500W逆变电源的设计

曹庆生

(武汉工程职业技术学院 湖北 武汉:430080)

在地球资源日益减少的今天,探索新能源已成为当前的重要课题。太阳能是取之不尽的清洁能源,是当今和未来可供人类使用的重要能源之一。利用太阳能的光伏发电,目前技术已较为成熟。但是太阳能需要考虑能源存储的问题。本文研制的500W太阳能逆变电源,是利用蓄电池存储太阳能,在夜晚,将蓄电池储备的电能释放出来,供用户使用。

1 太阳能电源系统

该太阳能电源系统见图1所示,它由太阳能电池板、充电控制器、蓄电池和逆变器四部分组成,由蓄电池储存电能以供没有太阳照射时继续提供电能。

图1 太阳能电源系统

1.1 太阳能电池板

该系统要求大多数时间内能够连续提供500W电能,则太阳能电池板应能提供1000W功率。单晶硅电池价格比较高,普通用途多采用多晶硅电池。

1.2 充电控制器

充电控制器的作用是合理安排充电与逆变器的工作,本文在此不作详细介绍,有兴趣者可查阅相关资料。

1.3 蓄电池和逆变器

蓄电池采用免维护式的产品,以减轻日常维护工作量,如果在没有光照的情况下能够供给4小时电能,则要求蓄电池的容量达到200A·h。

本系统的关键是逆变器,由下面详细论述。

2 逆变电路组成及原理

该逆变器由高频升压、整流滤波、SPWM逆变等组成。采用了二次变换实现的,先将12V直流通过100kHz高频开关振荡,升压为320V直流,再逆变为220V/50Hz的交流,见图2所示。

2.1 高频升压

本系统中必须使用到变压器,由变压器计算公式U=Kf·f·N·Φm可见,当电压U一定时,提高工作频率 f,变压器的主磁通Φm和绕组匝数N都将大为减少。我们采用的高频是 100kHz,是50Hz工频的2000倍,则高频变压器的体积将小到工频变压器的1/40以下。还将节省大量的有色金属和硅钢材料。

由图2可见,该逆变器先将12V直流,通过T1、T2轮流导通形成100kHz的12V高频方波,经高频变压器 TB升压到到320V方波交流。TB是高频变压器,采用铁氧体磁芯,最高工作频率可达200kHz。

T1、T2采用低压降的达林顿管QM50HC-H, T1、T2占空比为0.4,在功率管 T1、T2关闭期间由D2、D3续流,使之电流连续,该部分的波形见图3所示。QM50由另一单片机AT89C2051提供脉冲驱动,驱动波形见图3所示。D2、D3应该使用快速二极管,以满足电路快速关断的需要。

图2 二次变换逆变电路

图3 T1、T2轮流导通的波形

2.2 整流滤波

整流桥要求采用快速二极管,取用MR856四只,参数为3A/600V,关断时间最大150ns,能满足高频整流的需要。

本电路频率很高,滤波电容器C1也可用的更小,取1μ/630V。

2.3 SPWM逆变电路

SPWM调制脉冲由专用集成电路SM2001生成,通过T3/T6、T4/T5按50Hz工频的SPWM方式轮流导通,逆变成50Hz正弦交流电。

3 高频变压器的设计与制作

高频变压器设计比较复杂,设计方法有好几种,计算内容也很多,这里仅采用一般方法计算,基本上可以达到实用效果。

3.1 高频变压器铁心的计算与选取

变压器的磁芯参数可按如下简化公式计算

上式中:AP为变压器面积的乘积数;PO为变压器输出功率;KW为变压器绕线窗口填充系数,一般取0.35～0.5,这里取0.4;KP为绕线系数,取0.43; BW为磁芯的工作磁感应强度,工作磁感需按不同电路取不同的值。单端正、反激两种高频电路只利用磁芯一半的动态范围,而推挽式可以利用磁滞回线的两个象限,故推挽式的磁芯利用率较高(见图4),在这里取0.2T。计算指数1.136是简化后的综合指数。

图4 磁感的利用

将以上参数代入上式,计算出AP=2.42cm4,

选取EI50磁芯,其Ae=2.3cm2,Aw=2.4cm2, AP=5.52cm4。

3.2 绕组匝数的计算与确定

绕组的匝数是根据变压器导磁面积等参数计算的。考虑到T1、T2的压降损耗和蓄电池电压U1按10V计算,由下式计算变压器初级绕组匝数。

这里取3匝。

上式中:N1为变压器原边匝数;U1是初级电压,蓄电池电压取11V;Kf是波形系数,正弦波为4.44;本例方波为 Kf为4.0;fo是输出(工作)频率,本例为100kHz。

代入上式和已知的参数,计算出原边匝数为1.36匝,适当增加原边匝数可以降低变压器空载激磁电流,降低功耗。高频变压器匝数少、磁芯小、价格低是它的一大突出优势。变压器初级为有中心抽头的绕组,即3+3匝。

计算次级匝数要考虑变压器传输效率η,按下式计算。

在这里取110匝。

3.3 绕组线径计算与选取

高频变压器的绕组通过的是高频电流,会发生集肤效应,实际上,由于匝数极少,绕组的铜耗极其微小,变压器温升不大,故高频变压器绕组的载流量可以取更大的值,这里取J=8A/mm2

初级绕组导线截面积S1为

次级绕组应按220V有效值计算

次级绕组匝数较多,为绕制方便,采用单股绕制,配合初级绕组,次级取φ0.67mm,S2=0.3526 mm2。初级绕组则采用φ0.67mm漆包线16股绕制,截面积达到5.64mm2。

初级的多股绕制方法加大了导线表面积(周长比为3.98倍),有利于高频电流的畅通,手工绕制也比较方便。

3.4 高频变压器的绕制方法

高频变压器绕制是很关键的,应该考虑怎么减少高频漏感和降低分布电容,一般采用分层、分段绕制法。先在最底层绕次级的55匝,不要剪断;包2层高温绝缘带,再绕初级;在次级外再包2层高温带,最后绕完次级剩余的55匝,见图5所示。

图5 高频变压器的绕制

初级绕组的16根引出线应均匀分配到骨架的几个引脚上,以免电流过于集中而烧坏PCB板。

4 SPWM芯片及其应用

大多数电气设备要求使用清洁电源,就是要求谐波分量较小,市面上涌现出许多SPWM专用芯片。下面以SM2001为核心,介绍SPWM芯片的使用方法。

4.1 SPWM芯片SM2001介绍

SM2001是深圳国微电子生产的SPWM专用芯片,芯片对SPWM的控制有5项设置,分别为频率控制PFR、电压控制AMPR、调制频率控制和窄脉冲控制PWM、死区时间控制DTIM、启动控制STA。

芯片内部的默认设置已非常实用,默认频率为50Hz,输出电压为直流电压的80%,窄脉冲和死区时间都是25.6μs。SM2001采用DIP18封装。各引脚的功能说明如下:

SM2001需要外部给以CL K脉冲信号,一般为20MHz,则默认输出频率为50Hz。

SM2001可以由用户通过串口通信设置频率、电压、死区时间等参数,如果在RST端施加高电平, SM2001复位。只有OE端保持高电平,SM2001才有SPWM输出。

IN T可以引入 H桥路故障信号,以期关闭SM2001的输出脉冲,只有重新上电或复位SM2001才可恢复运行。

4.2 SM2001的典型应用电路

在图6中,单片机和SM2001都使用同一石英晶体,利用单片机振荡电路的20MHz。

P0口提供五路控制信号,根据SM2001协议,由单片机程序虚拟三线串口通信。

五个按钮用于人工设置频率、电压等参数; Vdown、Vup端可以引入对电压的自动控制, Vdown为低电平时,输出电压下降;Vup端出现低电平,输出电压将得到提升。

SB1SB2分别为频率升、降按钮;SB3SB4分别为电压升、降按钮;SB5为开车按钮。

本设计中只任取一路SPWM输出,完成单相逆变。

4.3 SM2001的设置简介

如果用户欲改变电压、频率等输出参数,可以通过SM2001的三线串口进行设置。

片内地址011是输出频率控制,将其内容写成63,则 fsin=50.068Hz。

片内地址010是输出电压控制,若直流电压为320V,将010内容写成248,则UOP=311(峰值),有效值为220V。

片内地址001的高2位是SPWM的调制频率控制,将其写成11(二进制数),则调制频率 fPWM= 4882Hz。

片内地址001的低6位是窄脉冲删除控制,将其写成000011(二进制数),则tpd=1.2μs。

窄脉冲删除功能是指在PWM波中,由于逆变电路的功率管开关速度限制,小于tpd宽度的脉冲不能引起后级电路的可靠动作,应该给予删除。

片内地址100是死区时间控制,将其写成3,则tdim=1.2μs。

PWM载波的死区时间也是重要参数之一,它取决于后级功率电路的导通时间和关断时间。对于采用MOSFET作为功率输出的电路,则尤为重要。设置不当将会发生上、下两个MOSFET同时导通的短路事故。

图6 SM2001应用电路

一般地讲MOSFET导通、关断时间都在纳秒数量级,10A及以下的MOSFET都小于100ns。故将上述两个时间设置为1.2μs是合适的。

片内地址110是启动命令,只有往SM2001的地址110中写入5FH内容,SM2001才开始运行。

以上设置数中几个设置数是互相牵连的。详细了解SM2001的设置计算,请参阅SM2001的厂家资料。

4.4 控制字的传送

SM2001是11位一次性传送方法,即地址和数据组合,一起传送。传送时序见图7所示。

图7 SM2001串口通信时序

由图7可见,传送程序的编制是很方便的,下面给出SM2001的传送参考子程序:

由上面的传送子程序可见,在传送前先将地址码存放在累加器A中,数据存放在B寄存器中,再调用TRAN子程序,即完成了对SM2001的设置。

需要手动调压或调频时,在按键扫描程序中,每改变一个字,就调用TRAN一次,随时调节电压或频率。

5 H逆变桥路及驱动电路

H逆变桥路及驱动电路见图8右边部分所示,图中T3～T6构成 H形逆变桥;IC3、IC4是IGBT及MOSFET管专用驱动芯片IR2107,它是低电平逻辑输入,符合SM2001的逻辑电平。D1和C7是用于T4的自举;D2和C8是用于T3的自举,使T3或T4得到高于VB(320V)的驱动电压。

图8 电路原理图

图8中右边标注的U1、U2是来自SM2001的SPWM脉冲信号,经IR2306放大、自举后去驱动 H逆变桥的四个MOSFET功率管,实现sin调制逆变。

T3～T6应选择5A/400V以上的功率管。选用MOSFET管子IRFP460,额定电压500V,最大电流20A,最大功耗235W,开通时间18ns,关断时间110ns。最大沟道电阻0.27Ω,则在本电路中每一管子最大功耗只有0.61W。

图8是电路原理图。SM2001首次上电,片内为默认设置,经用户设置后,这些设置将保存在SM2001中,以便再次上电时,直接启动到用户喜好的设置上。

6 结束语

在对电源的清洁程度要求更高的今天,本文输出为非常纯净的正弦波电源,免除了谐波治理的麻烦,在功率更大的逆变电源设备上更具有实用价值。

本设计采用了国产芯片SM2001,很方便地生成正弦波调制脉冲,使本逆变能输出较为纯净的正弦波电压;该芯片很全面地考虑到了逆变电路的需要,设置了死区时间,有效防止了功率管的短路故障。

本设计的电源采用了二次变换的方法,使用高频变压器设计的电路,降低成本,缩小体积,减轻重量。本文提供了完整的高频变压器计算公式,读者可以参考进行高频变压器设计。

本设计电路可以提供不超过500W交流电能,在家庭和办公基本功能上,能满足供电的需要,将来,随着太阳能晶片价格的降低,采用本文的计算设计方法,就可以设计更大功率的太阳能电源。

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