整合MicrochipIR核心芯片的数字式正弦波逆变器方案

网址 http//www.cntronics.com http//www.52solution.com整合 Microchip/IR 核心芯片的数字式正弦波逆变器方案贝能国际应用设计中心经理 韩兴涛大家好，我是贝能国际应用设计的韩兴涛。今天我跟大家分享的是数字式正弦波逆变器方案。这是我要讲的内容，首先我会简单介绍一些逆变器的结构和分类，然后着重讲一下 600W 数字式正弦波逆变解决方案，最后讲 200W 并网太阳能逆变器参考设 计。逆变器主要是通过半导体功率器件的开关关断把直流电变成交流电，其在日常生活里面有着广泛的用途。太阳能发电领域逆变器是不可或缺的，在实际应用里面 有几种，一种是并网，还有一种是非并网的。在移动工具上面，例如在车杆逆变器、传感逆变器。在便携式数码发电机方面也有应用，根据负载的实际大小来调节油 门的大小，达到比较高的效率。逆变器的分类，如果按照输出电压波形来分，有方波、阶梯波和正弦波逆变器；按输出的相数分单相逆变器、三相逆变器、多相逆变器；按照输出电源的性质，可以 分成电压原形逆变器和电流原形逆变器；按照工作频率有高频和工频；按照功率的流动方向有单向逆变器和双方逆变器；按照负载是否有源，分为有源逆变器和无源 逆变器；按照组成电路模式，分为模拟和数字式逆变器，今天主要讲数字逆变器；按照是否隔离型分成隔离和非隔离型逆变器。现在讲各种逆变器的主要特点，像方波、阶梯波逆变器，其电路简单、成本低、效率高；缺点是谐波失真大，应用范围有一定的限制。正弦波逆变器，其电路复杂、 成本高、效率低，优点是谐波失真小，应用范围广。产生的交流电品质和电网可以相比较，基本上达到电网的品质。工频逆变器，其结构简单、可靠性高、抗冲击性 能好，但效率低、体积笨重。高频逆变器刚好相反，其体积和重量小、效率比较高，其可靠性和稳定性仍需不断提高，而且这是今后发展的趋势。模拟电镀逆变器， 其特点主要是系统灵活度低，为了提高性能，可能要改进系统整个线路的结构；因为元件参数比较差，导致系统的一致性比较差，调试相对比较困难，但其优点是网址 http//www.cntronics.com http//www.52solution.com电 路比较成熟，研发周期短，难度较小。数字式逆变器，好处是系统灵活，在硬件不动的情况下，仅通过改进算法就可提高性能，一致性很好，调试简便，最大的优点 是智能程度高，但缺点是研发难度大，涉及到算法，研发周期长，数字式逆变器这是未来的发展方向。下面说一下逆变器的拓扑结构。 在逆变器的前期， 实现 DC-DC 转换。 这是比较通用的前级推挽 ，输出电压由输出的交流电压决定，它的优点是只有两个电容管。网址 http//www.cntronics.com http//www.52solution.com这是 DC-AC 的逆变拓扑，主要是半桥控制和全桥控制。半桥控制需要两个电压和两个电容， 其优点有两个 PWM 信号、两个功率管。缺点是两路高压输入、两个高压电容，它对功率器械的耐压要求比较高，前端功率变压器需两组高压绕组。另外一种全桥控制，其电路如上图所示，其优点是只需要一组高压输入、一个高压电容即可，功率变压器设计简单，功率管耐压要求比较低，适合大功率场合。其缺点是需要的功率器件比较多，需要四个功率管和四个 PWM 信号。网址 http//www.cntronics.com http//www.52solution.com而数字式正弦波逆变器，里面包含了 DC-DC 的控制。我们可以把 12V 直流电压转变成 380V 的直流高压，同时还包含全桥递变，完成 DC/AC 全桥 逆变，后级输出 220V/50HZ 交流电。包含负载输出的电流检测、输入电压的检测以及前期的过流保护，还有显示界面都可以在芯片里面完成。下面看一下它的主要参数输入 12V，输出 230V ，输出频率 50赫兹，失真小于 3，效率基本上可以达到 88，保护功能比较齐全。这是我们实测的电压电流的波形。网址 http//www.cntronics.com http//www.52solution.com刚刚我们展示了 NT3006EWI 的单芯片控制方案，另外一款是 ND3003，它只是一个后级全桥DC/AC 逆变，它前级没有做进去，适应的功率是 比较宽的。它加了一个风扇自动控制的光能和一些其他的功能， 保护功能比较齐全。 正弦波逆变专用控制芯片 NT300EAP ， 后级全桥 DC/AC逆变，适合不 同功率范围，冷却风扇开关控制，检测控制直流母线电压。因为现在是从方波转成正弦波。我们用 NT300EAP 做后级的正弦逆变。 600W 数字式正弦波逆变 器方案我讲完了。下面讲太阳能光伏逆变。这是太阳能光伏逆变的 UI 曲线，这是在不同情况下，光伏电池的输出情况左边曲线是短路电流，就是电压为零的时候的短路电源 功率，右边曲线是电流为零的情况下的电源功率，这是功率和电压的曲线。在光伏逆变器里面有两个比较重要的技术，就是我网址 http//www.cntronics.com http//www.52solution.com们要进行 MPPT 的控制。 为什么要做 最大功率点跟踪这是因为光伏电池的光照强度和电池结温会影响电池供电功率输出的两个重要参数。为达到同样日照和温度条件下尽可能得到更多的能量，达到资 源最优利用所以要用最大功率点跟踪技术，它其实就是自动寻找光源的过程。还有一个比较重要的技术叫孤岛效应。 所谓孤岛效应就是指当电网的部分线路因故障或 维修而停电时，停电线路由所连的并网发电装置继续供电，并连同周围负载构成一个自给供电的孤岛现象。可是这是有风险的，停电了，逆变器在继续供电给用户负 载，这时会产生安全问题。另外一个是外来电网突然恢复供电的时候，因为逆变器与外网的电压相位频率有冲突，会造成设备的损坏，所以在光伏逆变里面要对孤岛 效应做检测和保护。太阳能光伏逆变的并网形式有很多种， 一是光伏电池阵列， 经过很多个 DC-DC 的转换变成一个直流的母线高压，最后通过大功率的 2000-10000W 逆变 器进行并网。其缺点是系统可靠性低，如果一个逆变器坏了，整个都会工作不了，也存在安全隐患。直流的母线电压会达到比较高的电压， 通过光伏阵列， 一个接一 个的逆变， 最后一起并网供电。 这是今天想跟大家介绍的模式 ，光伏电池和逆变器做成小的模块这种并网方式，就是光伏一体化的逆变模块进行并网发电。网址 http//www.cntronics.com http//www.52solution.com这是推荐给大家的参考设计的框图，底下是 16位的控制芯片，其运算速度比较快，里面有很多常用的外围模块，它可以做单芯片的方案，可以完成 DC/DC 升压 电路的 MPPT 算法，后面是DC/AC 的逆变电路，最后经过 EMI 滤波，形成交流输出。光伏电压需要检测，输出的电压和电流要做检测，还要完成其他用户的 显示界面。微型逆变器的主要特点将比较集中逆变改成分散逆变，以优化能量的获取为目的。它的功率比较小，一般只有几百瓦。因为功率比较小的情况下，功率器件 采用软开关驱动，效率高，整体发热低，并且因为微声小的问题所以不需要冷却风扇，还有一个比较大的特点是不需要直流网址 http//www.cntronics.com http//www.52solution.com母线上的高压电解电容，我们都知道高压 电解电容的寿命一般是 5000-10000小时，这个是导致逆变失效的主要原因。这个是并网设计，有些应用场合可不需要电池。通过上面的手段，可以把整个系统逆变的可靠性，从 5年提高到 20年。现在可以做成一个一体化的模块，光伏和逆变做在一起，进行标准化设计，因为用量比较大，批量生产成本低。这就是我们参考设计的板。前面是一个转换， DC/AC 用了 Flyback 转换，这是 EMI/EMC 的滤网址 http//www.cntronics.com http//www.52solution.com波。这里同时有 110V 和 220V 两种系统性能参考 方案。一般情况下，我们只看 220V 可以达到一种什么样的性能参考范围。例如输入电压 36V，输出电压 230V ，输出交流电压范围是 180V-264V ， 额定输出频率是 50赫兹，但输出频率范围随电网的频率有影响。输出的功率大概是180W，输出电流 0.8A，输出波形谐波失真， 220V 的 THD 小于 5，效率比较高 95左右。这是实际输出电压与电流的波形。这个系统关断的时候，它可以检测孤岛效应的时候进行系统关断，刚刚我们说了这个系统有 110V/220V 的系统，原理图、 PCB 光绘图和元件清单包，括原代码，这些都可以提供给大家。我今天讲的内容就这么多，谢谢 网址 http//www.cntronics.com http//www.52solution.com这个就是方案的照片。这个方案的特点是单芯片数字控制电路，外围元件少、成本低。纯正弦波输出，谐波失真小，负载的动态响应特性好，高频 PWM 五控制模 式，具有更小的体积和重量，前后级完全隔离，适用于各种场合，一致性好，方便生产和调试。前级采用推管升压，后级采用全桥逆变电路，效率高。保护功能齐 全，灵活性及可靠性高。有些客户觉得这个产品不太理想，我只需稍加改变，就改变数字式的算法就可以提高整个逆变器的性能。我们这边做了控制检测母线电压， 里面没有判断负载的时候，空载电流比较大时，我们可以在空载的时候降低母线电压，但是我们可以保证输出电压是不变的，甚至降低空载电流，达到节能的效果。 这是显示界面辅助功能。本资料由电子元件技术网 /我爱方案网整理，资料来源第六届新型节能设计技术研讨会，详情可点击 http//www.cntronics.com/public/seminar/powersaving6