（测试计量技术及仪器专业论文）小功率全桥光伏并网型逆变器的技术研究.pdf

一 v 独创性声明 1 4 3 1 0 5 r l l ll l ii f l l r l r l ll l liii y 17 3 9 9 9 3 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：日期：舻l 口年皇月妙日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 虢删焉一 - 一 l v f 摘要 摘要 能源危机一直困扰着现代社会的发展，为了实现能源的可持续发展，必须 极开发替代能源，而太阳能作为一种取之不尽用之不竭的可再生绿色能源，相 其它新能源有无可比拟的优势。家用分布式光伏发电是缓解能源危机的有效手 之一，小功率全桥光伏并网逆变器是家用并网发电系统的核心设备，本文工作 重点也是在小功率全桥光伏并网逆变器的技术研究上。 完整的光伏并网逆变器包含硬件部分和软件部分，硬件部分主要包括功率 电路和信号检测与控制电路，功率主电路主要完成能量的传递，信号检测与控 电路主要完成系统参数的测量和控制量的输出，软件部分主要是各种算法、保护 和通信的实现。本文在功率主电路部分主要研究了b o o s t 电路和全桥逆变电路的 工作原理与参数计算，在信号检测与控制电路部分主要研究了信号检测通道的幅 频特性和c p l d 的控制逻辑，小功率全桥光伏并网型逆变器作为市场推广型产品， 从成本控制和电磁兼容方面对硬件部分进行优化设计。在软件部分主要研究了最 大功率跟踪控制算法和全桥逆变并网控制算法。 根据以上对小功率全桥并网逆变器的硬件和软件技术研究，研制了基于 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的3 k w 全桥光伏并网型逆变器，并通过实验验证了逆变器的各项 性能达到了设计指标。 关键词：光伏并网逆变器，全桥逆变并网控制，最大功率跟踪控制，电磁兼容 一 a b s t r a ( 了r a b s t r a c t t h em o d e ms o c i e t yh a sb e e np l a g u e db yt h ee n e r g yc r i s i sa l lt h et i m e i n a c h i e v es u s t a i n a b l ee n e r g yd e v e l o p m e n t ，w em u s ta c t i v e l yd e v e l o pa l t e r n a t i v s o r r c 宅s s o l a re n e r g ya s 趾i n e x h a u s t i b l es u p p l yo fr e n e w a b l eg r e e ne n e r g y , h a sm o r e i n c o m p a r a b l ea d v a n t a g e sc o m p a r e dt oo t h e rn e we n e r g ys o u r c e s t h ed i s t r i b u t e dh o m e p vs y s t e mi sa ne f f e c t i v em e a n st oa l l e v i a t et h ee n e r g yc r i s i s ，t h el o wp o w e rf u l l - b r i g e p h o t o v o l t a i ci n v e r t e ri st h ec o r ee q u i p m e n to ft h eh o m ep h o t o v o l t a i cs y s t e m s ot h e f o c u so ft h i s p a p e r i s0 1 1t h et e c h n o l o g yr e s e a r c ho ft h el o wp o w e rf u l l - b i l g e p h o t o v o l t a i ci n v e r t e r t h ew h o l ep h o t o v o l t a i ci n v e r t e ri n c l u d e sh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h eh a r d w a r e i n c l u d e st h em a i np o w e rc i r c u i ta n dt h es i g n a ld e t e c t i o na n dc o n t r o lc i r c u i t t h em a i n p o w e rc i r c u i ti su s e df o rt h ee n e r g yt r a n s m i s s i o n t h es i g n a ld e t e c t i o na n dc o n t r o l c i r c u i ti su s e dt om e a s u r et h e s y s t e mp a r a m e t e r s a n do u t p u tt h e m a n i p u l a t i n g p a r a m e t e r e s t h e s o f t w a r ei n c l u d e st h ek i n d so fr e a l i z a t i o n so ft h ea l g o r i t h m s ， p r o t e c t i o na n dc o m m u n i c a t i o n s t h ew o r k i n gp r i n c i p l e sa n dp a r a m e t e r sc a l c u l a t i o no f t h eb o o s tc i r c u i ta n dt h ef u l l - b r i d g ei n v e r t e rc i r c u i ta r ef u l ls t u d i e di nt h em a i np o w e r c i r c u i tp a r t t h ea m p l i t u d ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so fs i g n a ld e t e c t i o nc h a n n e l sa n dt h e c p l dc o n t r o ll o g i ca r ef u l ls t u d i e di nt h es i g n a ld e t e c t i o na n dc o n t r o lc i r c u i tp a r t a s t h el o wp o w e rf u l l - b r i d g ep h o t o v o l t a i ci n v e r t e ri st h em a r k e t i n gp r o d u c t ，w eo p t i m i z e t h ed e s i g no ft h eh a r d w a r eo nt h ec o s ta n de l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yo ft h ei n v e r t e r t h em a x i m u mp o w e rt r a c k i n gc o n t r o la l g o r i t h m sa n dt h ef u l l - b r i d g ei n v e r t e ra n d g r i d - c o n n e c t e dc o n t r o la l g o r i t h m sa r ef u l ls t u d i e d i nt h es o f t w a r ep a r t f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h ea b o v eh a r d w a r ea n ds o f t w a r et e c h n o l o g yr e s e a r c h ，w e d e s i g n e d a3 k wf u l l - b r i d g ep h o t o v o l t a i c 鲥d c o n n e c t e di n v e r t e rb a s e do nt h e t m s 3 2 0 f 2 812 i ti sv e r i f i e db yt h ee x p e r i m e n t st h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ei n v e r t e r a c h i e v e dt h ed e s i g nt a r g e t s k e y w o r d s ：g r i d - c o n n e c t e dp vi n v e r t e r , f u l l - b r i d g ei n v e r t e ra n d 鲥d c o n n e c t e dc o n t r o l ， m a x i m u mp o w e rt r a c k i n gc o n t r o l ，e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y i i 2 2 2b o o s t 临界电感计算9 2 2 3b o o s t 储能电容计算9 2 3 全桥逆变电路1 0 2 3 1s p w m 控制基本原理1 1 2 3 2 移相控制基本原理13 2 4l c 滤波电路14 2 5 驱动电路一l 16 2 6 系统供电电路一17 2 6 1 辅助电源18 2 6 2 中频电源2 2 2 6 3 稳压电源2 3 2 7 本章小结2 4 第三章信号检测与控制电路研究2 5 3 1 信号检测与控制电路概述。2 5 3 2 直流信号检测2 7 3 3 交流信号检测3 0 3 4 电网电压过零检测3 3 3 5d s p 控制芯片3 5 3 6c p l d 逻辑控制3 7 i 目录 3 7 辅助控制3 9 3 7 1 并网继电器控制3 9 3 7 2 并网电流检测换挡控制4 0 3 8 电磁兼容与p c b 设计4 1 3 8 1 接地4 2 3 8 2 滤波4 3 3 8 3 隔离4 4 3 8 4p c b 设计4 5 3 9 本章小结4 7 第四章系统控制策略研究4 8 4 1 软件整体架构一4 8 4 2 最大功率跟踪技术研究4 9 4 2 1 太阳能电池输出特性4 9 4 2 2 最大功率跟踪算法5 l 4 3 全桥逆变并网技术研究一5 4 4 3 1 逆变器并网原理5 5 4 3 2 电压环控制算法5 6 4 3 3 电流环控制算法5 7 4 4 本章小结5 9 第五章实验与结果6 0 5 1 逆变器概况6 0 5 2 信号检测通道误差实验。6 1 5 2 1 相位误差6 2 5 2 2 幅值误差6 2 5 3 全桥逆变实验6 5 5 4 最大功率跟踪实验。6 6 5 5 整机并网实验一6 6 第六章结论与展望6 8 6 1 结论6 8 6 2 展望6 8 墅贮谢7 0 参考文献7 1 i v 攻硕 v 第一章引言 1 1 课题的研究背景及意义 第一章引言 能源是整个社会发展和经济增长的最根本的驱动力，是人类赖以生存的基础， 人类的发展与能源的利用是紧密相连的，工业高度发展的今天更是如此。煤炭、 石油、天然气等化石能源支撑着人类社会的发展，但随着这些能源的大规模开采， 已经使得资源日益枯竭，环境不断恶化，能源供需矛盾也越来越突出，世界各国 原油蕴藏量与生产量如表1 - 1 所示，全世界的原油蕴藏只够4 0 年开采使用【l 】，如 果不寻找替代能源，世界将陷入一片混乱和黑暗之中。 表1 - 1 世界各国原油蕴藏量与生产量 单位：蕴藏为1 0 亿桶，生产为千桶日 可 地区与国别蕴藏量 生产量 可采年数 开 伊拉克 1 1 5 o1 9 9 9 0 球 采 年 科威特 1 0 1 52 7 0 4 0 木 数 大 阿拉伯联合大公国 9 7 82 9 6 9 09 0 2 于 q 伊朗 1 3 7 54 3 4 3 28 6 7 o 年 的 中东 7 4 2 72 5 5 8 9 07 9 5 国 委内瑞拉 8 0 02 8 2 4 07 7 6 家 哈萨克斯坦3 9 81 4 2 5 97 6 5 世界合计 1 2 0 8 28 1 6 6 3 34 0 5 我国的c 0 2 排放量处于世界第二，大量温室气体的排放将引发全球性的温度上 升，在过去的1 0 0 年中，全球平均气温上升了o 3 o 6 。c ，全球海平面平均上升了 1 0 2 5 c r n 2 ，这就是“温室效应 ，其中约8 0 的温室气体是人类活动引起的。气 候的变化将引发人类危机，威胁到千百万人的生命，影响自然物种的进化，并导 致环境的恶化。如果c 0 2 排放量继续增加，由数干名国际知名科学家组成的“政 府间气候变化委员会”预测那将产生巨大的负面影响【3 j ，包括： 到2 0 2 0 年，全球濒临灭绝的自然物种将达到3 0 9 6 ，到2 0 8 0 年更将有 4 0 的自然物种可能会完全灭绝； 电子科技大学硕士学位论文 自然灾害增多，如干旱、强暴风雨等，由自然灾害导致的死亡率也会增 加，全球数百万人面临贫困、饥饿，甚至死亡； 珊瑚礁被毁，两极地区冰川消融，海平面将上升1 3 至2 0 英尺； 要缓解气候变化问题，人类必须大幅度减少温室气体排放，主要途径就是让人 们从使用化石能源转向使用效率更高的可再生绿色能源。太阳能作为一种理想的 可再生能源，无污染、无噪声、能量随处可得且取之不尽，用之不竭，它具有解 决全球气候变化危机的巨大潜能。 我国是世界上太阳能资源非常丰富的国家之一，全年辐射总量为9 1 7 - - 2 3 3 3 k w h m 2 ，理论总储量为1 4 7 1 0 1 8 g w h a 。我国有荒漠面积1 0 8 万平方公里，主要 分布在光照资源丰富的西北地区。如果用1 1 0 即1 0 8 万平方公里的荒漠安装并 网光伏发电系统，每平方米光伏电池方阵( 考虑方阵之间的间隔) 的有效输出功率 为7 0 w ，西北地区的全年辐射总量为1 7 0 0 k w h m 2 ，系统效率按8 0 计算，则每年 可发电1 0 3 1 0 1 3 k w h ，几乎相当于我国2 0 2 0 年预计用电量5 0 4 1 0 1 2 k w h 的2 倍【4 】， 光伏发电在我国有巨大的发展潜力，研究光伏发电技术对缓解我国的能源供应危 机有着巨大的意义。 1 2 国内外光伏发电市场现状 近几年国际上光伏发电产业发展很快，2 0 0 7 年全球太阳能发电装机容量达 2 8 2 6 m w p 。光伏企业在2 0 0 7 年间的贷款融资金额增长了约1 0 0 亿美元，使得该产 业规模不断壮大。 2 0 0 8 年全球光伏市场增至5 5 g w ，全球太阳能安装总量已累计达1 5 g w 。虽然 受金融危机影响，德国、西班牙对太阳能光伏发电的扶持力度有所降低，但其它 国家的政策扶持力度却在逐年加大。日本政府2 0 0 8 年1 1 月发布了“太阳能发电 普及行动计划”，确定太阳能发电量到2 0 3 0 年的发展目标是要达到2 0 0 5 年的4 0 倍，并在3 - 5 年后，将太阳能发电系统价格降至目前的一半左右。2 0 0 9 年还专门 安排3 0 亿日元的补助金，专项鼓励太阳能蓄电池的技术开发。2 0 0 8 年9 月1 6 日， 美国参议院通过了一揽子减税计划，其中将光伏行业的减税政策( i t c ) 续延2 6 年【5 1 。 目前从能源供应安全和清洁利用的角度出发，世界各国正把太阳能的商业化开 发和利用作为重要的发展趋势。欧盟、日本和美国把2 0 3 0 年以后能源供应安全的 重点放在太阳能等可再生能源方面。预计到2 0 3 0 年太阳能发电将占世界电力供应 2 第一章引言 的1 0 以上，2 0 5 0 达到2 0 以上。大规模的开发和利用使太阳能在整个能源供应中 将占有一席之地。 中国光伏发电产业于2 0 世纪7 0 年代起步，9 0 年代中期进入稳步发展时期。 太阳电池及组件产量逐年稳步增加，经过3 0 多年的努力，己迎来了快速发展的新 阶段。在“光明工程项目和“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。到2 0 0 7 年年底，全国光伏系统的累计装 机容量达到1 0 万千瓦( i o o m w ) ，从事太阳能电池生产的企业达到5 0 余家，太阳 能电池生产能力达到2 9 0 万千瓦( 2 9 0 0 m w ) ，太阳能电池年产量达到11 8 8 m w ，超 过同本和欧洲。2 0 0 8 年太阳能电池的产量继续提高，达到了2 0 0 万千瓦。 在金融危机形势下，2 0 0 9 年3 月2 3 日，财政部、住房和城乡建设部出台关 于加快推进太阳能光电建筑应用的实施意见，并出台了太阳能光电建筑应用 财政补助资金管理暂行办法，决定有条件地对部分光伏建筑进行每瓦最多2 0 元 人民币的补贴。2 0 0 9 年7 月2 1 日财政部、科技部、国家能源局联合宣布在我国正 式启动金太阳示范工程，三部门联合印发了关于实施金太阳示范工程的通知， 决定综合采取财政补助、科技支持和市场拉动方式，加快国内光伏发电的产业化 和规模化发展，并计划在2 - 3 年内，采取财政补助方式支持不低于5 0 0 兆瓦的光 伏发电示范项目。2 0 0 9 年国家出台的政策将推动国内太阳能发电市场发展，中国 的太阳能光伏发电市场“已经开始启动”，在我国政府强有力的政策引导下，光 伏产业不仅让国内企业看到了机遇，而且已经吸引了世界的目光1 6 】。中国在哥本哈 根会议上已向向世界承诺到2 0 2 0 年将单位g d p 碳排放强度在2 0 0 5 年的基础上降 低4 0 - - 5 0 。从某种程度上，要达到如此艰巨的目标，只有大力发展低碳经济， 其中绝不能忽视光伏发电产业。 1 3 家用分布式光伏并网发电系统简介 当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收，光子的能量传递给了 硅原子，使电子发生了跃迁，成为自由电子在p n 结两侧集聚形成了电位差，当 外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出 功率，这就是光生伏特效应，是光伏发电的基本原理【7 j 。 假设普通家庭用户的月用电量在2 0 0 度左右( 每月3 0 天) ，家用型小功率分 布式光伏并网发电系统的全年平均每天满功率工作时间3 小时，则光伏并网逆变 器的额定功率在2 2 k w 就可满足普通家庭用户的每月用电需求，所以家用小功率 3 电子科技大学硕士学位论文 分布式光伏并网发电系统的逆变器设计额定功率为3 k w ，除了能满足家庭自身的用 电需要，还能向电力公司出售多余的电能。 典型的家用型光伏并网发电系统由光伏阵列，光伏汇流箱，光伏并网逆变器， 双向电度表组成，如图1 1 所示。光伏并网逆变器将光伏阵列输出的直流电逆变成 交流电，通过电度表的计量后输送到电网，供家庭负载和电网的其它负载使用， 当光伏阵列的输出能量大于家庭负载消耗的能量时，电力公司向家庭用户购电， 当光伏阵列的输出能量小于家庭负载消耗的能量时，家庭用户向电力公司购电， 通过这种双向互动，有效缓解电厂对化石能源的依赖。其中光伏并网逆变器是并 网光伏发电系统的核心设备，它的可靠性、高效性和安全性会影响到整个光伏系 统，直接关系到系统的发电量及运行稳定1 8 j 。 图1 - 1 典型的光伏并网发电系统 1 4 小功率全桥光伏并网逆变器的总体架构 如图1 - 2 所示为小功率全桥光伏并网逆变器的功能框图，功率主电路完成功率 传递，输入为太阳能电池板的直流电压电流，输出为与电网电压同频同相的正弦 电流，信号检测与控制电路完成模拟信号的检测和p w l v l 输出控制，通信电路完成 d s p 和外围设备的数据交换。d s p 需要采集输入电压( s o l a r ) ，输入电流( i d c ) ，母 线电压( l i n e ) ，电网电压( u a c ) 和并网电流( i a c ) ，经过控制芯片p i d 调节产生b o o s t 和全桥i g b t 的p w m 控制波形，铁电存储器和液晶显示实时存储和显示系统重要参 数和工作状态，人机通信为半双工r s 4 8 5 ，易于组网监控。 4 1 5 本文主要工作内容 图1 - 2 并网逆变器的功能框图 本文主要研究了光伏并网逆变器的硬件原理和软件架构，工作内容主要包括下 面两个部分： 硬件电路的分析及设计，包括功率主电路、信号检测和控制电路等 软件系统的架构设计，分析了最大功率跟踪算法和全桥逆变并网控制算 法等 光伏并网逆变器是一个很复杂的系统，整个系统要安全稳定地运行，需要硬件 和软件的紧密配合，而且对实时性要求很高，所以系统对交流信号进行调理时必 须对引入的相位误差进行补偿，为了整个系统控制的稳定，要求整个系统的非线 性度低。 5 电子科技大学硕士学位论文 2 1 功率主电路概述 第二章功率主电路研究 由于太阳能电池板的输出特性与天气状况密切相关，为了使功率电路后级 d c - a c 逆变的输入电压较平稳，前级一般加入d c - d c 斩波电路，使逆变输入电压比 较平稳和提高调制比余度。d c d c 斩波电路一般拓扑有b o o s t 升压电路和b u c k 降 压电路，电路原理图如图2 - 1 所示，当电池板输出电压大于设计的母线电压时， 可采用降压电路，当电池板输出电压小于设计的母线电压时，可采用升压电路。 d c - a c 逆变电路一般拓扑有半桥逆变和全桥逆变，电路原理图如图2 2 所示，全桥 逆变电路需要开关管4 个，驱动电路复杂，相同输出功率时集电极电流为半桥一 半，抗不平衡能力差，输入滤波电容只需一组，而半桥逆变电路需要开关管2 个， 驱动电路简单，相同输出功率时集电极电流为全桥两倍，抗不平衡能力强，输入 滤波电容需2 组串联 9 】。 ( a ) b u c k 屯, 路( b ) b o o s t 电路 图2 - 1d c - d c 斩波电路一般拓扑结构 c - t 一 = 艮l 一 一 一i _一吹 - t一k 上一 吹。k 土 l 一 。- 一上i r t 吹k ( a ) 半桥逆变( b ) 全桥逆变 图2 - 2d c - a c 逆变电路一般拓扑结构 6 第二章功率主电路研究 电池板的输出电压 3 0 0 v ，设计的母线电压为4 0 0 v ，所以d c d c 斩波电路采用 b o o s t 升压电路。小功率光伏并网逆变器的定位是家用经济型，对成本的要求很苛 刻，半桥逆变的母线电压比全桥逆变高一倍，半桥逆变i g b t 、电容的成本比全桥 逆变高很多，所以d c - a c 逆变电路采用全桥逆变电路。功率主电路结构如图2 3 所示。功率主电路主要包括b o o s t 升压电路、全桥逆变电路、输出l c 滤波电路、 i g b t 驱动电路和系统供电电路等。功率主电路主要完成将太阳能电池板输出的直 流电逆变成交流电并输送到公共电网的功能。功率主电路是整个光伏并网逆变器 的基础，完成系统功率传输和太阳能电池板与公共电网的电气隔离，为信号检测 与控制电路提供模拟信号接口和控制信号接口，并负责逆变器系统的整体供电。 全桥逆变 2 2b o o s t 电路 图2 3 功率主电路拓扑结构图 b o o s t 升压电路的电路原理图如图2 - 4 所示，假设电感处于连续模式而得出以 下分析。 v o 图2 - 4b o o s t 电路原理图 当m o s f e t 导通时，直流电压v d c 直接加在电感l 两端，电感电流上升： 7 电子科技大学硕士学位论文 血+ = 三f 玩疵= v a l e * t o = v a c * d * t ( 2 1 ) l j ll t 为开关周期，d 为占空比，当m o s f e t 关断时，由楞次定律可知电感两端 产生会反向高压，电感和电池板的串联电压使二极管导通，对电容c 充电和对负 载r 供电，电感电流下降： 舰一= 手灿= 三j ( 圪+ 0 蛋玩) 十殛一( v o 一) 塑一伪_ ：! ! ! ! 三三 ( 2 - 2 ) 当b o o s t 处于稳定状态即能量传递平衡时，电感电流的上升幅度( 储能) 和 下降幅度( 放能) 相等( 战+ = 豇一) 得： v o ：旦( 2 - 3 ) 1 一d 由于占空比d v d c ，b o o s t 电路只能完成升压功能1 0 1 ，稳定状态时 的b o o s t 理想电压电流波形如图2 5 所示。 u l d f 的瞅占批 t 罗 电感两端电压， v n o i v d v 毛c 者1 l p + 习委夕o i p -龙+豇一 i p + f b o o s t 开关管电流r 7 i p - 乡 i p + 二极管电流， l p - l 图2 5 稳定状态b o o s t 电路波形图( c c | i 模式) 8 i d c r t 第二章功率主电路研究 2 2 2b o o s t 临界电感计算 临界连续状态的电流波形如图2 - 6 所示。 d 沾龇 i d e 多烈哆 蝴喊 i l 图2 - 6 临界连续状态电感电流波形图 当b o o s t 处于临界连续模式时，平均电流： idcr-坐=垡：望：!：v,lc*(vo-vdc)jdcr：j l ( 2 4 ) 一= 一= 一= 一 l z 珥j 22 宰c 2 宰三c 木。奉v o 刁水玩 临界电感： l c = 垡：! 堡= 坚2 ：翌：垡( 2 5 ) 一 二- j ， 2 牛圪术r n 为b o o s t 电路的能量传递效率，假设为9 8 ，p o 为负载消耗功率，模拟逆 变器输送到电网的能量，v d 。假设为2 0 0 v ，v o 假设为4 0 0 v ，开关频率f 为1 8 k h z ， 稳态时b o o s t 占空比d - - 5 0 ，为了避免升压电感体积过大，p 0 取额定值( 3 k w ) 的o 3 倍，计算出理论的k = o 6 m h ，即输出功率在9 0 0 w 以上时，b o o s t 电感均 处于连续模式，当输出功率在9 0 0 w 以下时，b o o s t 电路电感处于断续模式， b o o s t 电感太小，会使电池板输出电流纹波较大，选取b o o s t 电感为2 m h ( 临 界功率点2 7 2 w ) ，b o o s t 电流纹波i = v d c * d t l = 2 7 5 a ， 2 2 3b o o s t 储能电容计算 在m o s f e t 闭合时，储能电容给负载续流，输出电压v o 下降，在m o s f e t 断开时，电源和电感对储能电容充电和对负载供电，输出电压v o 上升。全桥电路 向电网是以正弦规律馈送能量的，逆变后的输出电压为正弦电压，设为 u ( t ) = q r 2 u s i n ( r a t ) ，电流f l - ji ( t ) = x 2 i s i n ( o x ) ，假设功率因数为l 。其中：为输出 电压的角频率，u 为电压有效值，i 为电流有效值。则逆变器( 全桥) 输出瞬时功 9 电子科技大学硕士学位论文 率为：p ( f ) = “( f ) f ( f ) = u i - u c o s ( 2 r o t ) ，功率输送如图2 7 所示。 i p ( t ) v l 忡( 1 ) 2 u i i 八 坛 7 、7 1 0 ( i ) ，f 为开关频率1 8 k h z ，可计算出滤波电容：7 8 n f c 2 5uf ，滤波电容越大，则流入电 容的无功功率越大，流过电感和i g b t 的电流也越大，这样逆变器效率会降低，滤波 电容越小，则滤波器对1 8 k h z 的开关噪声的衰减会降低，滤波效果不佳，所以选 择滤波电容：c = 1 0 uf 。 在不考虑电感、电容的寄生参数的情况下，理想的传递函数： g ( j ) = 型= ：墨(2-9) 一 所o ) s 2 2 r l c + s 2 l + r 当逆变器输出功率为3 0 0 0 w 时，等效负载r = 1 6 1 3q ，l c 滤波器的频率特性 如图2 1 4 所示，可从图上看出1 8 k h z 的开关噪声得到5 2 d b 的衰减，5 0 i - i z 的基波 产生4 5 度的相位延迟。 图2 一1 4 输出l c 滤波器波特图 1 5 电子科技大学硕士学位论文 2 5 驱动电路 i g b t 是电压型控制元件，它的开启电压一般为5 6 v ，关断电压为o v ，还需 要有一定的驱动电流，而t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 输出的p w m 波最高电平只有3 3 v ，输出驱 动电流最大4 m a ，所以d s p 不能直接驱动i g b t ，由于功率i g b t 在电力电子设备 中多用于高压场合，所以必须加入i g b t 驱动器使d s p 和i g b t 在电位上完全隔 离，目前常见的驱动器技术如图2 1 5 所示。 照 光霜隔离型 - 摹本安全隔离 传输延时大，成本低 一c t r 随使 j 时问增加而降低 ( a ) 光耦隔离型 电平移位垂c l e v e l 融i f t ) - 无i 辑高的热地连接 一传输延时小 - 需加光耦才能实现摹本隔离 ( b ) 电平移位型 ( c ) 磁性变压器型 图2 - 1 5i g b t 驱动器常用驱动技术 电平移位型没有电气隔离，磁性变压器型成本高，而光耦隔离型安全隔离，成 本低，所以i g b t 驱动设计采用光耦隔离型技术，驱动电路图如图2 一1 6 所示。缓 冲器a b t 2 4 5 的作用是增加d s p 输出的p w m 波的电流驱动能力，a b t 2 4 5 能提供灌 电流6 4 m a ，拉电流3 2 r n a 1 4 】，足以驱动光电耦合器。驱动器h c p l 3 1 8 0 为a v a g o 公司的高速光电耦合器，将d s p 与强电部分( i g b t ) 隔离开以保护d s p ，输出电 流可达2 a ，更好的优点是h c p l - 3 1 8 0 输入侧不需要供电，h c p l 3 1 8 0 的输入驱动 二极管最小电流1 0 m a ，最大电流1 6 m a t l 5 】，压降1 5 v ，所以限流电阻r 2 9 取2 4 0 欧姆，开通电流为1 4 6 m a 。匹配网络主要是调节i g b t 驱动的锐度，这个网络非 常重要，门极和发射极之间跨接的1 0 k 电阻r 2 8 主要是防止主回路加上电压，而 栅极还处于开路状态时，i g b t 有可能损坏的这种情况的发生。门极电阻和门极电 容会影响到i g b t 的开通电流尖峰、关断电压尖峰、短路耐受能力、电压斜率、电 流斜率、交换损耗等等，一个好的匹配网络是i g b t 能长期有效运行的基本保障。 1 6 第二章功率主电路研究 聩藐电瑁取，2 4 0 9 t i f = 1 4 缸 l o i l 图2 1 6i g b t 驱动电路设计 门极电阻k 对开通影响较大，例如：开通损耗、i g b t 电流尖峰( 续流二极管 的反向恢复电流) 、d v d t 等，开通和关断延时加大，对关断影响不明显，驱动开 通电压选择+ 1 5 v ，是为了降低饱和压降，减小通态损耗，驱动关断电压选择5 v 是为了使i g b t 关断更可靠，有利于防止误开通，减小关断损耗，可以在门极和发 射极之间加一个1 8 v 双向t v sp 6 k e l 8 c a 进行电压嵌位，防止驱动电压过高而损 坏i g b t ，外部电容c g 。和门极电阻一起影响d i d t ，使d v d t 和d i d t 分别控制，更 有利于开关特性的优化。 初次实验时，门极电阻一般为芯片数据手册中的测试电阻的l 2 倍，门极电 容一般为芯片的输入电容的5 倍左右，需要通过不断的实验和调试找出最优化的 驱动条件，使系统的各项指标达到一个满意的水平，良好的驱动线路设计和布局 是i g b t 稳定运行的基本保证【1 6 j ： 驱动电路与i g b t 门极的距离越短越好 驱动电路与i g b t 模块必须用导线连接时，导线越粗越好( 双绞线) i g b t 的g 和e 之间必须跨接电阻( 1 0 k i 2 左右) 1 m e 和门极箝位元件尽可能直接放置在i g b t 模块上 优化驱动电路在p c b 上的布局 2 6 系统供电电路 为了达到夜间自耗电 l w 的设计目标， 级的供电可以采用成熟的隔离电源模块， 1 7 整个系统需实现自供电功能，系统和板 但电源模块功率损耗大，成本很高，本 电子科技大学硕士学位论文 逆变器的系统供电解决方案是系统的总体供电取自母线，经过隔离隔离反激式降 压电路恒定输出+ 1 2 v 和+ 5 5 v ，+ 1 2 v 经过全桥逆变输出中频方波，输送到系统各 单板处经变压器隔离后整流成需要的板载电源，+ 5 5 v 经过线性稳压后得到5 v 、 3 3 v 和1 8 v ，供d s p 和外围电路使用，达到降低成本的目的。系统总体供电框图 如图2 一1 7 所示。 2 6 1 辅助电源 图2 - 1 7 系统总体供电框图 逆变器直流母线的电压在升压阶段为1 2 0 w - - 4 0 0 v ，逆变器并网后直流母线电 压稳定在4 0 0 v 左右，反激式降压电路为强电和弱电的隔离带，反激式降压电路设 计的输入电压为1 2 0 v - - - 4 5 0 v ，2 路输出为+ 1 2 v ，0 5 a 和+ 5 5 v ，2 a ，因为后级电路 对+ 5 5 v 的精度要求较高，所以将+ 5 5 v 作为主输出，+ 1 2 v 作为从输出，电路原理 图如图2 1 8 所示。 第二章功率主电路研究 c船2c ” 图2 1 8 反激式降压电路图 p w m 控制芯片选用p o w e ri n t e g r a t i o n s 的t y n 2 7 8 ，芯片集成了一个高压功率 m o s f e t 开关及一个电源控制器。与通常的p w m 控制器不同，它使用简单的开 关控制方式来稳定输出电压。这个控制器包括了一个振荡器、使能电路( 感测及 逻辑) 、流限状态调节器、5 8 5v 稳压器、旁路多功能引脚欠压及过压电路、电流 限流选择电路、过热保护、电流限流电路，前沿消隐电路及一个7 0 0 v 的功率 m o s f e t 管。此外还增加了欠压检测、自动重启动、自动调整的开关周期导通时 间延长及频率抖动功能【l7 | ，芯片功能框图如图2 1 9 所示。 比较器选择t l 4 3 1 a ，芯片内部集成2 5 v 基准源，反馈线性光耦选择p c 8 1 7 ，当 主输出大予5 5 v 时，t l 4 3 1 的阴极电流增大，p c 8 1 7 的光敏晶体管的电流增大，流 出t y n 2 7 8 的e n u v 脚的电流也增大，当流出此引脚的电流超过了阈值电流1 1 5 u a 时，p w m 输出端会产生一个低逻辑电平( 禁止) ，功率m o s f e t 关断，主输出电压 会降低，直到流出此引脚的电流低于阈值电流m o s f e t 才开始工作，电压负反馈 能使电路恒定输出期望电压+ 5 5 v 。 电阻r 3 6 为欠压锁定电阻，当发生欠压锁定时，开关周期被抑制，直到e m 引脚电流超过2 5 衅为止。因此可在正常工作输入电压范围之内对启动电压进行设 定，防止在非正常低输入电压条件下在输出端出现电压干扰，可计算出启动电压： v o n = i m i n * r 3 6 = 2 5 u a * 4 7 m q = 1 1 8 v ，满足设计的1 2 0 v 启动的要求。 1 9 电子科技大学硕士学位论文 图2 1 9t y n 2 7 8 内部功能结构图( 图片来自t y n 2 7 8 产品资料) 高频变压器是辅助电源设计的关键，本电路中变压器采用t d k 的c 4 0 e e 2 5 1 9 - z 作磁芯，磁路长度l 。= 4 8 7 m m ，电感系数a l - - 2 0 0 0 n h f n 2 ，截面积a c = 4 0 m m 2 。i p k 表示 变压器原边电流峰值，v i n 表示输入电压：1 2 0 4 5 0 v ，v i nc m i n ) 为1 2 0 v ，t o n 表示开 关管导通时间，锿示开关频率：1 3 2 k h z ，d 表示占空比：o 0 6 5 ，d 瑚x 为0 6 5 ， l p 表示原边电感，n p 表示原边匝数，n s 表示副边匝数，变压器设计参数t l s j ! z r l - f ： k = 警 。= 等争= 而1 2 0 0 6 5 “盯棚( 2 - 1 0 ) 根据反激式变压器的伏秒面积相等原理可知： 圪书乙尸= 圪宰o 虬 ( 2 一1 1 ) 原边副边匝数比n 为： 万：丝：型坠：1 2 0 0 6 5 。4 1 ( 2 1 2 ) 刀= = 一= 一斗l 厶 n s y o 卑k 5 5 鼻0 3 5 p c 4 0 的磁化曲线如图2 2 0 所示，最大磁通密度b s 应在2 0 0 0 , - - , 3 0 0 0 高斯之间，低 第二章功率主电路研究 于2 0 0 0 磁芯未被充分利用，高于3 0 0 0 所用铁氧体材料可能发生饱和 1 9 1 ，所以我们 选择额定输出时( 正常工作时的最大磁通密度) b s = o 2