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最大功率跟踪逆变器的设计与实现

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最大功率跟踪逆变器的设计与实现

最大功率跟踪逆变器的设计与实现最大功率跟踪逆变器的设计与实现摘要 为解决直流逆变交流的问题, 有效地利用能源, 让电源输出最大功率, 设计了高性能的基于 IR2101 最大功率跟踪逆变器,并以 SPMC75F2413A 单片机作为主控制器。高电压、高速功率的 MOSFET 或 IGBT 驱动器 IR2101 采用高度集成的电平转换技术,同时上管采用外部自举电容上电,能够稳定高效地驱动 MOS 管。该逆变器可以实现 DC/AC 的转换,最大功率点的跟踪等功能。 实际测试结果表明, 该逆变器系统具有跟踪能力强, 稳定性高, 反应灵敏等特点, 该逆变器不仅可应用于普通的电源逆变系统, 而且可应用于光伏并网发电的逆变系统, 具有广泛的市场前景。随着工业和科学技术的不断发展, 对电能质量的要求将越来越高, 包括市电电网在内的原始电能的质量可能满足不了设备要求,必须经过电力电子装置变换后才能使用,而 DC / AC 逆变技术在这种变换中将起到重要的作用。根据市场趋势,逆变器的选型安装越来越倾向于小型化、智能化、 模块化等方向发展, 其控制电路主要采用数字控制, 系统的安全性, 可靠性以及扩展性,同时将各个完善的保护电路考虑其中。 因此, 这里提出一种基于 IR2101 的最大功率跟踪逆变器设计方案。1 IR2101 简介IR2101 是双通道、栅极驱动、高压高速功率驱动器,该器件采用了高度集成的电平转换技术, 大大简化了逻辑电路对功率器件的控制要求, 同时提高了驱动电路的可靠性。 同时上管采用外部自举电容上电,使驱动电源数目较其他 IC 驱动大大减少,在工程上减少了控制变压器体积和电源数目,降低了产品成本,提高了系统可靠性。IR2101 采用 HVIC 和闩锁抗干扰制造工艺, 集成 DIP、 SOIC 封装。 其主要特性包括悬浮通道电源采用自举电路;功率器件栅极驱动电压范围 10 ~ 20 V;逻辑电源范围 5~ 20 V,而且逻辑电源地和功率地之间允许 5 V 的偏移量;带有下拉电阻的 CNOS 施密特输入端,方便与LSTTL 和 CMOS 电平匹配;独立的低端和高端输入通道。 IR2101 的内部结构框图。图 1 IR2101 的内部结构框图图 1 中, HIN 为逻辑输入高; LIN 为逻辑输入低; VB 为高端浮动供应; HO 为高边栅极驱动器输出; Vs 为高端浮动供应返回; Voc 为电源; LO 为低边栅极驱动器输出; COM 为公共端。2 系统硬件设计根据系统设计功能需求,其硬件组成框图。该系统硬件设计是由 SPMC75F2413A 单片机主控制器模块、外部供能系统(普通或光伏) 、斩波电路模块、 IR2101 逆变电路模块和最大功率跟踪外部电路模块组成。通过最大功率跟踪外部电路模块检测外部电压,将检测值返回到SPMC75F2413A 主控制器中。 斩波电路模块通过主控制器对其控制, 实现最大功率跟踪。 外部供能系统是为各个模块提供电源。 IR2101 逆变电路模块主要实现 DC/ AC 的转换, 并由斩波电路为其提供最大功率点的电能。图 2 系统硬件总体设计框图图 2 中的 SPMC75F2413A 单片机正常工作电压为 5 V。但是其他模块所加的电压不同,斩波电路模块与 IR2101 逆变电路模块所加的电压为 15 V。因为 IR2101 的正常工作电压为10 ~ 20V 。2 . 1 IR2101 逆变电路IR2101 逆变电路原理图, H1 、 H2 为 IR2101 集成驱动芯片, VQ1 、 VQ2 、 VQ3 、 VQ4为 MOS 管, Up、 Un 、 Vp 、 Vn 是 SPMC75F2413A 单片机中输出的两相四路 PWM 波。其中Up、 Un 是一相 PWM 波的上下臂, Vp、 Vn 为另一相 PWM 波的上下臂,由于单片机中输出的PWM 波不能驱动大功率 MOS 管,因此利用 IR2101 的电容自举功能,通过二极管 VD1 、 VD2(采用肖特基管所具有的快恢复功能, 提升电容充电电压, 关断过程减少消耗能量) 对自举电容C1、 C2 进行充电,以此提升驱动 MOS 管的信号电压,使其具有扩大信号输出的功能,扩大后的信号 PWM 波就能有序地控制 VQ-1 、 VQ2 、 VQ3 、 VQ4 的通断,在逆变电路中同一相的上下臂的驱动信号是互补。图 3 IR2101 逆变电路原理图当 Up 输入高时, HO 输出也为高,通过 IR2101 的电容自举功能,就能控制 VQ1 导通,此时由于 LO 输出为低, 不能驱动 VQ2 , 因此 VQ2 处于关断状态, 同时 Vp 也输入一个高电平,即 HO 为高,使 VQ4 处于导通状态,而此时 VQ3 处于关断状态,因此 T1VQ1R5(负载) VQ4GND 形成一个通路。反之,当 Up 、 Vp 为低电平, Un 、 Vn 为高电平时,即电流的主要流向为 T1VQ3R5 (负载) VQ2GND , 4 个 MOS管开关器件有序地交替通断,进而在 R5(负载)处形成了交流电。在实际应用中为了防止上下臂同时导通而造成短路,在软件设计的过程中,添加了死区时间,来保护整个电路。摘要 为解决直流逆变交流的问题, 有效地利用能源, 让电源输出最大功率, 设计了高性能的基于 IR2101 最大功率跟踪逆变器,并以 SPMC75F2413A 单片机作为主控制器。高电压、高速功率的 MOSFET 或 IGBT 驱动器 IR2101 采用高度集成的电平转换技术,同时上管采用外部自举电容上电,能够稳定高效地驱动 MOS 管。该逆变器可以实现 DC/AC 的转换,最大功率点的跟踪等功能。 实际测试结果表明, 该逆变器系统具有跟踪能力强, 稳定性高, 反应灵敏等特点, 该逆变器不仅可应用于普通的电源逆变系统, 而且可应用于光伏并网发电的逆变系统, 具有广泛的市场前景。随着工业和科学技术的不断发展, 对电能质量的要求将越来越高, 包括市电电网在内的原始电能的质量可能满足不了设备要求,必须经过电力电子装置变换后才能使用,而 DC / AC 逆变技术在这种变换中将起到重要的作用。根据市场趋势,逆变器的选型安装越来越倾向于小型化、智能化、 模块化等方向发展, 其控制电路主要采用数字控制, 系统的安全性, 可靠性以及扩展性,同时将各个完善的保护电路考虑其中。 因此, 这里提出一种基于 IR2101 的最大功率跟踪逆变器设计方案。1 IR2101 简介IR2101 是双通道、栅极驱动、高压高速功率驱动器,该器件采用了高度集成的电平转换技术, 大大简化了逻辑电路对功率器件的控制要求, 同时提高了驱动电路的可靠性。 同时上管采用外部自举电容上电,使驱动电源数目较其他 IC 驱动大大减少,在工程上减少了控制变压器体积和电源数目,降低了产品成本,提高了系统可靠性。IR2101 采用 HVIC 和闩锁抗干扰制造工艺, 集成 DIP、 SOIC 封装。 其主要特性包括悬浮通道电源采用自举电路;功率器件栅极驱动电压范围 10 ~ 20 V;逻辑电源范围 5~ 20 V,而且逻辑电源地和功率地之间允许 5 V 的偏移量;带有下拉电阻的 CNOS 施密特输入端,方便与LSTTL 和 CMOS 电平匹配;独立的低端和高端输入通道。 IR2101 的内部结构框图。图 1 IR2101 的内部结构框图图 1 中, HIN 为逻辑输入高; LIN 为逻辑输入低; VB 为高端浮动供应; HO 为高边栅极驱动器输出; Vs 为高端浮动供应返回; Voc 为电源; LO 为低边栅极驱动器输出; COM 为公共端。2 系统硬件设计根据系统设计功能需求,其硬件组成框图。该系统硬件设计是由 SPMC75F2413A 单片机主控制器模块、外部供能系统(普通或光伏) 、斩波电路模块、 IR2101 逆变电路模块和最大功率跟踪外部电路模块组成。通过最大功率跟踪外部电路模块检测外部电压,将检测值返回到SPMC75F2413A 主控制器中。 斩波电路模块通过主控制器对其控制, 实现最大功率跟踪。 外部供能系统是为各个模块提供电源。 IR2101 逆变电路模块主要实现 DC/ AC 的转换, 并由斩波电路为其提供最大功率点的电能。图 2 系统硬件总体设计框图图 2 中的 SPMC75F2413A 单片机正常工作电压为 5 V。但是其他模块所加的电压不同,斩波电路模块与 IR2101 逆变电路模块所加的电压为 15 V。因为 IR2101 的正常工作电压为10 ~ 20V 。2 . 1 IR2101 逆变电路IR2101 逆变电路原理图, H1 、 H2 为 IR2101 集成驱动芯片, VQ1 、 VQ2 、 VQ3 、 VQ4为 MOS 管, Up、 Un 、 Vp 、 Vn 是 SPMC75F2413A 单片机中输出的两相四路 PWM 波。其中Up、 Un 是一相 PWM 波的上下臂, Vp、 Vn 为另一相 PWM 波的上下臂,由于单片机中输出的PWM 波不能驱动大功率 MOS 管,因此利用 IR2101 的电容自举功能,通过二极管 VD1 、 VD2(采用肖特基管所具有的快恢复功能, 提升电容充电电压, 关断过程减少消耗能量) 对自举电容C1、 C2 进行充电,以此提升驱动 MOS 管的信号电压,使其具有扩大信号输出的功能,扩大后的信号 PWM 波就能有序地控制 VQ-1 、 VQ2 、 VQ3 、 VQ4 的通断,在逆变电路中同一相的上下臂的驱动信号是互补。图 3 IR2101 逆变电路原理图当 Up 输入高时, HO 输出也为高,通过 IR2101 的电容自举功能,就能控制 VQ1 导通,此时由于 LO 输出为低, 不能驱动 VQ2 , 因此 VQ2 处于关断状态, 同时 Vp 也输入一个高电平,即 HO 为高,使 VQ4 处于导通状态,而此时 VQ3 处于关断状态,因此 T1VQ1R5(负载) VQ4GND 形成一个通路。反之,当 Up 、 Vp 为低电平, Un 、 Vn 为高电平时,即电流的主要流向为 T1VQ3R5 (负载) VQ2GND , 4 个 MOS管开关器件有序地交替通断,进而在 R5(负载)处形成了交流电。在实际应用中为了防止上下臂同时导通而造成短路,在软件设计的过程中,添加了死区时间,来保护整个电路。2 . 2 斩波电路斩波电路原理图,该电路主要用于进行最大功率跟踪,其电源为独立电压源, R6( 30/ 30 W)为功率电阻,其主要作为电源内阻, R7、 R8 是为了检测负载端的电压值而形成的分压电路,通过 Ud1 进行检测,将检测结果返回到单片机中进行处理,通过调节 PWM波的占空比,进而控制 VQ5 开启与关断的时间。当检测到 Ud1X ( R7R8 )/ R8 的值大于一半时, 单片机就会将斩波电路的占空比调大, 让其通过的电压增大, 进而使其值接近光伏电池的一半, 如果检测到其值小于一半的时候, 会将占空比调小, 让其通过的电压变小, 这样通过跟踪电压来实现频率的跟踪功能。图 4 斩波电路原理图2 . 3 最大功率跟踪模型分析本设计为了实现最大功率的跟踪模型,电路,使得内阻 R8 和外阻 Rb 相等, Ud 的电压为电池电源的一半就可以得到电池输出功率最大了, 这种情况应用于线性电路中, 但是在非线性电路中也可以利用这个原理,本项目通过电压跟踪的功能,实现最大功率的跟踪,主要通过调节PWM 波的占空比大小实现本功能。图 5 最大功率的跟踪模型3 系统软件设计A/ D 采样函数流程图,此函数主要是用于采集负载端的的电压值,最后转换为幅度调制系数。本此函数中使用了 CMT0 定时器中断,在此中断中进行了 A/ D 采样,将采集的电压值与换算后的电源电压中点值 Vmid (见图 4 ,即利用 R7 、 R8 组成分压电路, R7 R89 1) ,进行比较,当差值的绝对值大于 100 的时候,判断为采集值出现异常,强制将电源电压转换后的中点值转换为幅度调制系数,当二者之间的差值的绝对值小于 100 时,将差值加到 Vmid 上,然后再转换为幅度调制系数,最后返回中断。图 6 A/ D 采样函数流程图在本函数中斩波电路的 PWM 中断使用了 TPM2 中断, 在此中断中使用了幅度调制系数去调节斩波电路的 PWM 波的占空比,进而实现电压的跟踪功能,最终是实现最大功率的跟踪。斩波电路 PWM 中断子函数流程图。图 7 斩波电路 PWM 中断子函数流程图4 最大功率测试结果对斩波电路后的 J2 点进行测试的,将 J2 点处接 1 个 30 W/ 30 的功率电阻作为负载,测试出表 1 中的各项数据。表 1 测试结果5 结束语本设计方案采用具有出色性能的定时器 PWM 信号发生器组的 16 位结构的微处理器SPMC75F2413A 单片机进行设计, 主要利用了此单片机的 PWM 信号发生器组产生控制逆变电路和斩波电路的 PWM 波,还利用了 IR2101 的自举功能,对功率 MOS 管进行有序驱动,实现逆变,控制斩波电路的 PWM 波占空比,实现了最大功率的跟踪逆变器的设计。通过验证,输出的正弦交流信号十分明显,并具有最大功率的跟踪功能。

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