器。此方法可行，但是不經(jīng)濟(jì)，在有更合理方案的情況下，不采取此方案。

方案二：利用軟硬結(jié)合產(chǎn)生SPWM波。根據(jù)DDS原理，軟件生成正弦波，利用硬件生成三角波，然后將兩路信號(hào)送入比較器進(jìn)行比較，即可得到SPWM波。利用模擬電路實(shí)現(xiàn)SPWM輸出的系統(tǒng)具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，但是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)功能有限，并且控制精度受環(huán)境溫度和器件參數(shù)影響較大，電路的更改也比較困難。全硬件實(shí)現(xiàn)SPWM有自身的局限性。

方案三：采用軟件生成SPWM波，單片機(jī)內(nèi)生成數(shù)字正弦波序列，然后與三角波序列比較，直接生成SPWM波。軟件生成SPWM波較容易，大大減小了硬件工作量，系統(tǒng)的可靠性高。綜上，本系統(tǒng)采用方案三。

1.3 功率管隔離驅(qū)動(dòng)方案

在功率變換裝置中，根據(jù)主電路的結(jié)構(gòu)，其功率開關(guān)器件一般采用直接驅(qū)動(dòng)和隔離驅(qū)動(dòng)兩種方式，采用隔離驅(qū)動(dòng)方式時(shí)需要將多路驅(qū)動(dòng)電路、控制電路、主電路相互隔離，以免引起不良后果。

方案一:使用IR2110驅(qū)動(dòng)器。它兼有光耦隔離（體積?。┖碗姶鸥綦x（速度快）的優(yōu)點(diǎn)，是中小功率變換裝置中驅(qū)動(dòng)器件的首選。IR2110由3個(gè)部分組成：邏輯輸入，電平平移和輸出保護(hù)。IR2110可以為設(shè)計(jì)帶來(lái)許多方便。

方案二:利用光耦驅(qū)動(dòng)MOSFET。通過(guò)光耦合器將控制信號(hào)回路與驅(qū)動(dòng)回路隔離。這種方式的驅(qū)動(dòng)電路由于光耦合器相應(yīng)速度低，限制了使用頻率。光電耦合器反應(yīng)慢，具有較大的延遲時(shí)間，而且光電耦合器的輸出端需要隔離的輔助電源供電。

方案三：脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)。用脈沖變壓器隔離驅(qū)動(dòng)絕緣柵功率器件有3種方法：無(wú)源、有源和自給電源驅(qū)動(dòng)。無(wú)源方法就是用變壓器次級(jí)的輸出直接驅(qū)動(dòng)絕緣柵器件，這種方法很簡(jiǎn)單也不需要單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)電源，缺點(diǎn)是輸出波形失真較大，因?yàn)榻^緣柵功率器件的柵源電容Cgs一般較大。減小失真的辦法是將初級(jí)的輸入信號(hào)改為具有一定功率的大信號(hào)，相應(yīng)脈沖變壓器也應(yīng)取較大體積，但在大功率下，一般無(wú)法滿足要求。另一缺點(diǎn)是：當(dāng)占空比變化較大時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)脈沖的正負(fù)幅值變化太大，可能導(dǎo)致不正常工作，因此只適用于占空比變化不大的場(chǎng)合。

方案四：有源變壓器驅(qū)動(dòng)。有源方法中的變壓器只提供隔離的信號(hào)，在次級(jí)另有整形放大電路來(lái)驅(qū)動(dòng)絕緣柵功率器件，驅(qū)動(dòng)波形較好，但是需要另外提供單獨(dú)的輔助電源給放大器。如果輔助電源處理不當(dāng)，可能會(huì)引進(jìn)寄生干擾。綜上分析，本系統(tǒng)采用方案一。

1.4 總體方案框圖

整個(gè)系統(tǒng)框圖如下圖2，系統(tǒng)主要包括3部分：逆變、數(shù)據(jù)測(cè)量和并網(wǎng)。全橋逆變實(shí)現(xiàn)DC-AC轉(zhuǎn)換，逆變后得到36 V交流電，經(jīng)過(guò)工頻變壓器和自耦變壓器后可得220 V/50 Hz交流電，通過(guò)相位跟蹤，檢測(cè)是否滿足并網(wǎng)條件，最終實(shí)現(xiàn)安全并網(wǎng)。數(shù)據(jù)測(cè)量主要包括輸入直流電壓、電流的測(cè)量，逆變電壓、電流的測(cè)量，市電電壓和并網(wǎng)電壓的測(cè)量。

圖2 系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of system

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 全橋逆變電路和MOSFET管驅(qū)動(dòng)電路

IR2110采用CMOS工藝制作，適應(yīng)TIL或CMOS邏輯信號(hào)輸入，具有獨(dú)立的高端和低端2個(gè)輸出通道和完整的保護(hù)電路，可以提高控制系統(tǒng)的可靠性，減小電路的復(fù)雜程度。由于邏輯信號(hào)均通過(guò)電平耦合電路連接到各自的通道上，允許邏輯電路參考地（Uss）與功率電路參考地（COM）之間有-5 V和+5 V的偏移量，并且能屏蔽小于50 ns的脈沖，這樣有較理想抗噪聲效果。引腳1和7是兩路獨(dú)立的輸出，分別是LO（低端輸出）和HO（高端輸出），引腳3和6分別是VCC（低端電源電壓）和VB（高端浮置電源電壓），引腳9（VDD）是邏輯電路電源電壓，引腳2（COM）是低端電源公共端，引腳 5和13分別是VS（高端浮置電源公共端）和VSS（邏輯電路接地端），引腳10（HIN）是邏輯輸入控制端，引腳 11（SD）是輸入關(guān)閉端，引腳12（LIN）是低端邏輯輸入。當(dāng)SD為高電平時(shí)，IR2110的輸出信號(hào)全被封鎖，其對(duì)應(yīng)的輸出端恒為低電平；而當(dāng)該腳接低電平時(shí)，IR2110的輸出信號(hào)跟隨HIN和LIN而變化。HO和LO是兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端，驅(qū)動(dòng)同一橋臂的MOSFET。為了防止同一橋臂開關(guān)管的直通問(wèn)題，通常在同一橋臂上的兩只功率開關(guān)器件SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)中加入一定的死區(qū)，減小了逆變器輸出電壓中存在的諧波。

自舉電容最好使用聚苯、CBB等電容，減少漏電，二極管使用IN5819，SD接地避免芯片發(fā)熱。

濾波電感可取大些，并聯(lián)電容應(yīng)小以減小電流損耗，Im=ωoCUo。空載時(shí)濾波器輸入基波電流的大小與電容C成正比，所以從限制逆變器電源空載損耗的角度來(lái)講，LC濾波器的電容不能太大。

在LC乘積恒定時(shí)，L越小，則輸出阻抗值越小，非線性負(fù)載適應(yīng)性越好。

圖3 全橋逆變和MOSFET管驅(qū)動(dòng)電路Fig.3 Full-bridge inverter and MOSFET driving circuit

2.2 光耦隔離電路

6N136內(nèi)封裝了一個(gè)紅外發(fā)光管和光敏三極管，具有體積小、壽命長(zhǎng)、抗干擾性強(qiáng)、隔離電壓高、高速度、與TTL邏輯電平兼容等優(yōu)點(diǎn)，可用于隔離線路、開關(guān)電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換、邏輯電路、長(zhǎng)線傳輸、過(guò)流保護(hù)、高壓控制、電平匹配、線性放大等方面。高速光耦工作頻率可達(dá)1 MHz，20 kHz內(nèi)工作良好占空比無(wú)變化，20 kHz以上占空比變大，后級(jí)接反相器能減小上升延時(shí)，減小延遲誤差。具體電路如下圖4所示。

圖4 光耦隔離Fig.4 Optical coupling isolation

2.3 直流采樣電路

在測(cè)試系統(tǒng)中，常常需要用低壓器件去測(cè)量、控制高電壓、強(qiáng)電流等模擬量，如果模擬量與數(shù)字量之間沒(méi)有電氣隔離，那么高電壓、強(qiáng)電流很容易串入低壓器件，并將其燒毀，為減少環(huán)境噪聲對(duì)測(cè)試電路的影響，確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，往往將被測(cè)電路與測(cè)試電路在電氣上進(jìn)行隔離，這就需要光電耦合器。普通光電耦合器具有非線性電流傳輸特性，這對(duì)于數(shù)字量和開關(guān)量的傳輸不成問(wèn)題，但對(duì)于模擬量的傳輸精度則很差。本系統(tǒng)采用高線性度模擬光電耦合器HCNR201，它具有很高的線性度和靈敏度，可在檢測(cè)系統(tǒng)中精確地傳送電壓信號(hào)，并進(jìn)行前向信道與后向信道的隔離。電路如圖5所示。

圖5 直流采樣電路Fig.5 DC sampling circuit

2.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換部分

采樣得到的直流電壓、直流電流、逆變電流、逆變電壓、市電電壓、市電電流均是模擬信號(hào)，需要經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后用LCD進(jìn)行顯示。本系統(tǒng)使用8通道、12位的高速A/D轉(zhuǎn)換芯片MAX197。MAX197的核心部分是一個(gè)采用逐次逼近方式的DAC，前端包括一個(gè)用來(lái)切換模擬輸入通道的多路復(fù)用器以及輸入信號(hào)調(diào)理和過(guò)壓保護(hù)電路，內(nèi)部還建一個(gè)2.5 V的能隙基準(zhǔn)電壓源。MAX197既可以使用內(nèi)部參考電壓源，也可以使用外部參考電壓源。當(dāng)使用內(nèi)部參考源時(shí)，芯片內(nèi)部的2.5 V基準(zhǔn)源經(jīng)放大后向REF提供4.096 V參考電平。這時(shí)應(yīng)在REF與AGND之間接入一個(gè)4.7 μF電容，在REFADJ與AGND之間接入一個(gè)0.01 μF電容。當(dāng)使用外部參考源時(shí)，接至REF的外部參考源必須能夠提供400 μA的直流工作電流，且輸出電阻小于10 Ω。如果參考源噪聲較大，應(yīng)在REF端與模擬信號(hào)地之間接一個(gè)4.7 μF電容。模擬量輸入通道擁有±16.5 V的過(guò)電壓保護(hù)，即使在關(guān)斷狀態(tài)下，保護(hù)也有效。

3 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)在單路電源25±5 V直流輸入的情況下，經(jīng)逆變后得到了50 Hz正弦交流電壓，經(jīng)升壓后得到220 V/50 V交流電壓，通過(guò)相位跟蹤，最終和220 V市電安全并網(wǎng)。在阻性負(fù)載的情況下，輸出電壓波形失真度小于2%，效率高，整個(gè)系統(tǒng)過(guò)流保護(hù)和負(fù)載短路保護(hù)功能完善。

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