一款緊湊型多功能逆變器設計方案

分立式逆變器挑戰

　　分立式逆變器使用的直流電來(lái)自電池中的太陽(yáng)能模塊或其他電源，它會(huì )根據需要將直流電轉換為交流電。在用戶(hù)對電源的要求不斷變化的應用中，設計人員必須能夠按相并聯(lián)額外的逆變器，或者必須使產(chǎn)品適用于三相工作環(huán)境。此外，他們還需有效切實(shí)地提供此類(lèi)電源。這就要求逆變器采用靈活的設計，能夠輕松適應未來(lái)的任何需求。

　　另外，鑒于應用領(lǐng)域的性質(zhì)，這些逆變器必須小巧且便于攜帶。例如，像偏遠露營(yíng)地、船上，以及需要緊急備用電源而通常又沒(méi)有電網(wǎng)供電的場(chǎng)所，這些情況下就需要使用電源。同時(shí)這些類(lèi)型的逆變器必須簡(jiǎn)單易用且能夠進(jìn)行現場(chǎng)維修。

　　解決方案

　　客戶(hù)的逆變器僅重8千克，可接受24V或48V的標稱(chēng)電池電壓，能夠提供2200 VA的標稱(chēng)輸出，效率最高達93%。這些分立式逆變器將充電技術(shù)和逆變器融為一體。為了實(shí)現小巧的外形且方便攜帶，客戶(hù)采用了基于高頻變壓器的逆變器架構，該架構由輸入高頻功率級、高頻變壓器、中間直流鏈路以及輸出功率級組成。這樣一來(lái)，分立式逆變器只需依托于小型高頻變壓器，而不必像其他同類(lèi)設計中那樣采用龐大的低頻重型變壓器。

　　通過(guò)運用此高頻概念，連接到逆變器的負載幾乎直接與輸出級相連，從而消除了采用低頻變壓器設計時(shí)通常面臨的衰減問(wèn)題。也就是說(shuō)，可以通過(guò)輸出功率級來(lái)調節負載端的所有波動(dòng)。該設計過(guò)程中面臨的一個(gè)主要挑戰是，需要高效實(shí)施此架構并輸出一個(gè)符合頻率、電壓和諧波失真規范的高質(zhì)量正弦波。

　　另外，對于如何在交流端并聯(lián)及切換分立式逆變器，客戶(hù)也面臨多項挑戰。原因在于分立式逆變器起到電壓源的作用，它會(huì )產(chǎn)生特有的穩定輸出電壓并根據連接的負載調節電流。因此，連接兩個(gè)或更多個(gè)電壓源而它們又互不同步時(shí)，將造成負載不對稱(chēng)且電流在電壓源之間流動(dòng)而不會(huì )流入負載。這會(huì )導致功率損耗并產(chǎn)生無(wú)功功率。更讓人擔心的是，這種電流還可能損壞電源。

　　如果兩個(gè)電壓源之間存在微小相移，也可能出現這種不對稱(chēng)的情況，從而導致兩個(gè)電壓源之間出現電壓差并致使電壓源在交流端直接相連。這是因為電阻非常低，導致逆變器之間產(chǎn)生非常大的電流。為了解決這個(gè)問(wèn)題，客戶(hù)采用了非?？焖偾揖_的控制與通信算法。

　　鑒于多個(gè)分立式逆變器并聯(lián)運行這一工作需求，客戶(hù)必須提出一套模塊化設計概念。備用逆變器的工作方式與標準逆變器（（DC -AC）相似，它采用與發(fā)電機相同的電源電子電路通過(guò)交流電源（AC -DC）對電池進(jìn)行充電。目前，市場(chǎng)上沒(méi)有任何一款逆變器能夠支持此功能并依托于高頻變壓器架構。為了實(shí)現這些目標，必須開(kāi)發(fā)出全新的接口和控制策略。圖1中的框圖最貼切地描述了這一概念?？蛻?hù)構想的逆變器系統包含四個(gè)不同的功能模塊，由三個(gè)不同的信號控制器控制：

　　1. DC-DC

　　2. DC-AC

　　3. 顯示和用戶(hù)界面

　　經(jīng)過(guò)對市場(chǎng)上提供的多種數字信號控制器（Digital Signal Controller，DSC）進(jìn)行研究之后，客戶(hù)選用了Microchip Technology的dsPIC（r） DSC。該dsPIC DSC配有電源友好型外設，例如基于計數器的脈寬調制（Pulse-Width-Modulation，PWM）模塊、基于模擬比較器的反饋和協(xié)調模數轉換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）采樣；此外還能在單個(gè)時(shí)鐘周期內實(shí)現快速乘法。這些功能的組合使得dsPIC30F DSC可應對客戶(hù)逆變器所需的各種控制環(huán)算法的高執行速率。

　　另外，這些高度集成的DSC消除了對許多外部元件的需求，例如復位控制器、存儲芯片、ADC和控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network，CAN）控制器。通過(guò)提供最高可達30 MIPS的執行速率，dsPIC30F DSC可確保提升逆變器系統的效率和可靠性。DSC的另外一個(gè)優(yōu)勢是支持各種工作電壓（2.5V-5.5V），可確保后續順利升級。

　　DSC還具有各種容量的閃存和RAM并配備多種連接選項，這也有助于實(shí)現靈活的模塊化逆變器設計。例如，在直流到直流功率級功能模塊中，dsPIC30F5015 DSC控制電池輸入與高頻變壓器之間的高頻級?？蛻?hù)還使用此器件精確測量電池的電壓和電流。直流到交流功率級模塊上采用了dsPIC30F6010A，用于使電源電子電路通過(guò)比例積分（Proportional Integral，PI）控制環(huán)（專(zhuān)利申請中）。

　　dsPIC30F6010A通過(guò)CAN總線(xiàn)與用于逆變器前面板和顯示控制的dsPIC30F5011相連。它還會(huì )根據用戶(hù)的指令調整逆變器的功能模式?？蛻?hù)專(zhuān)門(mén)選用了dsPIC30F5011來(lái)執行此任務(wù)，因為它配有66 KB的閃存和一個(gè)CAN接口。另外，dsPIC30F5011的片上閃存可幫助存儲逆變器多語(yǔ)言用戶(hù)界面的所有圖形圖標。借助前面板上的導航鍵，用戶(hù)可以輕松瀏覽各種工作模式和菜單。

　　這些逆變器高度穩定，響應速度快且基于高頻變壓器技術(shù)和模塊化設計。用戶(hù)還可以并聯(lián)這些逆變器--在三相工作環(huán)境中，每相最多可以并聯(lián)5個(gè)逆變器，即系統中總共可配備15個(gè)逆變器。

　　通過(guò)選用Microchip的dsPIC30F DSC，客戶(hù)得以設計出一款緊湊型多功能逆變器，無(wú)需連接到公共電網(wǎng)即可自主供電。

　　圖1：分立式逆變器功能框圖