【導(dǎo)讀】石油燃燒的能量。開發(fā)和利用豐富、廣闊的太陽能，可以對環(huán)境不產(chǎn)生或產(chǎn)生很少污染，實能源供應(yīng)問題出發(fā)，開發(fā)利用太陽能具有重大戰(zhàn)略意義。單相全橋逆變電路及一次回路二次回路的主要控制芯片進行介紹。逆變器的各部分的硬件設(shè)計，包括一些重要參數(shù)的設(shè)定。簡單的介紹了UC3842及IPM. 足中小功率應(yīng)用場合的需求。

　　

【正文】 即為 ，占空比 D 選取最大值 ， 代入式（ 42）求得電容值為 1033μ F，考慮到一定裕量， 選取 3 個并聯(lián)的 470μ F 的電解電容。 輸入濾波電路的設(shè)計 輸入濾波電路是由濾波電容組成是 用來減小輸入端電壓的脈動，假如變換器傳輸最大功率為 Pm，由輸入輸出功率相等可得出一個周期內(nèi)輸入濾波電容所提供的能量約為 rin fPW ?max? (43) 式 （ 43） 中， η 為變換器的效率， fr為功率 IGBT 開關(guān)器件的工作頻率。將 Pm=5KW, η =, fr=18kHz 代 入上式可得 Win≈ ,每半個周期輸入濾波電容所提供的能量安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 21 為： m inm in22 ininin VCVW ?? (44) 式 （ 44） 中， Vinmin 為最小輸入直流電壓； Δ Vinmin 一般取 1%Vinmin，濾波電 容選用鋁電解電容，為了減小電容的等效串聯(lián)電阻，本設(shè)計采用了 100V 10000UF*10 的電解電容并聯(lián)實現(xiàn)。 逆變電路的設(shè)計 本 設(shè)計采用的是電壓型單相 全橋逆變電路。由于輸入的直流電壓為 220VDC ，該逆變器的功率為 5KW，采用的是日本三菱第五代 IPM 功率驅(qū)動模塊。 逆變采用的電路為單相全橋逆變，如圖 43 所示： CUiV T 1V D 2ZU0V D 1V T 3 V D 3V T 2V T 4 V D 4i0 圖 43 單相全橋逆變電路 SPWM 的實現(xiàn) 產(chǎn)生 SPWM 波的方法有多種，主要分為硬件實現(xiàn)方法和軟件實現(xiàn)方法兩大類。 硬件實現(xiàn)方法是在模擬電路里采用正弦波發(fā)生器、三角波發(fā)生器和比較器來實現(xiàn) SPWM波控制， 但 此方法硬件電路復(fù)雜，實現(xiàn)困難且不易改進。 本設(shè)計采 用數(shù)字方法控制，即用軟件實現(xiàn) 。本設(shè)計采用軟件編程生成 PWM 波來控制 IGBT 的觸發(fā)信號。 本設(shè)計采用的是規(guī)則采樣法 生成 SPWM 波。 規(guī)則采樣法就是將自然采樣法中的正弦調(diào)制波與三角載波周期中心的交點就是階梯波水平線段地中點。這樣，三角載波與階梯波水平線段的交點 A、 B 兩點就分別落在正弦調(diào)制波的上下兩邊，從而減少了以階梯波調(diào)制的誤差。另外，由于 A、 B 兩點 對于三角載波周期中心線對稱，因 而使 PWM 脈沖信號發(fā)生得以簡化。由圖 71 所示。三角載波的調(diào)制度為 M，正弦調(diào)制波的角頻率為 ω 1，根據(jù)相似三角形的幾何關(guān)系容易得出規(guī)則采樣法 SPWM 脈寬 δ 以及脈沖間隙時間 δ’ 的表達式為 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 22 )s in1(2 1 Dc tMT ?? ?? (45) )(2139。 ?? ?? cT (46) 式 （ 45）和式（ 46） 中， tD為三角載波的中心的時間值； TC為 SPWM 載波信號周期； M 為三角載波的調(diào)制度。 U rAU cU cBT cDtCtBtAδ’δδ’δ / 2δ / 2UU 圖 44 SPWM脈沖信號規(guī)則采樣法生成原理 工頻隔離變壓器 當(dāng) 220V的直流電通過逆變器逆變后生成的 SPWM 波的大小約為 140V 左右，需要通過升壓使逆變輸出的電壓能夠給交流負(fù)載供電。即逆變輸出的電壓為 220V的交流電。 首先把直流電逆變成工頻低壓交流電；再通過工頻變壓器升壓呈 220V。 50Hz 的交流電給負(fù)載使用。它的有點事結(jié)構(gòu)簡單，各種保護功能均在較低電壓下實現(xiàn)。因其逆變電源與負(fù)載之間存有工頻變壓器，故逆 變器運行穩(wěn)定、可靠、過負(fù)荷能力和抗沖擊能力強，且能夠抑制波形中的高次諧波成分 。 LC 輸出濾波電路 通過變壓器變壓后的 SPWM 波中含有載波頻率的整數(shù)倍及其附近的諧波分量。所安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 23 以需要濾波，常見的濾波裝置有單電感濾波， LC 濾波，還有 LCL 濾波。單電感濾波器結(jié)構(gòu)簡單，但是，由于高頻諧波衰減特性不夠理想，需要較大的電感量才能對諧波進行有效衰減，或者，需要采用較高的開關(guān)頻率來降低諧波電流，因此，單電感 L 濾波器通常用于小功率高開關(guān)頻率的并網(wǎng)逆變器中。 LC 濾波器用場合在公共并網(wǎng) /獨立雙模式逆變器中，當(dāng)逆變器工作在 獨立模式時， LC 濾波器能有效衰減輸出電壓的高頻諧波部分，從而可以獲得理想的輸出電壓波形，當(dāng)逆變器工作于并網(wǎng)模式時，由于電網(wǎng)電壓的鉗制作用，僅濾波電感對并網(wǎng)電流起濾波作用，濾波電容相當(dāng)于本地負(fù)載。 LCL 濾波器對高頻分量呈高阻抗，對高頻諧波電流可起到很大的衰減作用，即使在低開關(guān)頻率和較小的電感情況下也能滿足電流諧波衰減要求。所以， LCL 濾波器通常用于較低開關(guān)頻率的中大功率場合。 本設(shè)計采用的是 LC 濾波。 LC 低通濾器的選取主要考慮幾個方面的因素，噪聲、抑制能力、輸出阻抗、逆變電流應(yīng)力。 設(shè)計中還要綜合考慮濾波電路 的體積、重量以及制作成本，通常截止頻率選擇在開關(guān)頻率的 1/10~1/20。，本設(shè)計中選擇系統(tǒng)開關(guān)頻率為 18kHz,逆變器輸出交流電源頻率為50Hz，初步確定截止頻率為 1kHz，濾波器中有兩個待定的參數(shù)，即濾波電感和濾波電容。 LC 低通濾波器的結(jié)構(gòu)如圖 45 所示。 CZ 2Z 1U i nLU o u t 圖 45 LC低通濾波器結(jié)構(gòu)圖 LC 濾波器的傳遞函數(shù)為： 1211)()(220??? swswsUsUlin ? (47) 式 56 中 ω l為 LC 諧振的角頻率 , LCwl /1? ；為阻尼系數(shù)； CLRL21?? (48) 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 24 S 為拉普拉斯算子。 濾波器的截止頻率為： LCfc ?2 1? (49) 串聯(lián)阻抗和并聯(lián)阻抗的乘積： KCLjwCjwLZZ ???21 (410) L、 C值確定后， K 為常數(shù)，由于 L/C 具有阻抗平方量綱，故 K也可以用濾波器的另一參數(shù) R表示： 2RKCL ?? (411) 式 (411） 中， R 為標(biāo)稱特性阻抗， R 和負(fù)載電阻 LR 的關(guān)系： LRR )~(? (412) 本設(shè)計中逆變器功率為 5kW，輸入額定電壓為 220VDC， 要求輸出頻率為 50Hz 電壓有效值為 220VAC 的正弦波。逆變器滿載工作時，可得 ： 22 ??? PUR L (413) 所以 ?? R ，初步選定 R=6，將 R 代入式（ 410）與式（ 411）中，可得L=995μ H,C= F，實驗實際選擇 L=1mH， C=10μ F，則此時 LC 低通濾波器的截止頻率為： kH zLCf c 1 ?? ? (414)安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 25 5 控制回路的設(shè)計 輔助電源設(shè)計 本設(shè)計是基于 UC3842 的單端反激式開關(guān)電源的設(shè)計來設(shè)計該系統(tǒng)的輔助電源 ， 輔助電源作用是給整個光伏逆變器系統(tǒng)的控制電路、驅(qū)動電路、檢測報警電路等提供穩(wěn)定的低壓電源，是系統(tǒng)穩(wěn)定 可靠 工作的重要保障 。 電源板將輸入的電變成 +15V 的直流電給驅(qū)動板和采樣板供電。輸出的 +5V 的直流電給液晶板供電。 UC3842 是一種高性能單端輸出式電流控制型脈寬調(diào)制器芯片。內(nèi)部采用的是雙閉環(huán)控制，內(nèi)環(huán)是電流控制環(huán)，外環(huán)是電壓控制環(huán)。無論是電流變化，還是電壓的變化，都會是 PWM 輸出脈沖占空比發(fā)生變化。這種控制方式可改善系統(tǒng)的電壓調(diào)整率，提高系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)速度，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其控制系統(tǒng)框圖如圖 51。 U gP I P W MU c開 關(guān) 電 路U o電 流 反 饋 電 路電 壓 反 饋 電 路 圖 51 PI閉環(huán)調(diào)節(jié)控制狂框圖 電流型 PWM 是在脈寬比較器的輸入端，直接用流過輸入電感線圈電流的信號與誤差放大器輸出信號進行比較，從而調(diào)節(jié)占空比，使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)、電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)。因此，無論開關(guān)電壓的電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高。 由該集成電路構(gòu)成的開 關(guān)穩(wěn)壓電源與一般的電壓控制型脈寬調(diào)制開關(guān)穩(wěn)壓電源相比具有外圍電路簡單、電壓調(diào)整率好、頻響特性好、穩(wěn)定幅度大、具有過流限制、過壓保護和欠壓鎖定等優(yōu)點。其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖 52 所示。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 26 8421 3 567電 壓 反 饋 輸 入電 流 檢 測 比 較 器V T 1V T 2驅(qū) 動5 V 基 準(zhǔn) 電 源V C C欠 壓 限 制P W M鎖 存 器振 蕩 器 圖 52 UC3842的內(nèi)部框 圖 UC3842 是一種性能優(yōu)良的電流控制型脈寬調(diào)制芯片。該調(diào)制器單端輸出，能直接驅(qū)動雙極型的功率管或場效應(yīng)管。其主要優(yōu)點是管腳數(shù)量少，外圍電路簡單，電壓調(diào)整率可達 %，工作頻率高達 500kHz，啟動電流小于 1mA，正常工作電流為 5mA， 并可利用高頻變壓器實現(xiàn)與電網(wǎng)的隔離。該芯片集成了振蕩器、具有溫度補償?shù)母咴鲆嬲`差放大器、電流檢測比較器、圖騰柱輸出電路、輸入和基準(zhǔn)欠電壓鎖定電路以及 PWM鎖 存器電路。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及基本外圍電路如圖 53 所示。 UC3842 是 8 腳的雙列直插的封裝形式。如圖 52 所示： 第 1 腳為補償腳，內(nèi)部誤差放大器的輸出端，外接阻容元件以確定誤差放大器的增益和頻響。 第 2 腳是反饋腳，將采樣電壓加到誤差放大器的反相輸入端，再與同相輸入端的基準(zhǔn)電壓進行比較，產(chǎn)生誤差電壓，控制脈沖的寬度。 第 3 腳為電流傳感端，在功率管的源極串接一個 小阻值的采樣電阻，構(gòu)成過流保護電路。當(dāng)電源電壓異常時，功率管的電流增大，當(dāng)采樣電阻上的電壓超過 1V時， UC3842就停止輸出，有效地保護了功率管。 第 4 腳為鋸齒振蕩器外部定時電阻 R 與定時電容 C 的公共端。 第 5 腳為地。 第 6 腳為圖騰柱式輸出電壓，當(dāng)上面的三極管截止的時候下面的三極管導(dǎo)通，為功率管關(guān)斷時提供了低阻抗的反向抽取電流回路，加速了功率管的關(guān)斷 。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 27 8421 3 56V C CV r e7電 壓 反 饋 輸 入電 流 檢 測 比 較 器V T 1V T 2電 源驅(qū) 動5 V 基 準(zhǔn) 電源V C C欠 壓 限 制振 蕩 器P W M鎖 存 器 圖 53 UC3842的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及基本外圍電路 第 7 腳為輸入電壓，開關(guān)電源啟動的時候需要在該引腳加 一個不低于 16V的電壓，芯片工作后，輸入電壓可以在 10～ 30V之間波動，低于 10V時停止工作。 第 8 腳為內(nèi)部 ，電流可達 50mA。 根據(jù) UC3842 的特點， 該設(shè)計的輔助電源是由 UC3842 設(shè)計的開 關(guān)電源 。交流輸入后通過整流濾波得到直流電壓，經(jīng)過 LM317 后獲得 的直流電壓，作為 UC3842芯片的啟動電壓。芯片啟動后通過脈寬調(diào)制控制功率管的開關(guān)從而實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出?？刂齐娐返暮诵氖?UC3842，其后級的高速開關(guān)功率管要求滿足一定的耐壓值和足夠大的額定電流。這里可以選用 IRF540，其耐 壓值高達 100V，額定電流可以達到 33A。高頻變壓器的升壓系數(shù)為 ，采用雙橋間距為 的鐵氧鐵芯，由直徑 的銅絲繞制而成。高頻變壓器出來的脈動直流電壓，先通過二極管整理，再通過 3 個 50V/3300μ F的電解電容，和由一個 33μ H 電感和 2 個 104 的電容構(gòu)成 ∏ 型濾波器進行濾波后輸出。其 UC3842 的核心電路如圖 54 所示。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 28 U C 3 8 4 2V C CG N DV f bC O M PV r e fR t C t IO U T P U T1 6 . 5 V1 0 KI R F 5 4 0 U接 到 高 頻 變 壓 器 的 主 繞 組 上0 . 2 5 K2 0 K1 K1 0 K0 . 0 0 2 2 u f0 . 0 2 u f4 7 0 u f2 0 0 k 圖 54 UC3842的核心電路圖 如圖 54 所示， UC3842 的工作頻率由 4 腳和 8 腳間的 RT 和 CT 決定的。理 論上，其內(nèi)部的振蕩頻率最高可達 500kHz。在本系統(tǒng)中 RT 和 CT 分別選用了 10kΩ 和 F， 可以計算得其工作頻率約為 40kHz，符合開關(guān)電源的要