基于SG3525的太阳能光伏逆变器设计

2019-01-07巩翛然胡万强

商丘职业技术学院学报 2018年6期

巩翛然，胡万强

(1.漯河路灯管理处，河南漯河 462000； 2.许昌学院电气机电工程学院，河南许昌 461000)

引言

太阳能发电是21世纪最有发展前途的一种可再生能源发电方式.由于它利用洁净的太阳光能，有利于环境保护，并且无可动部件，可分散灵活配置.太阳能光伏发电系统按照是否与电网相连分为离网太阳能光伏发电系统、并网发电系统与混合系统.其中，并网太阳能发电系统是光伏发电系统的发展趋势，其组成主要包括太阳电池矩阵、逆变器、控制器、使用电能的负载等[1]5.

并网光伏发电系统如果接入交流负载，就需要逆变器作为主要部件，利用其内部功率开关管在信号驱动下，实现其开通与关断的特性，实现直流电转换成220 V单相交流电供负载使用[2]7.逆变器有多种类型，按输出波形可分为方波、阶梯波和正弦波逆变器，其中，正弦波逆变器输出波形最好，抗干扰、抗噪声能力较强，功能完整，本文对并网光伏发电系统用正弦波电压源型逆变器进行了研究与设计.

并网光伏发电系统用正弦波电压源型逆变器结构通常如图1所示，主要由前级DC/DC变换器和后级DC/AC逆变器组成，其原理是根据升压技术将低压直流电变换成高压直流电，然后通过逆变电路输出220 V交流电[3]3.

1 逆变主电路设计

在光伏发电系统中，由于逆变器在不同光照条件下正常工作时需要实时控制直流母线电压，因此，要求逆变器具有更宽的直流输入电压范围并保证稳定的电压输出，所以本设计采用具有宽输入电压范围、低载时有很高转换效率的IGBT开关管，在相应的脉冲控制下产生通断，从而在负载端得到所需要的工频交流电，采用IGBT作为开关器件的单相桥式电压型逆变主电路如图2所示.为了平衡输入输出瞬时功率差异等问题，系统中通常需要并联电解电容来解决，由于电解电容寿命短，严重限制了逆变器的使用寿命，因此，在整个电路设计中使用长寿命的薄膜电容代替电解电容[4]47-49.

图1 逆变器结构原理图

图2 逆变主电路

图2中负载为阻感负载，工作时V1和V2或通或断，其工作状态互相补充，V3和V4工作状态与V1和V2类似.控制过程如下：在输出电压U0的正半周，V1接通，V2断开，V3和V4互相交替通断.由于通过负载的电流比输出电压滞后，因此在电压正半周，有一段区间内，负载电流为正值.这时，当V1、V4导通时，U0与电压Ud相等；如果V4关断，则U0=0. 在另一段区间内，负载电流为负，当V1、V4导通时，因i0为负，故U0=Ud，如果V3打开，V4断开，则i0经过V3和VD1，此时U0仍然为零.因此，U0总能得到Ud和零这两种电平，同样，在U0负半周，U0则得到 -Ud和零.

图3为控制V3和V4通断示意图，Ur为正弦波调制信号，在其正、负半周，载波Uc为锯齿波，且极性相反，IGBT的通断由Ur和Uc的交点控制.在Ur正半周，V1接通，V2断开，当Ur>Uc时V4接通，V3断开，U0=Ud；否则，V3接通，V4断开，此时U0值为零.以此类推，在Ur负半周, V1保持断态, V2保持通态,当UrUc时，使V3关断, V4导通，U0=0，这样，就得出PWM波形U0.

图3 单极性PWM控制波形

图4 双极性PWM波形控制方式

如图4所示，在Ur的一个周期内，输出的PWM波只有±Ud两种电平，在Ur的正负半周，各元件的控制规律和单极性相同，即当Ur>Uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号，这时如i0>0，则V1和 V4通，如i0<0，则VD1和VD4通，不管哪种情况输出电压U0=Ud.当Ur

2 DC/DC控制电路设计

在本文中，PWM采用控制芯片SG3525，该芯片基本性能和工作过程参照徐东生文章《基于SG3525A的太阳能逆变电源设计》[5]116，内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，并有过流保护功能，且频率可调.该芯片含有2个引脚，其中11、14引脚相位差为180°，分别引出一条线与变压器相连接，它们之间的电容起阻断直流的作用，可产生4组控制信号来分别控制开关管V1、V2、V3和V4的通断，这样就在负载端得到所需要的工频交流电.控制信号的来源是由ICL8038所产生的正弦波、SG3525自身产生的锯齿波并与SG3525内部硬件电路共同产生.用SG3525产生的控制信号的硬件电路如图5所示.

图5 DC/DC控制电路

3 DC/AC控制电路设计

DC/AC控制器结构如图6所示，核心器件为TMS320F240，主要由电压和电流检测电路等组成，电压和电流检测电路主要通过比较器电路，将正弦波信号转换成TMS320F240可以识别的TTL电平信号，从而实现与电网电压信号同相.电流测量主要是使用CSM300LT电流传感器，使其在电隔离情况下测量电流，将电流信号转换成电压信号，经信号调理电路处理后送入到TMS320F240芯片.

图6 DC/AC控制电路

4 正弦波产生电路设计

本设计中的正弦波的产生是由芯片ICL8038来完成的[6]7-8，其电路如图7所示.

图7 正弦波产生电路

ICL8038是性能优良的集成函数发生器，可用单电源供电，即将引脚11接地，引脚6接+VCC，VCC为10 V～30 V外电源；也可双电源供电，即将引脚11接-VEE，引脚6接+VCC，其值范围为 ±5 V～±15 V.频率的可调范围为：0.01 Hz～300 kHz.为了进一步减小正弦波的失真度，本设计中将2个100 kΩ的电位器和2个10 kΩ的电阻组成一个电路，通过调整它们可使正弦波的失真度减小到0.5%，通过调整Rw2可使电路振荡频率最大值与最小值之比达到100∶1.

5 主电路开关管的参数设计

逆变器开关频率为30 kHz，器件工作在硬开关状态，且属于低压大电流情况，IGBT器件的开关速度和电流拖尾现象使它不适合该应用场合，因此逆变器中变压器选用功率场效应晶体管作为主开关.

全桥4个管子在正常工作状态时承受的最大电压为U1max,即50 V，电流指标计算如下：

在分析电路损耗的时候，发觉管子的导通损耗占了较大比重，所以选择了导通电阻小、额定电流大的管子.本电路最终选用了美国快捷公司的FSAM20SL60 IGBT管，其额定电流20 A、耐压60 V，较同类器件成本降低40%，外型尺寸减小近30%.

6 实验结果与结论

为了验证上述光伏逆变器设计的正确性，制作了一台逆变器电路板，如图8所示. 带阻性负载时输出电压波形如图9所示，可以看出，输出电压约为230 V，谐波含量小于3%，频率为50 Hz，波形光滑，无毛刺，可以为供给设备作交流电用.实测在输出功率为100 W时转换效率达到95.6%，完全适用于民用，有着很好的推广前景.