太阳能光伏逆变器设计毕业论文设计

四川科技职业技术学院毕业设计（论文）I 光伏电源逆变器的设计摘 要随着传统的三大化石能源日渐枯竭，绿色能源的开发和利用将会得到空前的发展，太阳能作为世界上最清洁的绿色能源之一，起并网发电备受世界各国普遍关注。而光伏并网发电系统的核心部件，如何可靠的高质量地向电网输送功率尤为重要，因此在可再生能源并网发电系统中起点能变换作用的逆变器成为了研究的一个热点。为此本文仍然采用 “ 全桥逆变 LC 滤波 工频升压 ” 的逆变电源设计方案。整个系统设计分为 SPWM 波形产生电路、 H 桥驱动及逆变电路、欠压过流保护电路。在 SPWM 波形产生环节，本文采用脉宽调制芯片 SG3525 的为核心。由文氏桥振荡电路产生 50Hz 的正弦波基准信号。然后经过精密整流、放大等处理输入到 SG3525 的补偿信号端， 从而输出 SPWM 波。 最后进行死区延时，输入到驱动电路中。在驱动电路设计环节中， 本文采用两片 IR2110 半桥驱动芯片构成全桥驱动电路。输出侧逆变电路中开关管选用耐压值高的 MOSFET 。然后经过工频变压器进行升压到市电，供家用电器使用。对输入、输出进行采样，实时监控是否欠压、过流，进行保护动作。最后，给出额定功率为 500W（输入电压 12V 输出交流 220V ）的单相逆变器样机的试验波形。关键词 光伏电源，逆变器 ， SPWM ， SG3525， IR2110 四川科技职业技术学院毕业设计（论文）II DESIGN OF PV POWER INVERTER ABSTRACT In recent years, photovoltaic technology has broad application. As our countrys new energy law enacted, the photovoltaic power system in our country will have a broader space for development. Inverter is an important component in PV system. Its performance has great influence on the application of photovoltaic system. Currently, the domestic pure sine wave output inverter mainly uses 50Hz transformer for raising the output voltage, this paper is still developed an inverter by using the “ Full-bridge circuit LC filter Isolator transformer ” design proposal. The whole system is divided into SPWM waveform generator circuit, H bridge driver circuit and the inverter circuit, low voltage and over-current protection circuit. In SPWM waveform generation part, this paper uses SG3525 PWM chip core. The Wien bridge oscillation circuit generates 50Hz sine reference signal. After this signal precision rectification, amplification and other processing of the compensation signal input to the SG3525-side, so this part output the SPWM wave. Finally, the SPWM signals enter into the driving circuit after dead-time delay. In the design of drive circuit part, using two IR2110 half-bridge driver chips constitute a full-bridge driver circuit. The output side of inverter switch circuit selects high voltage value MOSFET. Then through 50Hz transformer, boost to the mains for household appliances. Testing the samples of the input and output voltage, real-time monitoring is under-voltage, over current, protection action. Finally, rated power for 500W Input voltage 12V, Output communication 220V single-phase ac inverter prototype test waveforms have been given. KEY WORDS PV power, Inverter, SPWM, SG3525, IR2110 四川科技职业技术学院毕业设计（论文）III 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺所呈交的毕业设计（论文） ，是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。 尽我所知， 除文中特别加以标注和致谢的地方外， 不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果， 也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。 对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名 日 期指导教师签名 日 期使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、 保存、 使用毕业设计 （论文）的规定，即按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的前提下， 学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名 日 期四川科技职业技术学院毕业设计（论文）IV 学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。 除了文中特别加以标注引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名 日期 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名 日期 年 月 日导师签名 日期 年 月 日四川科技职业技术学院毕业设计（论文）V 目 录前 言 1第 1 章 系统设计概述 3 1.1 光伏电源逆变器的基本结构和设计要求 3 1.1.1 系统的基本结构 . 3 1.1.2 系统的基本设计要求 3 1.2 系统电源设计 4 1.3 逆变电路 4 1.3.1 逆变电路的基本工作原理 4 1.3.2 电压型逆变电路 . 5 1.4 SPWM 调制技术 . 5 1.4.1 理论基础 . 6 1.4.2 单极 SPWM 调制方式 6 1.4.3 双极性 SPWM 调制方式 8第 2 章 SPWM 调制电路 . 9 2.1 SG3525 芯片介绍 . 9 2.1.1 功能结构 . 9 2.1.2 SG3525 特性 . 9 2.2 单极性 SPWM 调制电路 . 11 2.2.1 SPWM 调制电路结构 11 2.2.2 正弦波发生器 . 11 2.2.3 精密整流电路 . 13 2.2.4 误差放大及加法电路 14 2.2.5 SPWM 调制 . 15 2.2.6 时序控制电路 . 17第 3 章 逆变电路 . 19 3.1 IR2110 芯片介绍 193.1.1 功能结构 19四川科技职业技术学院毕业设计（论文）VI 3.1.2 IR2110 特性 . 20 3.2 驱动电路设计 21 3.3 输出滤波器设计 23 3.4 保护电路设计 24第 4 章 系统调试 . 1 4.1 信号板电路的调试 . 1 4.2 信号板与 H 桥联调 3 4.3 保护电路调试 5结 论 7参考文献 . 8附 录 10四川科技职业技术学院毕业设计（论文）1 前 言逆变器（ INVERTER ）就是一种直流电转化为交流电的装置，一般是把直流电逆变成 220V 交流电。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。广泛适用于空调、家庭影院、电动砂轮、电动工具、缝纫机、 DVD 、 VCD 、电脑、电视、洗衣机、抽油烟机、冰箱，录像机、按摩器、风扇、照明等，应用十分广泛 [1] 。我国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年 17000 亿吨标准煤。太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。太阳电池及组件产量逐年稳步增加。在“光明工程”先导项目和“送电到乡”工程等国家项目及世界光伏市场的有力拉动下， 中国光伏发电产业迅猛发展。 目前我国光伏发电系统主要是直流系统，即将太阳能电池发出的电能给蓄电池充电，而蓄电池直接给负载供电，如我国西北地区使用较多的太阳能户用照明系统以及远离电网的微波站供电系统均为直流系统。此类系统结构简单，成本低廉，但由于负载直流电压的不同（如 12V 、 24V 、 48V 等） ，很难实现系统的标准化和兼容性，特别是民用电力，由于大多为交流负载，以直流电力供电的光伏电源很难作为商品进入市场。另外，光伏发电最终将实现并网运行，这就必须采用逆变器，今后交流光伏发电系统必将成为光伏发电的主流。逆变系统是光伏系统的核心环节。常用的逆变系统有电压型、电流型、功率型等，我的设计是电压型逆变器。本设计具有很高的理论价值和现实意义， 世界各国都在努力发展太阳能的应用， 预计在本世纪 20 年代用太阳能电池构成发电系统或在家电设备上的应用将成为主流。这就体现了光伏逆变器系统设计的理论意义和现实价值。光伏阵列所发的电能为直流电能，然而许多负载需要交流电能。直流供电系统有很大的局限性，不便于变换电压，负载应用范围也有限。除特殊用电负荷外，均需要使用逆变器将直流电变换为交流电。逆变器除能将直流电能变换为交流电能外，还具有自动稳压的功能，可以改善风光互补发电系统的供电质量， 在并网型光伏发电系统也需要使用具有并网功能的交流逆变器。逆变器种类很多，根据逆变器线路逆变原理的不同，有自激振荡型逆变器、四川科技职业技术学院毕业设计（论文）2 阶梯波叠加逆变器和脉宽调制（ PWM ）逆变器等。根据逆变器主回路拓扑结构不同，可分为半桥结构、全桥结构、推挽结构等。在新世纪，太阳光发电系统逆变器，不仅要求其小型、重量轻、高品质、高效率，还需满足对交流电网的电压、电流波形畸变和电压波动、瞬时停电的种种补偿和抑制功能。形成的综合系统，由于技术含量高，将产生显著的附加值。诚然，达到多功能的目标就会引起主回路的复杂化，不易实现价廉、体积小、 重量轻。 所以， 应尽可能使用简单的主回路来实现上述目标。 SPWM逆变器是目前应用最广泛和最普及的一种形式 [2] 。因此，我国广大的电子工程人员要尽早掌握这一先进技术，这不仅是提高设计效率的需要，更是我国电子工业在世界市场上生存、竞争与发展的需要。本文以 500W 光伏电源逆变器为研究设计对象。使用半桥驱动芯 IR2110简化了全桥驱动电路的设计，使用 SG3525 芯片利用 SPWM 调制技术实现220V/50Hz 正弦稳定输出。具体要求指标如下1 输入电压额定为 DCl2V ， 220V 正弦交流输出。2 输出功率额定为 500W 。3 欠压、过流保护动作。第一章介绍系统概述，阐述系统的基本结构以及系统设计的基本要求，同时概述 SPWM 调制技术及 H 桥逆变电路。 第二章详细叙述基于 SG3525 的SPWM 调制电路，并给出部分重要模块的 Multisim 仿真结果。第三章论述IR2110 驱动电路及输出滤波器设计。第四章给出系统调试过程及测试波形。四川科技职业技术学院毕业设计（论文）3 第 1章 系统设计概述 1.1 光伏电源逆变器的基本结构和设计要求 1.1.1 系统的基本结构控制电路 SPWM 调制产生 SPWM 波，经驱动电路加到 H 桥上实现全桥正弦逆变。然后经 LC 滤波，工频升压输出 220V 交流电。由于是对光伏电源进行逆变，光伏电池电量不足时表现出欠压，这就要求输入欠压保护；输出端带载能力有限，这就要求输出过流保护。对输入输出进行采样，以实现输入欠压保护，输出过流保护。系统基本结构框图如图 1-1 所示。逆变电路LC 滤波控制电路DC 输入 AC 输出输出采样输入采样工频升压图 1-1 系统框图 1.1.2 系统的基本设计要求根据设计要求，光伏电源逆变器的主要性能参数如表 1-1 所示。表 1-1 光伏逆变电源性能参数输入直流电压 12V 光伏电池指标 12V/10Ahx4 最大充电能力 8.0A 输出电压（有效值） 220V 输出额定电流 2.5A 频率 50Hz 四川科技职业技术学院毕业设计（论文）4 1.2 系统电源设计整个系统使用到 NE5532 集成运放， CMOS 4000 系列的逻辑门电路，脉宽调制芯片 SG3525 以及半桥驱动芯片 IR2110 等。 这些芯片的供电电压全部为 12V 、 -12V 所以利用 7812 和 7912 两稳压片提供 12V 的电压。 电源系统原理图如图 1-2 所示。21DCB1234J1CON4 C3104C4104Vin2GND1-12 V 3U5 7 91 2Vin1GND212 V 3U6 7 81 2C71 04C61 04C1 51 00 ufC1 41 00 ufC1470 u fC2470 u fVCC-12电 源 电 路图 1-2 电源系统 1.3 逆变电路 1.3.1 逆变电路的基本工作原理单相桥式逆变电路为例S1～ S4 是桥式电路的 4 个臂，由电力电子器件及辅助电路组成。 S1、 S4 闭合，S2、 S3 断开时，负载电压 uo 为正 S1； S1、 S4 断开， S2、 S3 闭合时， uo 为负，把直流电变成了交流电。改变两组开关切换频率，可改变输出交流电频率。电阻负载时，负载电流 io 和 uo 的波形相同，相位也相同。阻感负载时，i o 滞后于 uo，波形也不同。t1 前 S1、 S4 通， uo 和 io 均为正。t1 时刻断开 S1、 S4，合上 S2、 S3， uo 变负，但 io 不能立刻反向。io 从电源负极流出，经 S2、负载和 S3 流回正极，负载电感能量向电源反馈， i o 逐渐减小， t2 时刻降为零，之后 io 才反向并增大。（波形图如图 1-3所示）四川科技职业技术学院毕业设计（论文）5 图 1-3 逆变电路及其波形举例 1.3.2 电压型逆变电路逆变电路按其直流电源性质不同分为两种电压型逆变电路或电压源逆变电路，电流型逆变电路或电流源型逆变电路。图 1-4 电路的具体实现。图 1-4 电压型逆变电路举例（全桥逆变电路 ）电压型逆变电路的特点1 直流侧为电压源或并联大电容，直流侧电压基本无脉动。2 输出电压为矩形波，输出电流因负载阻抗不同而不同。3 阻感负载时需提供无功。为了给交流侧向直流侧反馈的无功提供通道，逆变桥各臂并联反馈二极管。 1.4 SPWM 调制技术四川科技职业技术学院毕业设计（论文）6 1.4.1 理论基础冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积 [6] ，效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同，低频段非常接近，仅在高频段略有差异 如图 1-5 所示 。f tttOa b c dtOtOtOf tf tf t图 1-5 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波 N 等分 如图 1-6 ， 可看成 N 个彼此相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等用矩形脉冲代替，等幅不等宽，中点重合，面积 冲量 相等宽度按正弦规律变化 SPWM 波形即脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的 PWM 波形要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。PWM 电压波在每一时间段都与该时段中正弦电压等效，除每一时间段的面积相等外， 每个时间段的电压脉冲还必须很窄， 这就要求脉波数量很多。脉波数越多， 不连续按正弦规律改变宽度的多脉冲电压就越等效于正弦电压。tOuabOut图 1-6 用 PWM 波代替正弦半波 1.4.2 单极 SPWM 调制方式四川科技职业技术学院毕业设计（论文）7 -C R LUdV1V2V3V4VD1VD2VD3VD4uoiou ru cuO tO tu ou ofu oU d- U d图 1-7 单极正弦波 PWM 调制方式即 Ug1 和 Ug2 互为反相，并受 Ur 极性控制。其频率为调制信号的频率 [7] 。ug3， ug4 互为反向，受 ur 和 uc 的幅值控制。由以上分析，驱动信号产生示意电路如图 1-8v c -1--三角波正弦波-1--AB11 , TV g22 , TV g44 , TV g33 , TV gAVAVBVBVrv图 1-8 驱动信号产生电路uo 0 uc0 uo 0 uc0ug21 T2 通ug20 T2 断ug10 T1断当 uruc, ug41, ug30, T 3关断 , T4导通uruc 时， 给 V1 和 V4 导通信号， 给 V2 和 V3 关断信号。 如 io0 ，V1 和 V4 通，如 io0 ， VD2 和 VD3 通， uo-Ud 。相同的开关频率时， 单极性 SPWM 开关动作次数相对少些， 谐波情况好些，多用于单相逆变。双极性 SPWM 谐波情况差些，用于三相逆变。由以上分析，驱动信号产生示意电路如图 1-10-1--cv三角波rv正弦波gV,, 4141 TTVV gg,, 3232 TTVV gg图 1-10 驱动信号产生电路四川科技职业技术学院毕业设计（论文）9 第 2章 SPWM 调制电路 2.1 SG3525 芯片介绍 2.1.1 功能结构电压调节芯片 SG3525 具体的内部结构如图 2-1 所示。其中，脚 16 为 SG3525 的基准电压源输出，精度可以达到（ 5.1 1％） V，采用了温度补偿，而且设有过流保护电路。脚 5，脚 6 和脚 7 内有一个双门限比较器，内电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成 SG3525 的振荡器 [11] 。振荡器还设有外同步输入端 脚 3。 脚 1 及脚 2 分别为芯片内误差放大器的反相输入端、同相输入端。根据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚9 和脚 1 之间一般要添加适当的反馈补偿网络。图 2-1 SG3525 原理图 2.1.2 SG3525 特性1. SG3525 基本特点1 工作电压范围 8-35V 。2 5.1V 基准电压，精度 1。3 震荡频率范围 100Hz-500KHz 。4 内置软启动开关。 图 2-2 SG3525 引脚图四川科技职业技术学院毕业设计（论文）10 5 逐个脉冲关断。6 带滞回电压的输入欠压锁定。7 PWM 锁定功能，禁止多脉冲。2. SG3525 各部分功能1 基准电压源基准电压源是一个三端稳压电路， 其输入电压 VCC 可在 835V 内变化，通常采用 15V ，其输出电压 V ST＝ 5.1V ，精度，采用温度补偿，作为芯片内部电路的电源，也可为芯片外围电路提供标准电源 [12] ，向外输出电流可达400mA ，没有过流保护电路。2 振荡电路由一个双门限电压均从基准电源取得，其高门限电压低门限电压，内部横流源向 CT 充电，其端压 VC 线性上升，构成锯齿波的上升沿，当时比较器动作，充电过程结束，上升时间 t1 为 1t 0.67 T TR C 比较器动作时使放电电路接通， CT 放电， VC 下降并形成锯齿波的下降沿，当时比较器动作，放电过程结束，完成一个工作循环，下降时间间 t2 为 2t 1.3 D TR C ，此时间即为 死 区 时 间 锯 齿 波 的 基 本 周 期 T 为 1 2Tt t 0.67 1.3 T D TR R C 因 为2 1t tD TR R 由上可见锯齿波的上升沿远长于下降沿， 因此上升沿作为工作沿，下降沿作为回扫沿。3 误差放大器由两级差分放大器构成，其直流开环放大倍数为 80dB 左右，电压反馈信号从端子 1 接至放大器反相输入端，放大器同相输入端接基准电压。4 PWM 信号产生及分相电路比较器的反相端接误差放大器的输出信号 ue，而振荡器的输出信号 uc则加到比较器的同相输入端，比较器的输出信号为 PWM 信号，该信号经锁存器锁存，分相电路由二进制计数器和两个或非门构成，其输入信号为振荡器的时钟信号，并用时钟信号的前沿触发，输出为频率减半的互补方波，这些方波和 PWM 信号输入到或非门逻辑电路。其结果是，所有的输入为负时，输出为正。这样的输出每半周期交替为正，其宽度和 PWM 信号的负脉冲相等。脉冲很窄的时钟信号输入到逻辑或非门电路，可使两个门的输出同时有四川科技职业技术学院毕业设计（论文）11 一段低电平，以产生死区时间。5 脉冲输出级电路输出末级采用推挽输出电路 [13] ，驱动场效应功率管时关断速度更快。 11脚和 14 脚相位相差 180， 拉电流和灌电流峰值达 200mA 。 由于存在开闭滞后，使输出和吸收间出现重叠导通。在重叠处有一个电流尖脉冲，起持续时间约为 l00ns。可以在 13 脚处接一个约 0.luF 的电容滤去电压尖峰。 2.2 单极性 SPWM 调制电路 2.2.1 SPWM 调制电路结构图 2-3 SPWM 控制电路框图如果想要得到正弦电压的输出， 就要使逆变电路的控制信号以 SPWM 方式控制功率管的开关，得到的脉冲方波输出再经过滤波就可以得到正弦输出电压本系统方案通过 SG3525 来实现输出正弦电压，首先要得到 SPWM 的调制信号要想得到 SPWM 调制信号，必须要有一个幅值在 13.5V 且按正弦规律变化的馒头波，将它加到 SG3525 脚 9，并与锯齿波进行比较，来得到正弦脉宽调制波，实现 SPWM 的控制电路框图如图 2-3 所示。基准 50Hz 的方波由文氏桥产生正弦波再经过整流生成，用来控制输出电压有效值和基准值比较所产生的误差信号，当电源输出电压发生变化时，会改变正弦信号的幅值，使得 SG3525 输出脉宽也跟着发生相应的变化。 2.2.2 正弦波发生器本设计采用文氏桥振荡电路产生 50Hz 正弦波 图 2-5 ，利用 RC 串并联精密整流电路误差放大加法电路直流分量50HZ 同步方波SG3525 调制时序控制50HZ 正弦波Q1 Q2 Q3 Q4 U3u4 u5u1 u2四川科技职业技术学院毕业设计（论文）12 （图 2-4）选频网络的选频特性。U1U2RCR C图 2-4 RC 串并联网路传输系数21 0 01/ /1j1 1 3/ /j jRU CF U jR RC C（ 2-1）式 2-1 中 o1RC . 分析上式可知仅当 0 时，达最大值，且 u2 与 u1 同相，即网络具有选频特性， of 决定于 RC。震荡频率o 1/ 2πf RC （ 2-2 ）稳定振荡条件 AuF 1， |F |1/3，则 11 /uf FA R R考虑到起振条件 AuF 1，一般应选取 RF 略大 2R1。如果这个比值取得过大，会引起振荡波形严重失真。由式（ 2-2）得 3 7o 1/ 2π 1/ 2 3.1415 31.8 10 10 50f RC HZ由运放构成的 RC 串并联正弦波振荡电路不是靠运放内部的晶体管进入非线性区稳幅，而是通过在外部引入负反馈来达到稳幅的目的。一般要在电路中加入非线性环节。 在 Rf 串联两个并联二极管， 利用电流增大时二极管动态电阻减小、电流减小时二极管动态电阻增大的特点，加入非线性环节，从而使输入电压稳定。在 Multisim 仿真波形如图 2-6。四川科技职业技术学院毕业设计（论文）13 32567U2 BNE55 32R3 03 1. 8 KC1 01 04C5104R2 931. 8 KR3 14.7 KR3 28.2 KR2 82.7 KD51N41 48D61 N41 4850HZ 文 氏 振 荡 电 路图 2-5 50Hz 文氏振荡电路图 2-6 50Hz 振荡电路仿真波形 2.2.3 精密整流电路精密整流电路的功能是将微弱的交流电压转换成直流电压 [14] 。但是本设计整流输出并未经过滤波环节，故仅把正弦波整为馒头波。精密整流电路的原理图如图 2-7，整流电路的输出保持输入电压形状，而仅仅改变输入电压四川科技职业技术学院毕业设计（论文）14 相位。输入电压为正弦波是，输出电压波形如图 2-8 中 u2 所示。 U3A ， U3B组成一个精密整流电路，其特点是，经它整流的正弦馒头波，失真很小，能满足 SPWM 的要求。图中 R14， R15 ， R16， R17， R18 的阻值一定要一致，否则，出来的馒头波会上下波动。在 Multisim 仿真波形如图 2-8。3 4 5543TitleNu mberSizeBDate 2 7-May -20 1 0File C\Do cu men ts an d Settin gs \Ad min istra32184U3 ANE55 3 2567U3 BNE55 3 2R1 41 0KD71 N41 4 8D91 N41 4 8D1 01 N41 4 8D81 N41 4 8R1 61 0KR1 71 0KR1 81 0K567U4 BNE55 3 2R3 73 6KR1 91 0KR2 11 0kR2 01 0kR1 51 0KVCC-1 2精 密 整 流 电 路图 2-7 精密整流电路图 2-8 精密整流电路仿真波形 2.2.4 误差放大及加法电路U4B 起到正弦误差放大作用，从精密整流电路出来的馒头波进入 U4B的同相端，经其放大 如图 2-9 。 U4A 是一个加法电路从 U4B 出来的馒头50Hz 正弦波输出