单相正弦波有源逆变并网电源

陈继栋，施崇阳，周乐意

（武汉大学 电子信息学院，湖北 武汉 430079）

全球能源危机和环境恶化问题推动了新能源的发展，使得太阳能、燃料电池等清洁能源得到了利用。由于这些能源以直流电压的形式提供电能，因此需要逆变作为接口。在日常生活中市电（220 V/50 Hz）提供了人们所需的绝大多数能源，本系统将直流电转换为220 V/50 Hz的交流电，配合市电一起提供能量。

1 总体方案的比较与选择

1.1 逆变回路的选择

逆变是与整流相对应的，将直流电变为交流电。

方案一：半桥逆变电路，优点：电路简单，使用器件少。缺点：输出交流电压幅值为输入电压的一半，且直流侧需两电容串联，要控制两者电压均衡。应用：用于几kW以下的小功率逆变电源；单相全桥、三相桥式都可看成若干个全桥逆变电路的组合。

方案二：全桥逆变电路，共4个桥臂，可看成两个半桥电路组合而成，两对桥臂交替导通180o，输出电压和电流波形与半桥电路形状相同，幅值高出一倍，改变输出交流电压的有效值只能通过改变输入直流电压来实现，阻感负载时，还可以采用移相的方式来调节输出电压[2]。

方案三：推挽式逆变，逆变器是由具有中心抽头变压器，两只开关管V1、V2砀和两只二极管D1、D2构成的，是一种完全对称的结构形式。且V1和V2发射极接在电源的负极，驱动十分方便，也不必进行隔离。变压器两个初级绕组的匝数相等，即W11=W12=W1，次级绕组的匝数为W2[3]。

如图1所示。综合比较，本系统采用方案二。

图1 推挽式逆变Fig.1 Push-pull inverter

1.2 SPWM波得产生方案

SPWM即正弦波脉宽调制，是把一个正弦波分成N个等幅而不等宽的方波脉冲，每一个方波的宽度与其所对应时刻的正弦波的值成正比，这样就产生了与正弦波等效的等幅矩形脉冲序列波。从理论上讲，这一系列脉冲波形的宽度可以严格地用计算的方法求得，作为控制逆变器中各个开关器件的通断依据，但较为实用的办法是引用“调制”这一概念，以期望的波形（在这里是正弦波）作为调制波，而受它调制的信号称为载波。在SPWM中常用等腰三角波作为载波，因为等腰三角形是上下宽度线性对称变化的波形，当它与任何一个光滑的曲线相交时，在交点时刻控制开关器件的通断，即可得到一组等幅而脉冲宽度正比于该曲线函数值的矩形脉冲[4]。

方案一：使用 SPWM集成芯片，如 HEF4752、SLE4520。HEF4752是全数字化生成三相SPWM波的集成电路芯片，既可用于有强迫换流电路的三相晶闸管逆变器，也可用于由全控型电力电子器件构成的逆变器。此方法可行，但是不经济，在有更合理方案的情况下，不采取此方案。

方案二：利用软硬结合产生SPWM波。根据DDS原理，软件生成正弦波，利用硬件生成三角波，然后将两路信号送入比较器进行比较，即可得到SPWM波。利用模拟电路实现SPWM输出的系统具有较快的动态响应速度，但是电路结构复杂，实现功能有限，并且控制精度受环境温度和器件参数影响较大，电路的更改也比较困难。全硬件实现SPWM有自身的局限性。

方案三：采用软件生成SPWM波，单片机内生成数字正弦波序列，然后与三角波序列比较，直接生成SPWM波。软件生成SPWM波较容易，大大减小了硬件工作量，系统的可靠性高。综上，本系统采用方案三。

1.3 功率管隔离驱动方案

在功率变换装置中，根据主电路的结构，其功率开关器件一般采用直接驱动和隔离驱动两种方式，采用隔离驱动方式时需要将多路驱动电路、控制电路、主电路相互隔离，以免引起不良后果。

方案一:使用IR2110驱动器。它兼有光耦隔离（体积小）和电磁隔离（速度快）的优点，是中小功率变换装置中驱动器件的首选。IR2110由3个部分组成：逻辑输入，电平平移和输出保护。IR2110可以为设计带来许多方便。

方案二:利用光耦驱动MOSFET。通过光耦合器将控制信号回路与驱动回路隔离。这种方式的驱动电路由于光耦合器相应速度低，限制了使用频率。光电耦合器反应慢，具有较大的延迟时间，而且光电耦合器的输出端需要隔离的辅助电源供电。

方案三：脉冲变压器驱动。用脉冲变压器隔离驱动绝缘栅功率器件有3种方法：无源、有源和自给电源驱动。无源方法就是用变压器次级的输出直接驱动绝缘栅器件，这种方法很简单也不需要单独的驱动电源，缺点是输出波形失真较大，因为绝缘栅功率器件的栅源电容Cgs一般较大。减小失真的办法是将初级的输入信号改为具有一定功率的大信号，相应脉冲变压器也应取较大体积，但在大功率下，一般无法满足要求。另一缺点是：当占空比变化较大时，输出驱动脉冲的正负幅值变化太大，可能导致不正常工作，因此只适用于占空比变化不大的场合。

方案四：有源变压器驱动。有源方法中的变压器只提供隔离的信号，在次级另有整形放大电路来驱动绝缘栅功率器件，驱动波形较好，但是需要另外提供单独的辅助电源给放大器。如果辅助电源处理不当，可能会引进寄生干扰。综上分析，本系统采用方案一。

1.4 总体方案框图

整个系统框图如下图2，系统主要包括3部分：逆变、数据测量和并网。全桥逆变实现DC-AC转换，逆变后得到36 V交流电，经过工频变压器和自耦变压器后可得220 V/50 Hz交流电，通过相位跟踪，检测是否满足并网条件，最终实现安全并网。数据测量主要包括输入直流电压、电流的测量，逆变电压、电流的测量，市电电压和并网电压的测量。

图2 系统框图Fig.2 Block diagram of system

2 电路设计

2.1 全桥逆变电路和MOSFET管驱动电路

IR2110采用CMOS工艺制作，适应TIL或CMOS逻辑信号输入，具有独立的高端和低端2个输出通道和完整的保护电路，可以提高控制系统的可靠性，减小电路的复杂程度。由于逻辑信号均通过电平耦合电路连接到各自的通道上，允许逻辑电路参考地（Uss）与功率电路参考地（COM）之间有-5 V和+5 V的偏移量，并且能屏蔽小于50 ns的脉冲，这样有较理想抗噪声效果。引脚1和7是两路独立的输出，分别是LO（低端输出）和HO（高端输出），引脚3和6分别是VCC（低端电源电压）和VB（高端浮置电源电压），引脚9（VDD）是逻辑电路电源电压，引脚2（COM）是低端电源公共端，引脚 5和13分别是VS（高端浮置电源公共端）和VSS（逻辑电路接地端），引脚10（HIN）是逻辑输入控制端，引脚 11（SD）是输入关闭端，引脚12（LIN）是低端逻辑输入。当SD为高电平时，IR2110的输出信号全被封锁，其对应的输出端恒为低电平；而当该脚接低电平时，IR2110的输出信号跟随HIN和LIN而变化。HO和LO是两路驱动信号输出端，驱动同一桥臂的MOSFET。为了防止同一桥臂开关管的直通问题，通常在同一桥臂上的两只功率开关器件SPWM驱动信号中加入一定的死区，减小了逆变器输出电压中存在的谐波。

自举电容最好使用聚苯、CBB等电容，减少漏电，二极管使用IN5819，SD接地避免芯片发热。

滤波电感可取大些，并联电容应小以减小电流损耗，Im=ωoCUo。空载时滤波器输入基波电流的大小与电容C成正比，所以从限制逆变器电源空载损耗的角度来讲，LC滤波器的电容不能太大。

在LC乘积恒定时，L越小，则输出阻抗值越小，非线性负载适应性越好。

图3 全桥逆变和MOSFET管驱动电路Fig.3 Full-bridge inverter and MOSFET driving circuit

2.2 光耦隔离电路

6N136内封装了一个红外发光管和光敏三极管，具有体积小、寿命长、抗干扰性强、隔离电压高、高速度、与TTL逻辑电平兼容等优点，可用于隔离线路、开关电路、模数转换、逻辑电路、长线传输、过流保护、高压控制、电平匹配、线性放大等方面。高速光耦工作频率可达1 MHz，20 kHz内工作良好占空比无变化，20 kHz以上占空比变大，后级接反相器能减小上升延时，减小延迟误差。具体电路如下图4所示。

图4 光耦隔离Fig.4 Optical coupling isolation

2.3 直流采样电路

在测试系统中，常常需要用低压器件去测量、控制高电压、强电流等模拟量，如果模拟量与数字量之间没有电气隔离，那么高电压、强电流很容易串入低压器件，并将其烧毁，为减少环境噪声对测试电路的影响，确保测量结果的准确性，往往将被测电路与测试电路在电气上进行隔离，这就需要光电耦合器。普通光电耦合器具有非线性电流传输特性，这对于数字量和开关量的传输不成问题，但对于模拟量的传输精度则很差。本系统采用高线性度模拟光电耦合器HCNR201，它具有很高的线性度和灵敏度，可在检测系统中精确地传送电压信号，并进行前向信道与后向信道的隔离。电路如图5所示。

图5 直流采样电路Fig.5 DC sampling circuit

2.4 模数转换部分

采样得到的直流电压、直流电流、逆变电流、逆变电压、市电电压、市电电流均是模拟信号，需要经过模数转换，然后用LCD进行显示。本系统使用8通道、12位的高速A/D转换芯片MAX197。MAX197的核心部分是一个采用逐次逼近方式的DAC，前端包括一个用来切换模拟输入通道的多路复用器以及输入信号调理和过压保护电路，内部还建一个2.5 V的能隙基准电压源。MAX197既可以使用内部参考电压源，也可以使用外部参考电压源。当使用内部参考源时，芯片内部的2.5 V基准源经放大后向REF提供4.096 V参考电平。这时应在REF与AGND之间接入一个4.7 μF电容，在REFADJ与AGND之间接入一个0.01 μF电容。当使用外部参考源时，接至REF的外部参考源必须能够提供400 μA的直流工作电流，且输出电阻小于10 Ω。如果参考源噪声较大，应在REF端与模拟信号地之间接一个4.7 μF电容。模拟量输入通道拥有±16.5 V的过电压保护，即使在关断状态下，保护也有效。

3 结束语

本系统在单路电源25±5 V直流输入的情况下，经逆变后得到了50 Hz正弦交流电压，经升压后得到220 V/50 V交流电压，通过相位跟踪，最终和220 V市电安全并网。在阻性负载的情况下，输出电压波形失真度小于2%，效率高，整个系统过流保护和负载短路保护功能完善。

[1]刘凤君.现代逆变技术及应用[M].北京：电子工业出版社，2006.

[2]董尚斌.电子线路（1）[M].北京：清华出版社，2006.

[3]户川治朗.实用电源电路设计[M].北京：科学出版社，2005.

[4]刘凤君.环保节能型H桥及SPWM直流电源式逆变器[M].北京：电子工业出版社，2010.

[5]王水平.PWM控制与驱动器使用指南及应用电路[M].西安：西安电子科技大学出版社，2005.

[6]黄根春，陈小桥，张望先.电子设计教程[M].北京：电子工业出版社，2007.