一款緊湊型多功能逆變器設(shè)計(jì)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(huì)根據(jù)需要將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。在用戶對(duì)電源的要求不斷變化的應(yīng)用中，設(shè)計(jì)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)地提供此類電源。這就要求逆變器采用靈活的設(shè)計(jì)，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(yuǎn)露營(yíng)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(chǎng)所，這些情況下就需要使用電源。同時(shí)這些類型的逆變器必須簡(jiǎn)單易用且能夠進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)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(dá)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(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(jí)、高頻變壓器、中間直流鏈路以及輸出功率級(jí)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(jì)中那樣采用龐大的低頻重型變壓器。

　　通過運(yùn)用此高頻概念，連接到逆變器的負(fù)載幾乎直接與輸出級(jí)相連，從而消除了采用低頻變壓器設(shè)計(jì)時(shí)通常面臨的衰減問題。也就是說，可以通過輸出功率級(jí)來調(diào)節(jié)負(fù)載端的所有波動(dòng)。該設(shè)計(jì)過程中面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是，需要高效實(shí)施此架構(gòu)并輸出一個(gè)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(duì)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(xiàng)挑戰(zhàn)。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(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(gè)或更多個(gè)電壓源而它們又互不同步時(shí)，將造成負(fù)載不對(duì)稱且電流在電壓源之間流動(dòng)而不會(huì)流入負(fù)載。這會(huì)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(gè)電壓源之間存在微小相移，也可能出現(xiàn)這種不對(duì)稱的情況，從而導(dǎo)致兩個(gè)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?yàn)殡娮璺浅５停瑢?dǎo)致逆變器之間產(chǎn)生非常大的電流。為了解決這個(gè)問題，客戶采用了非?？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(yùn)行這一工作需求，客戶必須提出一套模塊化設(shè)計(jì)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(jī)相同的電源電子電路通過交流電源（AC -DC）對(duì)電池進(jìn)行充電。目前，市場(chǎng)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(shí)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(gè)不同的功能模塊，由三個(gè)不同的信號(hào)控制器控制：

　　1. DC-DC

　　2. DC-AC

　　3. 顯示和用戶界面

　　經(jīng)過對(duì)市場(chǎng)上提供的多種數(shù)字信號(hào)控制器（Digital Signal Controller，DSC）進(jìn)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(jì)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(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速乘法。這些功能的組合使得dsPIC30F DSC可應(yīng)對(duì)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(duì)許多外部元件的需求，例如復(fù)位控制器、存儲(chǔ)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(dá)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(gè)優(yōu)勢(shì)是支持各種工作電壓（2.5V-5.5V），可確保后續(xù)順利升級(jí)。

　　DSC還具有各種容量的閃存和RAM并配備多種連接選項(xiàng)，這也有助于實(shí)現(xiàn)靈活的模塊化逆變器設(shè)計(jì)。例如，在直流到直流功率級(jí)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(jí)。客戶還使用此器件精確測(cè)量電池的電壓和電流。直流到交流功率級(jí)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(qǐng)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(huì)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?yàn)樗溆?6 KB的閃存和一個(gè)CAN接口。另外，dsPIC30F5011的片上閃存可幫助存儲(chǔ)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(jì)。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(gè)逆變器，即系統(tǒng)中總共可配備15個(gè)逆變器。

　　通過選用Microchip的dsPIC30F DSC，客戶得以設(shè)計(jì)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