一種高頻變壓器多級(jí)式拓?fù)涞奈⑿湍孀兤髟O(shè)計(jì)

沈孟鋒, 羊榮金, 張學(xué)良，陳敏捷， 何劍敏

(杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院浙江省模具協(xié)同創(chuàng)新中心，浙江杭州311402)

目前我國(guó)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝比例為裝機(jī)總量的1/5，但其靈活、方便、適應(yīng)性強(qiáng)的特性使其越來(lái)越多地應(yīng)用于萬(wàn)千百姓家中。微型逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換的核心部件，雖然其成本在整個(gè)系統(tǒng)中所占比例較低，但其性能卻直接影響用戶負(fù)載的使用壽命，是將來(lái)光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要研究方向[1]。

微型逆變器的電路拓?fù)渲饕譃榻^緣與非絕緣兩大類。非絕緣型較前者效率高、成本低，但在使用過程中容易產(chǎn)生安全性問題[2]。絕緣型變壓器中工頻單級(jí)拓?fù)浞绞江h(huán)節(jié)少，結(jié)構(gòu)單一，具有較好的轉(zhuǎn)換效率和雷擊浪涌抗擾度，但其體積大、造價(jià)高限制了其應(yīng)用范圍。高頻多級(jí)式拓?fù)浞绞綇浹a(bǔ)了工頻單級(jí)拓?fù)涞闹T多缺點(diǎn)，但因增加了中間環(huán)節(jié)而降低了轉(zhuǎn)換效率和抗干擾性，因此需采用濾波、屏蔽等方式進(jìn)行改進(jìn)[3]。因而國(guó)內(nèi)外學(xué)者在高頻多級(jí)式拓?fù)涞难芯恳延泻芏嘁娊鈁4]。KEYHANI H 等[5]在光伏并網(wǎng)發(fā)電中采用高頻多級(jí)式拓?fù)?，介于其AC-AC 變頻器的復(fù)雜性，因此該方案缺乏實(shí)用性。張曉鋒等[6]采用解耦思想的過調(diào)制策略，將逆變器中尤其是前級(jí)推挽逆變電路中的開關(guān)管電流應(yīng)力降低，從而使開關(guān)管的開通損耗降低，但該方法同時(shí)也產(chǎn)生了其他損耗。AGANZA-TORRES A 等[7]與文獻(xiàn)[6]一樣電路拓?fù)淝凹?jí)采用了推挽式逆變器，但其后級(jí)則采用了半波式AC-AC 變頻器。與全橋式相比少使用了4 個(gè)開關(guān)管，但其變壓器需要增加1倍的副邊匝數(shù)和中心軸頭。TRUBITSYN A 等[8]采用全橋逆變器和半波式AC-AC 變頻器相結(jié)合的方式，利用變壓器原邊的LC 串聯(lián)諧振電路并采用脈沖頻率調(diào)制(PFM)方式，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的零電壓開通。KRISHNASWAMI H[9]在文獻(xiàn)[8]的基礎(chǔ)上，將后級(jí)也采用了全橋式電路，同時(shí)使用移相調(diào)制解決了脈沖頻率調(diào)制所帶來(lái)的輸出電流諧波頻譜寬、濾波困難等問題。NAYANASIRI D R 等[10]設(shè)計(jì)一種原邊采用全橋逆變器和串聯(lián)LC 諧振電路，副邊采用半橋式AC-AC 變頻電路的高頻拓?fù)潆娐?，從而減少了開關(guān)管的數(shù)量。

本文前級(jí)采用了基于SG3525 的推挽式逆變器，后級(jí)采用全橋逆變電路，其中逆變控制技術(shù)采用的是SPWM 波脈沖調(diào)制技術(shù)，其控制系統(tǒng)由AT89S52 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)采用了HER508 整流二級(jí)管構(gòu)建全橋整流電路，采用二階LC 濾波電路對(duì)輸出電流進(jìn)行濾波。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：該系統(tǒng)輸出波形為正弦波，具有基波量大、諧波量小、逆變效率高的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用高頻變壓器多級(jí)式拓?fù)浣^緣方式, 逆變形式為：直流-交流-直流-交流。12 V 的蓄電池直流電通過推挽升壓得到高壓的方波交流電，再通過全橋整流濾波得到320 V左右的直流電，最后通過全橋逆變?yōu)V波得到220 V/50 Hz 的正弦波交流電。整體的方案流程如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)流程圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件電路共分為充電控制模塊、推挽升壓模塊、高壓整流模塊、全橋逆變模塊和交流濾波模塊,具體見圖2。

圖2 硬件電路設(shè)計(jì)框圖

2.1 充電控制模塊

該模塊采用12 V 鋰電池組來(lái)存儲(chǔ)電能，使用具有太陽(yáng)電池最大功率點(diǎn)跟蹤功能(MPPT)的多類型電池充電管理集成芯片CN3722 來(lái)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能充電控制功能。該芯片具有恒流和恒壓兩種充電模式，能進(jìn)行過充保護(hù)和低功率充電。同時(shí)在該電路中設(shè)置了包括輸入低電壓鎖存，電池溫度監(jiān)測(cè)，電池端過壓保護(hù)和充電狀態(tài)指示等功能。

該模塊還設(shè)計(jì)了防反接保護(hù)電路和輸入欠壓保護(hù)電路。防反接保護(hù)電路利用了MOS 管的開關(guān)特性控制電路的導(dǎo)通和斷開，進(jìn)而對(duì)鋰電池組輸入進(jìn)行反接保護(hù)。輸入欠壓保護(hù)電路主要用于在鋰電池組電壓小于10 V 時(shí)，自動(dòng)切斷輸入。其原理是采用LM393 電壓比較器設(shè)計(jì)一個(gè)電壓比較電路，將推挽升壓模塊中SG3525 芯片的基準(zhǔn)電壓與鋰電池組電壓在分壓后進(jìn)行比較來(lái)控制SG3525 的PWM 輸出情況，進(jìn)而起到欠壓保護(hù)的作用。

2.2 推挽升壓模塊

系統(tǒng)采用12 V 的鋰電池作為儲(chǔ)能裝置和供電裝置，是屬于低電壓大電流輸入的方式升壓，因此采用高頻推挽式升壓電路，使用SG3525 芯片作為升壓驅(qū)動(dòng)芯片。SG3525 是一種單片集成PWM 控制芯片，輸出驅(qū)動(dòng)為推拉輸出形式，內(nèi)部含有欠壓鎖定電路、軟啟動(dòng)控制電路和PWM 鎖存器，有過流保護(hù)功能。

SG3525 芯片的1 腳是反饋控制引腳，為了使前級(jí)升壓輸出穩(wěn)定，設(shè)計(jì)了一個(gè)穩(wěn)壓反饋電路，采用直接共地同電源的方式，直接將反饋信號(hào)給了SG3525 的1 腳。同時(shí)在輸出端增加保險(xiǎn)絲，以防短路。

對(duì)于推挽升壓主電路，本設(shè)計(jì)采用了4 只IRF3205 功率管，同時(shí)采用EE42 為磁心的高頻變壓器，變壓器的匝數(shù)比為2∶2∶62。其工作過程：12 V 電源輸出的直流電壓經(jīng)濾波電容濾波后得到穩(wěn)定平滑的直流電壓加到由IRF3205 構(gòu)成的半橋逆變電路，在SG3525 芯片輸出的頻率為53 kHz 的PWM 驅(qū)動(dòng)脈沖的控制下，4 只IRF3205 輪流導(dǎo)通。如此反復(fù),再經(jīng)變壓器EE42 升壓輸出高壓方波交流電。

2.3 高壓整流模塊

高頻變壓器EE42 兩端輸出的是高壓方波交流電，需要整流輸出320 V 左右的高壓直流電。本設(shè)計(jì)中前級(jí)升壓的高壓整流濾波電路采用了HER508 整流二級(jí)管構(gòu)建全橋整流電路，其中濾波電容采用了高壓濾波電解電容330μF/450 V。

2.4 全橋逆變模塊

本設(shè)計(jì)逆變的控制方式采用了SPWM 波脈沖調(diào)制。SPWM 波是由AT89S52 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生。由于輸出側(cè)逆變電路采用了4 片TLP250 驅(qū)動(dòng)IGBT 管組成的全橋逆變電路，如果橋臂上、下兩個(gè)開關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通，將會(huì)引起直流側(cè)電源的短路而損壞器件。因此為保護(hù)電路，由單片機(jī)輸出的SPWM 信號(hào)必須要通過死區(qū)控制電路才能送到逆變橋控制電路[14]。

逆變驅(qū)動(dòng)電路主要用于SPWM 波對(duì)IGBT 管的驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)采用TLP250 光耦驅(qū)動(dòng)。使用光耦驅(qū)動(dòng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)的保護(hù)，防止IGBT 管高壓端對(duì)單片機(jī)沖擊造成損壞，起到高低壓隔離控制的效果。

逆變橋式電路采用的是全橋逆變方式，全橋與半橋相比每個(gè)管子可減小一半的電流，同時(shí)全橋的逆變控制方式比半橋簡(jiǎn)單。全橋逆變采用IGBT 管IRF840 設(shè)計(jì)，每個(gè)IGBT 管兩端接有兩個(gè)保護(hù)二極管，防止其在工作中被擊穿。

全橋逆變模塊的工作原理：?jiǎn)纹瑱C(jī)輸出兩路互補(bǔ)的SPWM 信號(hào)(PWM1、PWM2)通過非門74HC04 將兩路SPWM信號(hào)(PWM1、PWM2)生成互補(bǔ)的兩路信號(hào)(PWM1-、PWM2-)；將PWM1、PWM2、PWM1-、PWM2-四路信號(hào)通過RC 延遲電路送入與門74HC08，相與后得到四路信號(hào)(PWM1L、PWM1H、PWM2L、PWM2H)，四路信號(hào)通過光耦TLP250 分別驅(qū)動(dòng)四個(gè)IGBT 管。其中與門74HC08 與RC 延遲電路實(shí)現(xiàn)了電路的死區(qū)控制，死區(qū)時(shí)間約為5μs。

2.5 交流濾波模塊

在全橋逆變模塊中，逆變橋輸出頻率為21 kHz 的SPWM方波，除基波外還有許多高次諧波，主要是在15 kHz 至30 kHz 附近，要使方波變成標(biāo)準(zhǔn)正弦波就需要進(jìn)行濾波，所以設(shè)計(jì)采用較常用的二階LC 濾波電路。

交流電流檢測(cè)主要用于過流保護(hù)和短路保護(hù)，設(shè)計(jì)采用CT102A 電流互感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。電流互感器兩端接一個(gè)10 kΩ的電阻作為采樣電阻，再通過全橋整流濾波分壓得到一個(gè)適合單片機(jī)采樣的電壓。

交流電壓采樣電路主要用于SPWM 波的穩(wěn)壓調(diào)節(jié)。電路設(shè)計(jì)在全橋整流濾波后采用電阻分壓的采樣電壓作為反饋量，實(shí)現(xiàn)輸出的穩(wěn)壓調(diào)節(jié)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 SPWM 波的產(chǎn)生

SPWM 波脈沖調(diào)制原理：與PWM 波形相比，SPWM 波形的脈沖寬度是遵循正弦規(guī)律實(shí)時(shí)改變來(lái)控制逆變器中開關(guān)管的導(dǎo)通狀態(tài)，從而使其輸出脈沖電壓的面積與期望的正弦波在對(duì)應(yīng)區(qū)間面積相同。因此可以通過更改調(diào)制脈沖的頻率和幅值來(lái)調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的相應(yīng)參數(shù)。

設(shè)計(jì)采用AT89S52 單片機(jī)，利用其PWM 波的功能產(chǎn)生SPWM 波。在每個(gè)固定的載波周期內(nèi)，不同脈寬數(shù)值組成正弦變化?？稍诙〞r(shí)器0 第一次溢出，將第一個(gè)脈寬值sin[0]裝入PWM0 寄存器，然后開啟PWM0。定時(shí)器0 第N 次溢出時(shí)，將第N 個(gè)脈寬值sin[N]裝入PWM0 寄存器，再開啟PWM0。周而復(fù)始的運(yùn)行，PWM0 寄存器就能夠產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的SPWM波。正弦波分為正半周和負(fù)半周，令PWM0 為正半周，則PWM1 為負(fù)半周。因此PWM0 和PWM1 分別運(yùn)行第N 次后交替開啟實(shí)現(xiàn)正弦波的正負(fù)半周交替出現(xiàn)。

3.2 程序設(shè)計(jì)框圖

本設(shè)計(jì)采用C 語(yǔ)言編程，程序的數(shù)據(jù)修改在中斷服務(wù)程序中，主程序包含了PWM 模塊的初始化及AD 模塊的初始化等。單片機(jī)在上電之后，對(duì)各功能模塊初始化，并開啟定時(shí)器中斷。根據(jù)反饋的電壓值，調(diào)節(jié)SPWM 波的峰值，調(diào)節(jié)輸出穩(wěn)定的交流電壓。圖3 為主程序流程框圖。

圖3 主程序流程框圖

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

基于硬件電路設(shè)計(jì)搭建如圖4所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用數(shù)字示波器對(duì)推挽升壓模塊和全橋逆變模塊的驅(qū)動(dòng)波形和輸出波形進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、處理和分析，并做了相關(guān)的數(shù)據(jù)測(cè)試。

4.1 推挽升壓模塊驅(qū)動(dòng)波形分析

使用數(shù)字示波器測(cè)得SG3525 驅(qū)動(dòng)推挽電路的兩路PWM波，如圖5 所示。圖5(a)為升壓電路空載時(shí)的PWM 波形，圖5(b)為升壓電路滿負(fù)載時(shí)的PWM 波形，頻率均為28.5 kHz。

SG3525 在驅(qū)動(dòng)功率管時(shí)，保證死區(qū)時(shí)間的存在。通過示波器測(cè)量，如圖6 所示。測(cè)試SG3525 的4 號(hào)引腳死區(qū)時(shí)間為2.5 μs，而2 路PWM 波的死區(qū)時(shí)間為5μs，有效預(yù)防了單側(cè)逆變橋臂直通進(jìn)而毀壞功率器件。

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

圖5 SG3525的兩路PWM波

圖6 SG3525的死區(qū)時(shí)間

4.2 全橋逆變模塊驅(qū)動(dòng)波形分析

SPWM 波是全橋逆變電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，是最后輸出正弦波的關(guān)鍵，通過示波器測(cè)試全橋各管腳的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。圖7 所示分別為兩組橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)的波形圖。

圖7 逆變驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)波形

4.3 全橋逆變模塊輸出波形分析

本設(shè)計(jì)逆變系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是波形為正弦波，與方波相比具有基波量大、諧波量小，逆變效率高的特點(diǎn)。利用示波器對(duì)輸出交流電壓進(jìn)行快速傅里葉分析，可得如圖8 所示的頻譜圖。圖8(a)為逆變器輸出波形傅里葉分析，圖8(b)為方波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的波形傅里葉分析。通過比較可知逆變器產(chǎn)生的正弦波諧波分量較小，方波里的諧波分量較大。

圖8 各輸出波形傅里葉分析圖

4.4 逆變系統(tǒng)數(shù)據(jù)測(cè)試

利用蓄電池為逆變電路供電，用交流電壓電流表測(cè)量輸出，測(cè)試在不同負(fù)載下，系統(tǒng)的工作效率情況，如表1 所示。

通過表1 可知，在接不同負(fù)載時(shí)，隨著負(fù)載的變大逆變器的逆變效率也升高，額定功率下，已能達(dá)到88%的效率，滿足了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表1 逆變器效率檢測(cè)表

5 總結(jié)

本文采用了集成芯片CN3722 實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能充電控制功能，設(shè)計(jì)了防反接保護(hù)電路、輸入欠壓保護(hù)電路，前級(jí)采用了基于SG3525 和IRF3205 功率管的推挽式逆變電路，后級(jí)采用4 片TLP250 驅(qū)動(dòng)IGBT 管組成的全橋逆變電路，逆變控制技術(shù)采用了SPWM 波脈沖調(diào)制技術(shù)。同時(shí)采用了HER508 整流二級(jí)管構(gòu)建全橋整流電路，采用二階LC 濾波電路對(duì)輸出電流進(jìn)行濾波。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：該系統(tǒng)輸出波形為50 Hz 的正弦波，具有基波量大、諧波量小、逆變效率高等特點(diǎn)；逆變器逆變效率隨負(fù)載的變大而變大，其峰值效率可達(dá)88.67%。