利用C2000 MCU实施并网微型太阳能逆变器

本文将为您介绍如何利用一个TMS320F2802设计一种低成本、高性能的微型太阳能逆变器。另外，文章还将讨论如何使用交叉式有源钳位反激和SCR全桥实现一个220W输出的微型太阳能逆变器，并介绍完整的系统固件架构和控制方法。最后，文章还会为您展示实验室波形。

1 概述

1.1 太阳能逆变器介绍

材料、能源和信息是人类生存和发展的三大要素。能源利用的每一次新发现，都会极大改变和促进现代文明的发展：

l 蒸汽机的发明让我们进入机器时代。

l 电的发明让我们进入电气时代。

l 半导体晶体管的发明让我们进入信息时代。

当前可再生能源的发展和利用将引发第四次工业革命;在所有可再生能源利用方法中，光伏发电是整个可再生能源发展的关键组成部分。根据世界能源组织预测，随着传统能源(例如：煤炭、石油等)逐渐枯竭，可再生能源将成为人类的主要能源。图1显示了世界能源的发展趋势。

图 1 世界能源发展趋势

各国政府都对可再生能源的发展投以极大关注。2007年，中国政府称“可再生能源可满足国家长期发展规划的需求”，而在2008年，中国政府便发布了可再生能源第11个五年发展计划。根据该计划要求，中国2010年的光伏发电装机容量需达到2,500亿瓦;据估计，到2020年，中国光伏发电装机容量将达到50,000亿瓦，其中并网光伏发电占75%。

太阳能光伏发电的主要优点包括：

l 太阳能很丰富，无穷无尽。

l 生产PV板的材料分布广泛，并储备丰富。

l 系统结构简单，转换效率高。

l 无污染，并且可循环利用。

l 光伏电池寿命长，维护成本低。

太阳能光伏发电的缺点包括：

l 功率密度低，占用面积大。

l 发电受限于自然条件，没有太阳就无法发电。

l 单位生产成本高。

1.2 光伏发电系统分类

根据应用环境，光伏发电系统可分为非入网太阳能逆变器系统和入网太阳能逆变系统。

非入网太阳能逆变器系统主要用于独立组建的光伏发电系统，适用于家庭、农村、岛屿、偏远地区、城市照明以及电源系统的通信、测试与应用。图2为一个系统结构图，其描述了太阳能板组件、太阳能逆变单元、储能单元、电负载等主要组成部分。

图 2 非入网太阳能逆变器系统

入网太阳能逆变器系统主要用于同传统电网连接，太阳能逆变器把来自PV板的电能连接传统电网，其主要组成为太阳能板、太阳能逆变器、智能双向电量计、家庭用电负载和传统电网等(参见图3)

图 3 入网太阳能逆变器系统

1.3 PV板电气特性

太阳能逆变器功率输出变化几乎与阳光直接相关，但是电流减少的速度远快于光照水平下降的速度。在极低光照水平下PV板一般会产生16V的电压，但是电流却极少。

另外，随着PV板温度升高，电压输出下降，反之亦然。输出曲线随光照条件、温度等而变化，如图4所示。

太阳能逆变器必须工作在MPP下，以获得来自PV板的最大电能。这是通过最大功率点控制环路(最大功率点追踪器，MPPT)来实现的。

图4 PV板电气特性

1.4 太阳能逆变器拓扑改变

随着照度的变化，PV板的输出电压范围为20到45伏，因此如果入网应用需要更高的输出电压，则通常会考虑并串联PV板以获得高输入电压，并使用一个逆变器来实现电能转换。这种拓扑结构被称作“中央逆变器”，如图5(a)所示;它的主要特点是：

l 10到250kw，3相，数个并联串

l 转换器效率高，成本低，可靠性低

l 非最佳MPPT

l 通常用于发电厂

图 5 中央与串型拓扑

另一种应用是在所有串分支把PV板串联以实现能量转换。使用一个MPPT模块，用于获得PV板的最大电能。这种拓扑被称作“串型逆变器”，如图5(b)所示;它的主要特点是：

l 1到10kw，典型的住宅型应用。

l 每个串分支都有其自己的逆变器，用于实现更佳的MPPT。

l 各串可以有不同的方向。

l 三相逆变器，用于5km以上输出功率。

尽管这种串型逆变器可以获得更的电能收集效率，但是当一个串联PV板被阴影遮挡时，该串分支的电能收集也随之下降，如图6(a)所示。如果放置一个MPPT模块来收集所有PV板的电能，则可解决这个问题。这种拓扑被称作“微型逆变器”，如图7所示。

图 6 阴影对电能收集的影响情况

图 7 微型逆变器拓扑

很明显，就微型逆变器而言，“分布式MPPT”架构增加了每PV板成本;但是，通过回收下列效率损失可将效率提高5%到25%：

l PV板错配损耗(3%到5%)

l 部分阴影损耗(5%到25%)

l 简单的系统设计，更宽松的故障容限(0%到15%)

l 次优MPPT损耗(3%到10%)

l 另外，增加安全性和建筑面积(屋顶)利用

因此，如果我们选择微型逆变器拓扑，则会牺牲转换器效率，但是会让电能收集变得更高效。

2 硬件设计

2.1 系统结构图

在我们的太阳能逆变器解决方案中，我们选择交叉反激加SCR全桥的拓扑，用于工业频率逆变。所有控制仅为一个MCU(2802x)，另外还有一个RS485或者PLC接口，用于通信。图8显示了这种微型太阳能逆变器的结构图。具体规范，请参见《附件A》。

这种拓扑具有如下特点：

l 简单的系统结构

l 高效率，低成本

l 完全隔离，高可靠性

l 无法实现反应式功率补偿

图 8 微型太阳能逆变器系统结构图

2.2 辅助电源设计

在微型太阳能逆变器中，我们需要可以向A/D采样电路、驱动电路、MCU控制器等输出多电压的辅助电源。另一方面，这种辅助电源必须完全隔离于一次侧到二次侧。

因此，我们选择LM34927芯片;这种芯片具有如下特点：

l 9到100V的宽输入范围

l 低成本，集成100V、高低侧开关

l 恒定导通时间(COT)控制方案无需环路补偿，并具有优异的瞬态响应。

l 充分保护功能，包括可调节UVLO。

图9显示了LM34927的典型应用原理图。从该原理图，我们知道，LM34927的一次侧为一个降压电路，而二次侧为一个反激拓扑，用于实现隔离。

图9 LM34927典型应用原理图

2.3 作为隔离式前端转换器设计的有源钳位反激

2.3.1 有源钳位反激式转换器概述

图10显示了基础反激拓扑内有源钳位电路的组合情况。图中，反激式变压器被一个等效电路模型代替，其表现出磁化和漏电感(Lr表示除外部电感外一次侧反映的总变压器漏电感)。

开关Q1和Q2与其相关体二极管一起出现。Cr表示两个开关的寄生电容的并联电容。与Lr谐振的这种器件电容，实现了Q1的零电压开关(ZVS)。

利用有源钳位电路，晶体管关闭电压尖峰受到控制，变压器漏电得到回收，并且主开关(Q1)和辅助开关(Q2)的ZVS都成为可能。

这些优点的代价是，需要更多的功率级组件以及更高的控制电路复杂度(两个开关对一个开关)。

为了描述这种电路的工作情况，我们假设：

l 理想开关组件

l 磁化电流始终为非零且为正。

l Lr(包括变压器漏电感)小于变压器磁化电感Lm(通常为Lm的5%到10%)

l Lr中存储充足的电能，以完全对Cr放电，并开启Q1的体二极管。

图 10 有源钳位反激转换器的简化原理图

2.3.2 有源钳位反激设计零电压开关考虑

为了实现Q1的ZVS，Q2必须在谐振电感电流下降区间开启。否则，谐振电感电流反向(再次变为正)，其对Cr再充电，并且失去ZVS(或者至少部分失去)。因此，Q2关闭和Q1开启之间的延迟时间对ZVS运行至关重要。最佳延迟值为Lr和Cr组成谐振时间的四分之一：

所以，最好是让停滞时间位于Q1关闭和Q2打开之间，小于Tdelay，以实现部分ZVS状态。

即使Lr中存储能量不足以完全对开关电容Cr完全放电，从而最小化Q1和Q2的潜在电压应力(并获得更高的转换器效率)，我们必须小心地设计谐振电感Lr、谐振电容Cr和钳位电容Cc的参数。

2.3.2.1 谐振电感Lr设计

在确定Lm值以后，可对谐振电感进行设计。如前所述，我们假设其值为Lm的一小部分(通常为Lm的5%到10%)。

给定转换器工作点和Cr值时，要实现ZVS，Lr的大小必须足以完全对开关电容放电。

Lr设计很难，因为谐振电容电压(Vcr)为Lr值的函数，如下面方程式：

但是，在实际设计中，谐振电感电压相对较小(相对于Vin NVo)，并且可求解实现ZVS状态必需的Lr近似最小值：

在要求高输出电压的这种应用中，专门的输出整流器软开关特性比实现主开关ZVS要更为理想。

2.3.2.2 钳位电容器Cc设计

根据Lr设计，选择钳位电容的值。钳位电容器和谐振电感形成的谐振频率足够低，这样，当开关关闭时，电源开关便不会出现过多的谐振振铃。但是，使用过大的钳位电容值，并不会带来钳位性能的改善，并且代价是更大容量(同时也更加昂贵)的电容器。一种较好的折中方法是，选择一个电容器值，使钳位电容器和谐振电感形成的谐振时间的一半，超出Q1的最大关闭时间。因此：

其中，DHL表示最大输入电压工作，fs为Q1和Q2的工作开关频率。

电容器额定电压必须超出NVo，并且超出量为Lr的压降：

钳位电容器和谐振电感的谐振时间可通过下列方程式计算得到：

2.3.3 有源钳位反激的开环仿真

图11为这种有源钳位反激的开环仿真模型。下列值用于该仿真：输入电压Vin=36V，主MOSFET开关频率fs=65kHz，谐振电感Lr=0.5µH，谐振电容Cr=1nF，钳位电容Cc=10µF，主开关MOSFET的最大占空因数D=0.6，而负载Rload=100 Ω。