【光伏逆變器的參數(shù)設(shè)計(jì)案例6200字】

光伏逆變器的參數(shù)設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u24388光伏逆變器的參數(shù)設(shè)計(jì)案例 18821.1Booost電路主要參數(shù)設(shè)計(jì) 2317851.1.1電感L的設(shè)計(jì) 2244971.1.2電容C的設(shè)計(jì) 250541.2LC濾波器的設(shè)計(jì) 3175581.2.1濾波電感L的設(shè)計(jì) 3205441.2.2濾波電容的設(shè)計(jì) 47981.3功率器件選型 460491.4DSP資源分配 417151.1.1A/D轉(zhuǎn)換 4224901.1.2PWM信號輸出 5237391.5DSP最小系統(tǒng) 5109511.5.1電源模塊 565351.5.2時鐘電路 6137751.5.3JTAG電路 735361.5.4復(fù)位電路 730511.6采樣電路 764501.6.1直流電壓采樣電路 8196561.6.2直流電流采樣電路 823561.6.3電網(wǎng)電壓檢測電路 9210161.6.4逆變器輸出電流檢測電路 10127701.7驅(qū)動電路 1211051.8保護(hù)電路 1351361.8.1浪涌過電壓保護(hù) 13313291.8.2柵極過電壓保護(hù) 14180951.8.3集電極-發(fā)射極過電壓保護(hù) 151.1Booost電路主要參數(shù)設(shè)計(jì)1.1.1電感L的設(shè)計(jì)光伏陣列輸出的功率可以表達(dá)為： （1.1）其中是光伏陣列輸出的電壓，是光伏陣列輸出的平均電流。逆變電路和負(fù)載所消耗的功率可以表示為: (1.2)其中，是負(fù)載電壓，便是負(fù)載平均電流。當(dāng)逆變電路的損耗很小，可以忽略不計(jì)時，光伏陣列輸出的功率和負(fù)載消耗的功率是相等的，即功率守恒： （1.3）將以上三式聯(lián)立解出負(fù)載平均電流： （1.4）當(dāng)電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，光伏陣列輸出的電流等于電感電流即： （1.5）可以將式（1.4）等效變形，形式如下： （1.6）電感的電壓關(guān)系表達(dá)式是： （1.7）電感的電流紋波滿足如下的表達(dá)式： （1.8）聯(lián)立以上幾式，可以得出電感L的表達(dá)式： （1.9）其中，電流紋波系數(shù)為，當(dāng)占空比時，電感的電感值取得最大值，表達(dá)式如下： （1.10）在上式中，Boost電路輸出電壓，IGBT的開關(guān)頻率選擇20，那么，，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，取。將以上的值帶入上式中解出。在實(shí)際應(yīng)用中，電感L的取值比計(jì)算的要大，所以取。1.1.2電容C的設(shè)計(jì)此處的電容C1的主要作用有穩(wěn)壓，濾波，電容值的選取十分的關(guān)鍵。由于IGBT的通斷，會產(chǎn)生文波電流，所以Boost電路輸出的電流包含文波電流和平均值電流，平均值電流流過負(fù)載，而文波電流流過電容C1，被電容所吸收。在一個周期中，電容C1充放電能量可以表達(dá)為： （1.11）文波電流會產(chǎn)生文波電壓，表達(dá)式如下： （1.12）將上式變形，寫出電容C1的表達(dá)式： （1.13）在上式中，，取占空比，開關(guān)周期，紋波電壓系數(shù)為1%，即。將這些數(shù)據(jù)帶入式（1.13）可解出電容，由于電容C1有穩(wěn)壓，濾波，功率解耦的作用，所以選擇比計(jì)算值大的電容，取電容。1.2LC濾波器的設(shè)計(jì)1.2.1濾波電感L的設(shè)計(jì)在逆變器輸出的正弦交流電中，由于功率器件的通斷，會產(chǎn)生高次諧波，為了避免質(zhì)量不好的并網(wǎng)電流對電網(wǎng)造成污染，必須加濾波電路，把高次諧波控制在一定的范圍內(nèi)。在此次設(shè)計(jì)中，采用LC濾波器，濾波電感的大小由電流紋波影響，此次設(shè)計(jì)取額定輸出電流的10%作為電感L2的電流紋波，根據(jù)已知條件，逆變器輸出交流電壓220V，容量10KVA，就可以計(jì)算出電流紋波： （1.14）濾波電感L2的電流紋波可以表達(dá)為： （1.15）在上式中，是逆變器輸出電壓的平均值，表示SPWM的占空比，表示載波的頻率，和開關(guān)頻率相等，為20KHZ。又因?yàn)椋瑢⑹剑?.15）可以寫成： （1.16）當(dāng)上式滿足時，取得最大值： （1.17）當(dāng)電感電流的文波小于逆變器輸出電流文波時滿足條件，即，將，，帶入式（1.17）中可得濾波電感L2的范圍： （1.18）1.2.2濾波電容的設(shè)計(jì)當(dāng)濾波電感的大小已知時，可以根據(jù)電容無功功率來計(jì)算出電容的大小，此處選取15%的額定功率，電容C2的表達(dá)式為： （1.19）1.3功率器件選型IGBT在功率器件中，有著以下的優(yōu)點(diǎn)：IGBT的導(dǎo)通電阻較低，電流承載的能力很強(qiáng)；IGBT的輸出電流大于相同尺寸的功率MOSFET;IGBT能夠承受很高的電壓，因而可以實(shí)現(xiàn)高耐壓的器;IGBT具有很大的輸入電阻和較小的輸入電容，驅(qū)動功率低，開關(guān)速度高；具有非常低的導(dǎo)通壓降與優(yōu)秀的導(dǎo)通電流密度，所以可以使用更小尺寸的器件從而降低成本，此次的設(shè)計(jì)的功率器件均采用IGBT。在Boost直流升壓電路中，IGBT需要承受400V的電壓，考慮到選取器件時要有一定的裕量，此次設(shè)計(jì)選用FairchildSemiconductor公司的SGL160N60UFD，其主要參數(shù)有額定電壓600V，額定電流160A，工作頻率為20KHZ。在Boost直流升壓電路中，二極管的選擇應(yīng)該按照通態(tài)壓降和快恢復(fù)這兩個特性去選擇，選擇通態(tài)壓降小、恢復(fù)速度快的二極管，與功率器件IGBT相同，二極管也要承受400V的最高電壓。此次設(shè)計(jì)采用FairchildSemiconductor公司的快恢復(fù)二極管FFA120UOP60DN，其主要參數(shù)有額定電壓600V，額定電流240A。在逆變環(huán)節(jié)，需要4個IGBT，直流端輸出的電壓大小是400V，所以單相全橋逆變電路中的IGBT也需要承受最高400V的電壓，要求逆變器輸出的電壓為220V，那么逆變器輸出的電流在45.45A，受功率器件在通斷過程中尖峰電壓的影響，在選取器件時要留有一定的裕量，綜合各種影響因素，單相全橋逆變電路中的功率器件IGBT選擇FairchildSemiconductor公司型號為HGTG27N120BN的IGBT，其額定電壓1200V，額定電流72A，滿足此次設(shè)計(jì)的要求。IGBT橋臂上反并聯(lián)的二極管選擇FairchildSemiconductor公司型號為FFA120UOP60DN的快恢復(fù)二極管。1.4DSP資源分配在此次設(shè)中，DSP控制芯片需要完成電壓和電流的采集、產(chǎn)生SPWM信號驅(qū)動IGBT、故障檢測等功能。德州儀器主推高性能TMS320F2812，32位定點(diǎn)微控制單元，主頻高達(dá)150MHz，具備I2C、SPI、CAN、PWM等總線接口。此次設(shè)計(jì)所用到的DSP芯片的資源主要有以下幾個部分：采樣端口，I/O接口以及時間管理器。其中，寄存器可以決定I/O口作為數(shù)字I/O口，還是作為功能引腳使用。1.1.1A/D轉(zhuǎn)換TMS320F2812芯片擁有兩個采樣保持電路、一個12位的A/D轉(zhuǎn)換器、16路輸入通道。可以根據(jù)內(nèi)部模擬開關(guān)的工作狀態(tài)將采樣方式分為順序采樣和同步采樣。當(dāng)內(nèi)部模擬開關(guān)工作在級聯(lián)模式時，采樣方式是順序采樣；當(dāng)內(nèi)部模擬開關(guān)工作在并聯(lián)模式下時，采樣方式是同步采樣。TMS320F2812的采樣可以非常快的完成，當(dāng)采樣方式是順序采樣時，完成16路信號的轉(zhuǎn)換只需10微秒，快速性完全滿足系統(tǒng)的需求。通道分配表如表1所示：表1A/D轉(zhuǎn)換通道分配1.1.2PWM信號輸出在此次設(shè)計(jì)的內(nèi)容中，需要PWM驅(qū)動的功率器件有5處，分別是Boost升壓電路中的IGBT，單相全橋逆變電路中的4個IGBT，所以需要5路PWM信號來控制整個電路。在Boost升壓電路中，IGBT的驅(qū)動依靠普通的PWM信號來驅(qū)動，采用事件管理器EVA的PWM5；在全橋逆變電路中，它的4個IGBT的驅(qū)動信號分別由事件管理器EVA的PWM1、PWM2、PWM3、PWM4來產(chǎn)生。如下表2所示：表2PWM信號分配表1.5DSP最小系統(tǒng)DSP最小系統(tǒng)就是保證DSP能夠正常工作的最少硬件構(gòu)成。DSP能夠?qū)⒛M量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并且保存在寄存器中，可以實(shí)現(xiàn)對數(shù)字信號的處理。在此次設(shè)計(jì)中，DSP最小系統(tǒng)由以下幾部分組成：供電電源模塊，時鐘電路，JTAG電路以及復(fù)位電路。1.5.1電源模塊TMS320F2812芯片需要兩種不同電壓等級的電，分別是1.8V的內(nèi)核電壓和3.3V的I/O電壓，TMS320F2812的上電順序?yàn)椋?.3V的I/O電壓要先于1.8V的內(nèi)核電壓完成上電，對上電的順序要求比較高。綜上可知，TMS320F2812芯片需要1.8V和3.3V兩種模式的電壓，這兩種模式的電壓可以通過穩(wěn)壓芯片AMS1117得到，AMS1117芯片輸出電壓有1.5V、1.8V、2.5V、2.85V、3.0V、3.3V、5.0V這七種模式，AMS1117-1.8可以實(shí)現(xiàn)1.8V電壓的要求，AMS1117-3.3可以實(shí)現(xiàn)3.3V電壓的要求，如下圖1.1所示。圖1.1電源模塊1.5.2時鐘電路系統(tǒng)的正常工作離不開時鐘電路時鐘信號，時鐘信號的產(chǎn)生可以分為內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式兩種。如下圖1.2所示，時鐘電路由晶振和內(nèi)部振蕩器組成，此次設(shè)計(jì)選擇內(nèi)時鐘的方式。圖1.2時鐘電路1.5.3JTAG電路JTAG用于芯片內(nèi)部的測試，很多器件都支持JTAG協(xié)議，如DSP、FPGA等。JTAG電路主要完成程序在線調(diào)試和下載程序到DSP芯片，由于它是不占用系統(tǒng)資源的，所以不影響系統(tǒng)的運(yùn)行速度。JTAG接口有四條線，分別是：TMS、TCK、TDI和TDO，分別為：模式選擇、時鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出線。其電路如圖1.3所示。圖1.3JTAG電路1.5.4復(fù)位電路復(fù)位電路就是使系統(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài)的電路。在系統(tǒng)工作的過程中，可能會出現(xiàn)一些無法檢測到的故障，影響到系統(tǒng)的運(yùn)行，這時就需要復(fù)位電路初始化，以免影響系統(tǒng)的工作。此次設(shè)計(jì)的RC復(fù)位電路可以使TMS320F2812芯片可靠復(fù)位，并且還有手動復(fù)位按鈕，如下圖1.4所示。圖1.4復(fù)位電路1.6采樣電路在整個主電路中，前級Boost升壓電路可以實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤，所以需要測量直流母線的電壓和電流，后級逆變電路的輸出正弦交流電需要并到電網(wǎng)上，所以需要測量電網(wǎng)的電壓，同時也要測量逆變器輸出的交流電流。綜上所述，檢測采樣電路需要4個，直流電壓采樣電路，直流電流采樣電路，電網(wǎng)電壓采樣電路，逆變器輸出電流采樣電路。1.6.1直流電壓采樣電路在直流電壓采樣電路中，所選擇的電壓傳感器是TBV10/25A霍爾電壓傳感器，它的原邊線圈與副邊線圈的匝數(shù)比是2500比1000，初級線圈電阻200Ω，次級線圈的電阻是110Ω,當(dāng)輸入電流為10mA時，它的輸出電流時25mA。光伏陣列的輸出電壓最大值400V，所以就可以得到原邊電阻Ri的值： （1.20）TMS320F2812芯片的A/D口能夠承受住的電壓范圍是在0-3V之間。當(dāng)原邊輸入電流10mA，副邊輸出的電流為25mA時，設(shè)測量電阻Rm兩端的電壓為3.3V，那么就可以求出副邊測量電阻Rm的值： （1.21）直流電壓檢測電路的電路圖如下圖1.5所示：圖1.5直流電壓檢測電路直流母線的電壓經(jīng)過電阻Ri輸入到霍爾傳感器TVB10/25A中，傳感器輸出電流信號，通過測量電阻Rm將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，在圖1.5中，還有一個電阻R和電容C組成的濾波器，它的作用是濾掉傳感器輸出的高次諧波，之后將所測得的電壓經(jīng)過電壓跟隨器進(jìn)行緩沖，然后就輸出了0-3.3V的電壓，將這一電壓信號輸入DSP控制芯片的ADCINA1口，為了防止電壓過大而損壞芯片，在電壓跟隨器的輸出側(cè)加了兩個二極管，當(dāng)電壓大于3.3V時，上面的二極管導(dǎo)通，當(dāng)電壓小于0V時，下面的二極管導(dǎo)通，從而保證了輸入DSP控制芯片的電壓在0-3.3V之間。1.6.2直流電流采樣電路為了實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤，直流電流也是必須要測量的，直流電流的測量和直流電壓的測量基本相同，不同的一點(diǎn)就是直流電壓測量用電壓傳感器，而直流電流測量用電流傳感器。在此次設(shè)計(jì)中，采用型號為CSM050SY的霍爾電流傳感器。這個型號的電流傳感器的優(yōu)點(diǎn)主要有原邊與副邊之間高度絕緣、穿孔結(jié)構(gòu)，無插入損耗、體積小，重量輕、安裝簡單、性價比高。直流電流采樣電流的電路圖如下圖1.6所示：圖1.6直流電流檢測電路和直流電壓檢測電路類似，霍爾電流傳感器將輸出的電壓信號經(jīng)過測量電阻轉(zhuǎn)化為電流信號，在經(jīng)過濾波電路濾掉高次諧波，再經(jīng)過電壓跟隨器緩沖，最后經(jīng)過保護(hù)電路將這一電流信號輸入到DSP芯片的ADCINA2口。1.6.3電網(wǎng)電壓檢測電路光伏并網(wǎng)逆變器輸出的電流的相位和頻率必須要和電網(wǎng)電壓的一樣，在逆變器開機(jī)時，要對電網(wǎng)的電壓幅值和頻率進(jìn)行檢測，以確定是否正常。電網(wǎng)電壓檢測電路的電路圖如下圖1.7所示圖1.7電網(wǎng)電壓檢測電路交流電壓檢測電路和直流電壓檢測電路是由明顯區(qū)別的，直流電壓一直為正，而交流電有正有負(fù)。DSP芯片的A/D轉(zhuǎn)換接口的電壓范圍是0-3.3V，是不允許有負(fù)值的。在霍爾電壓傳感器的輸出端，兩個200Ω的電阻將測量的范圍劃分為負(fù)1.65V到1.65V，之后經(jīng)過共集電極放大電路和由兩個470Ω的電阻以及3.3V電源組成的電壓抬升電路，將電壓抬升1.65V，這樣就可以輸出0-3.3V的電壓，最后經(jīng)過濾波電路和保護(hù)電路將電壓信號送入DSP芯片的ADCINA６口，完成電網(wǎng)電壓檢測的功能。1.6.4逆變器輸出電流檢測電路單相光伏并網(wǎng)逆變器的輸出電路流的相位和頻率必須要與電網(wǎng)電壓的相位和頻率保持一致，所以逆變器輸出的電流也是必須檢測的一個對象，它的電路圖如下圖1.8所示：圖1.8逆變器輸出電流檢測電路在上圖中可以看到，逆變器輸出電流檢測電路可以分為兩大部分。下面的一部分：霍爾電流傳感器輸出的電流信號經(jīng)過采樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號，再經(jīng)過兩個200Ω的電阻進(jìn)行分壓，將電壓信號的范圍保持再負(fù)1.65到1.65之間，隨后經(jīng)過濾波電路和射極電壓跟隨器緩沖，然后再經(jīng)過由兩個470Ω電阻和3.3V電壓組成的電壓抬升電路，抬升的電壓大小為1.65V，此時的電壓范圍就是0-3.3V，最后這以信號再經(jīng)過濾波電路和保護(hù)電路輸入到DSP芯片的ADCINA5口。上面一部分：上面的電路是過流檢測電路，當(dāng)霍爾傳感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號后，將這以電壓信號和10K電阻以及15V電壓設(shè)置的門檻電壓做比較，當(dāng)這一電壓信號大于門檻電壓信號時，射極跟隨器就輸出高電平，后面的二極管導(dǎo)通，將高電平這一信號送入DSP芯片的GPIOB0口，然后控制芯片便封鎖PWM信號，逆變器停止工作。過流檢測電路的作用是當(dāng)輸出電流過大時，讓控制器做出保護(hù)動作，保證整個系統(tǒng)的安全。1.7驅(qū)動電路驅(qū)動電路位于主電路和控制電路之間，是對控制電路的控制信號放大，從而驅(qū)動主電路。由于DSP芯片產(chǎn)生的PWM信號比較小，是無法直接驅(qū)動功率器件IGBT的，所以就需要驅(qū)動電路將這一驅(qū)動信號放大，從而驅(qū)動功率器件IGBT。驅(qū)動電路要產(chǎn)生合適的驅(qū)動信號驅(qū)動IGBT，同時也要實(shí)現(xiàn)控制電路和主電路的電氣隔離。此次設(shè)計(jì)采用的驅(qū)動芯片是IR2110，IR2110是美國國際整流器公司(InternationalRectifierCompany)利用自身獨(dú)有的高壓集成電路及無門鎖CMOS技術(shù)，在1990年前后開發(fā)并投放市場的大功率MOSFET和IGBT專用柵極驅(qū)動集成電路，已在電源變換、馬達(dá)調(diào)速等功率驅(qū)動領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。該電路芯片體積小(DIP-14、SOIC-16)，集成度高(可驅(qū)動同一橋臂兩路)，響應(yīng)快(ton/tof=120/94ns)，偏值電壓高(小于600V)，驅(qū)動能力強(qiáng)，內(nèi)設(shè)欠壓封鎖，而且其成本低，易于調(diào)試，并設(shè)有外部保護(hù)封鎖端口。尤其是上管驅(qū)動采用外部自舉電容（電容兩端電壓不能突變）上電，使得驅(qū)動電源路數(shù)目較其他IC驅(qū)動大大減小。對于4個功率器件管構(gòu)成的全橋電路,采用2片IR2110驅(qū)動2個橋臂，僅需要一路10-20V電源，從而大大減少了電源數(shù)目,降低了產(chǎn)品成本,提高了系統(tǒng)的可靠性。同時，它還具有光耦隔離和電磁隔離的優(yōu)點(diǎn)，是是中小功率變換裝置中驅(qū)動器件的首選。IR2110驅(qū)動電路的電路圖如下圖1.9所示。圖1.9驅(qū)動電路電路圖低壓系統(tǒng)與高壓系統(tǒng)之間需要電氣隔離，為了滿足DSP芯片與高壓之間的電氣隔離，必須要有電氣隔離電路，此次設(shè)計(jì)采用型號為6N137的隔離芯片。DSP芯片輸出的PWM信號從6N137的引腳3輸入，從6N137的引腳6輸出，6N137的輸出信號是IR2110的輸入信號，接到IR2110的引腳HIN和LIN上，IR2110的輸出信號是IR2110的HO和LO兩個引腳，這兩個接口連接橋臂上的IGBT。隔離電路的電路圖如圖1.10所示。圖1.10隔離電路1.8保護(hù)電路保護(hù)電路主要是對功率器件IGBT的保護(hù)，IGBT是整個逆變電路的核心元器件，功率器件IGBT的正常工作是整個系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提，所以對功率器件IGBT的保護(hù)對整個系統(tǒng)有著重要的意義。功率器件IGBT的保護(hù)主要是針對過壓而采取的保護(hù)，功率器件IGBT的保護(hù)主要有柵極過電壓保護(hù)，集電極-發(fā)射極過電壓保護(hù)，浪涌過電壓保護(hù)。1.8.1浪涌過電壓保護(hù)浪涌過電壓的產(chǎn)生主要有以下的幾個方面：當(dāng)IGBT關(guān)斷時,電路工作頻率很高,突變時間極短,會產(chǎn)生很高的；由于電路中存在分布電感，電感上電流不能突變，將會產(chǎn)生很高的電感電壓,阻止電流下降，電感電壓與直流電