光伏电源逆变器的设计.docx
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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
DESIGNOFPVPOWERINVERTER
ABSTRACT
Inrecentyears,photovoltaictechnologyhasbroadapplication.Asourcountry'snewenergylawenacted,thephotovoltaicpowersysteminourcountrywillhaveabroaderspacefordevelopment.InverterisanimportantcomponentinPVsystem.Itsperformancehasgreatinfluenceontheapplicationofphotovoltaicsystem.Currently,thedomesticpuresinewaveoutputinvertermainlyuses50Hztransformerforraisingtheoutputvoltage,thispaperisstilldevelopedaninverterbyusingthe“Full-bridgecircuit+LCfilter+Isolatortransformer”designproposal.ThewholesystemisdividedintoSPWMwaveformgeneratorcircuit,Hbridgedrivercircuitandtheinvertercircuit,lowvoltageandover-currentprotectioncircuit.
InSPWMwaveformgenerationpart,thispaperusesSG3525PWMchipcore.TheWienbridgeoscillationcircuitgenerates50Hzsinereferencesignal.Afterthissignalprecisionrectification,amplificationandotherprocessingofthecompensationsignalinputtotheSG3525-side,sothispartoutputtheSPWMwave.Finally,theSPWMsignalsenterintothedrivingcircuitafterdead-timedelay.
Inthedesignofdrivecircuitpart,usingtwoIR2110half-bridgedriverchipsconstituteafull-bridgedrivercircuit.TheoutputsideofinverterswitchcircuitselectshighvoltagevalueMOSFET.Thenthrough50Hztransformer,boosttothemainsforhouseholdappliances.Testingthesamplesoftheinputandoutputvoltage,real-timemonitoringisunder-voltage,overcurrent,protectionaction.
Finally,ratedpowerfor500W（Inputvoltage12V,Outputcommunication220V）single-phaseacinverterprototypetestwaveformshavebeengiven.
KEYWORDS：
PVpower,Inverter,SPWM,SG3525,IR2110
目 录
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、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。
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。
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
§1.2系统电源设计
整个系统使用到NE5532集成运放，CMOS4000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。
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，io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，io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）
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。
§1.4SPWM调制技术
§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）。
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。
图1-6用PWM波代替正弦半波
§1.4.2单极SPWM调制方式
ug1=1T1通
图1-7单极正弦波PWM调制方式
当ur<0
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]。
ur>uc,ug4=1,ug3=0,T3关断,T4导通ur
ug3，ug4互为反向，受ur和uc的幅值控制。
Vd
由以上分析，驱动信号产生示意电路如图1-8：
图1-8驱动信号产生电路
§1.4.3双极性SPWM调制方式
图1-9双极正弦波PWM调制方式
在Ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波也有正有负（图1-9），其幅值只有±Ud两种电平。
同样在调制信号Ur和载波信号Uc的交点时刻控制器件的通断Ur正负半周，对各开关器件的控制规律相同。
T1、T4和T2、T3两组相互导通[8]。
1、当ur>uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号。
如io>0，V1和V4通，如io<0，VD1和VD4通，uo=Ud。
2、当ur如io<0，V2和V3通，如io>0，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：
图1-10驱动信号产生电路
第2章SPWM调制电路
§2.1SG3525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2-1SG3525原理图
§2.1.2SG3525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2-2SG3525引脚图
（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（8~35）V内变化，通常采用+15V，其输出电压VST＝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：
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：
，此时间即为死区时间锯齿波的基本周期T为：
因为
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
§2.2.1SPWM调制电路结构
u2
u1
u5
图2-3SPWM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1~3.5V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（图2-4）选频网络的选频特性。
图2-4RC串并联网路
传输系数：
（2-1）
式2-1中：
.
分析上式可知：
仅当=
时，达最大值，且u2与u1同相，即网络具有选频特性，
决定于RC。
震荡频率：
（2-2）
稳定振荡条件AuF=1，|F|=1/3，则
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：
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。
图2-550Hz文氏振荡电路
图2-650Hz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。
输出
50Hz正弦波
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出来的馒头波进入U3A的同相端，同时U3A的同相端也接在一个直流电位上，把PP值为2.3V的馒头波垫高2V这个经垫高的馒头波就可以送到SPWM调制电路中。
在Multisim仿真波形如2-10。
0
图2-9误差放大及加法电路
图2-10误差放大及加法电路仿真波形
§2.2.5SPWM调制
2.3VPP值馒头波
图2-11SPWM波形产生电路
SG3525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：
（2-3）
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：
（2-4）
此时间即为死区时间锯齿波的基本周期T为：
（2-5）
因为
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。
主芯片SG3525的接法和一般常规接法有点不同[15]，因为3525的11、14脚是图腾柱输出，把11、14脚接地，屏蔽了图腾柱的下管，并在13脚接一个上拉电阻做负载，这样做的目的是把原11、14脚的信号合并在一起输出，以大幅度地提高最大占空比。
母线电压的利用率也大幅度提高了，可以在94%以上。
但从13脚出来的脉冲，是反向的SPWM波，所以要用一个4069把它反回来。
震荡电容CT取10nF震荡电阻RT取10K的电阻，如图2-11中C13，R25所示，另一端直接接地。
5端与7端直接短接，由式（2-5）的锯齿波的频率为：
。
把15K的锯齿波信号和100Hz的馒头波信号进行比较，从而产生SPWM波形。
§2.2.6时序控制电路
用一片NE5532即U1A、U1B组成一个50Hz同步方波发生电路（图2-12）。
从文氏桥正弦波振荡器过来的正弦波信号（约12VPP值），经二个电压比较器U1A、U1B后，产生二路带死区时间的低频同步波，电路中R1，R2决定二路方波的死区时间[16]。
经试验，当用NE5532时，R1、R2取510欧姆时，死区时间大约为100
。
U1A，U1B用358时死区时间为200
。
图2-1250Hz同步波形发生电路
对于采用单极性调制的SPWM控制而言，逆变桥一个桥臂上下两只开关管互补开关。
由于开关管在开通和关断时都存在延迟时间，如果驱动脉冲以严格互补的方式驱动这两只管子，可能出现两只管子同时开通的情况，造成逆变桥桥臂直通短路，烧毁开关管。
为了防止这种情况发生，就必须在互补的驱动脉冲之间加入一定的死区时间。
获得死区时间的简单方法是驱动信号的下降沿不延时，仅延时驱动信号的上升沿。
这样，死区时间设置电路就可以通过数字电路实现了（图2-13）。
高频波死区时间调整电路，由四组电阻、电容组成，死区时间选择2-3
，可以按RC时间常数2
设置，电阻可选择47K，电容选择47pF，电容应该选择低温度系数介质的，如聚酯电容器、COG介质的陶瓷电容器等。
在Multisim仿真波形如图2-14。
这样经过这种保护措施的综合运用，就可以防止桥臂短路故障的出现
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