一款緊湊型多功能逆變器設(shè)計方案

分立式逆變器挑戰(zhàn)

　　分立式逆變器使用的直流電來自電池中的太陽能模塊或其他電源，它會根據(jù)需要將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。在用戶對電源的要求不斷變化的應(yīng)用中，設(shè)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，他們還需有效切實地提供此類電源。這就要求逆變器采用靈活的設(shè)計，能夠輕松適應(yīng)未來的任何需求。

　　另外，鑒于應(yīng)用領(lǐng)域的性質(zhì)，這些逆變器必須小巧且便于攜帶。例如，像偏遠露營地、船上，以及需要緊急備用電源而通常又沒有電網(wǎng)供電的場所，這些情況下就需要使用電源。同時這些類型的逆變器必須簡單易用且能夠進行現(xiàn)場維修。

　　解決方案

　　客戶的逆變器僅重8千克，可接受24V或48V的標(biāo)稱電池電壓，能夠提供2200 VA的標(biāo)稱輸出，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。為了實現(xiàn)小巧的外形且方便攜帶，客戶采用了基于高頻變壓器的逆變器架構(gòu)，該架構(gòu)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，分立式逆變器只需依托于小型高頻變壓器，而不必像其他同類設(shè)計中那樣采用龐大的低頻重型變壓器。

　　通過運用此高頻概念，連接到逆變器的負(fù)載幾乎直接與輸出級相連，從而消除了采用低頻變壓器設(shè)計時通常面臨的衰減問題。也就是說，可以通過輸出功率級來調(diào)節(jié)負(fù)載端的所有波動。該設(shè)計過程中面臨的一個主要挑戰(zhàn)是，需要高效實施此架構(gòu)并輸出一個符合頻率、電壓和諧波失真規(guī)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，客戶也面臨多項挑戰(zhàn)。原因在于分立式逆變器起到電壓源的作用，它會產(chǎn)生特有的穩(wěn)定輸出電壓并根據(jù)連接的負(fù)載調(diào)節(jié)電流。因此，連接兩個或更多個電壓源而它們又互不同步時，將造成負(fù)載不對稱且電流在電壓源之間流動而不會流入負(fù)載。這會導(dǎo)致功率損耗并產(chǎn)生無功功率。更讓人擔(dān)心的是，這種電流還可能損壞電源。

　　如果兩個電壓源之間存在微小相移，也可能出現(xiàn)這種不對稱的情況，從而導(dǎo)致兩個電壓源之間出現(xiàn)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(dǎo)致逆變器之間產(chǎn)生非常大的電流。為了解決這個問題，客戶采用了非?？焖偾揖_的控制與通信算法。

　　鑒于多個分立式逆變器并聯(lián)運行這一工作需求，客戶必須提出一套模塊化設(shè)計概念。備用逆變器的工作方式與標(biāo)準(zhǔn)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交流電源（AC -DC）對電池進行充電。目前，市場上沒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(gòu)。為了實現(xiàn)這些目標(biāo)，必須開發(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?？蛻魳?gòu)想的逆變器系統(tǒng)包含四個不同的功能模塊，由三個不同的信號控制器控制：

　　1. DC-DC

　　2. DC-AC

　　3. 顯示和用戶界面

　　經(jīng)過對市場上提供的多種數(shù)字信號控制器（Digital Signal Controller，DSC）進行研究之后，客戶選用了Microchip Technology的dsPIC（r） DSC。該dsPIC DSC配有電源友好型外設(shè)，例如基于計數(shù)器的脈寬調(diào)制（Pulse-Width-Modulation，PWM）模塊、基于模擬比較器的反饋和協(xié)調(diào)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）采樣；此外還能在單個時鐘周期內(nèi)實現(xiàn)快速乘法。這些功能的組合使得dsPIC30F DSC可應(yīng)對客戶逆變器所需的各種控制環(huán)算法的高執(zhí)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(fù)位控制器、存儲芯片、ADC和控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network，CAN）控制器。通過提供最高可達30 MIPS的執(zhí)行速率，dsPIC30F DSC可確保提升逆變器系統(tǒng)的效率和可靠性。DSC的另外一個優(yōu)勢是支持各種工作電壓（2.5V-5.5V），可確保后續(xù)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，這也有助于實現(xiàn)靈活的模塊化逆變器設(shè)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?？蛻暨€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比例積分（Proportional Integral，PI）控制環(huán)（專利申請中）。

　　dsPIC30F6010A通過CAN總線與用于逆變器前面板和顯示控制的dsPIC30F5011相連。它還會根據(jù)用戶的指令調(diào)整逆變器的功能模式?？蛻魧ｉT選用了dsPIC30F5011來執(zhí)行此任務(wù)，因為它配有66 KB的閃存和一個CAN接口。另外，dsPIC30F5011的片上閃存可幫助存儲逆變器多語言用戶界面的所有圖形圖標(biāo)。借助前面板上的導(dǎo)航鍵，用戶可以輕松瀏覽各種工作模式和菜單。

　　這些逆變器高度穩(wěn)定，響應(yīng)速度快且基于高頻變壓器技術(shù)和模塊化設(shè)計。用戶還可以并聯(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個逆變器，即系統(tǒng)中總共可配備15個逆變器。

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

　　圖1：分立式逆變器功能框圖