隨著工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)電能質(zhì)量的要求將越來越高,，包括市電電網(wǎng)在內(nèi)的原始電能的質(zhì)量可能滿足不了設(shè)備要求,，必須經(jīng)過電力電子裝置變換后才能使用，而DC／AC逆變技術(shù)在這種變換中將起到重要的作用,。根據(jù)市場(chǎng)趨勢(shì),，逆變器的選型安裝越來越傾向于小型化、智能化,、模塊化等方向發(fā)展,，其控制電路主要采用數(shù)字控制，系統(tǒng)的安全性,，可靠性以及擴(kuò)展性,，同時(shí)將各個(gè)完善的保護(hù)電路考慮其中。因此,，這里提出一種基于IR2101的最大功率跟蹤逆變器設(shè)計(jì)方案,。
1 IR2101簡(jiǎn)介
IR2101是雙通道、柵極驅(qū)動(dòng),、高壓高速功率驅(qū)動(dòng)器,，該器件采用了高度集成的電平轉(zhuǎn)換技術(shù)，大大簡(jiǎn)化了邏輯電路對(duì)功率器件的控制要求,，同時(shí)提高了驅(qū)動(dòng)電路的可靠性,。同時(shí)上管采用外部自舉電容上電，使驅(qū)動(dòng)電源數(shù)目較其他IC驅(qū)動(dòng)大大減少,，在工程上減少了控制變壓器體積和電源數(shù)目,，降低了產(chǎn)品成本，提高了系統(tǒng)可靠性,。
IR2101采用HVIC和閂鎖抗干擾制造工藝,，集成DIP、SOIC封裝,。其主要特性包括：懸浮通道電源采用自舉電路,；功率器件柵極驅(qū)動(dòng)電壓范圍10～20 V；邏輯電源范圍5～20 V,，而且邏輯電源地和功率地之間允許+5 V的偏移量,；帶有下拉電阻的CNOS施密特輸入端，方便與LSTTL和CMOS電平匹配,；獨(dú)立的低端和高端輸入通道,。IR2101的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
圖1 IR2101的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖
圖1中，HIN為邏輯輸入高,；LIN為邏輯輸入低,；VB為高端浮動(dòng)供應(yīng)；HO為高邊柵極驅(qū)動(dòng)器輸出,；Vs為高端浮動(dòng)供應(yīng)返回,；Voc為電源；LO為低邊柵極驅(qū)動(dòng)器輸出,；COM為公共端,。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能需求，其硬件組成框圖如圖2所示,。該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)是由SPMC75F2413A單片機(jī)主控制器模塊,、外部供能系統(tǒng)(普通或光伏)、斬波電路模塊,、IR2101逆變電路模塊和最大功率跟蹤外部電路模塊組成,。通過最大功率跟蹤外部電路模塊檢測(cè)外部電壓，將檢測(cè)值返回到SPMC75F2413A主控制器中,。斬波電路模塊通過主控制器對(duì)其控制,，實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。外部供能系統(tǒng)是為各個(gè)模塊提供電源,。IR2101逆變電路模塊主要實(shí)現(xiàn)DC／AC的轉(zhuǎn)換,，并由斬波電路為其提供最大功率點(diǎn)的電能。
圖2 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)框圖
圖2中的SPMC75F2413A單片機(jī)正常工作電壓為5 V,。但是其他模塊所加的電壓不同,，斬波電路模塊與IR2101逆變電路模塊所加的電壓為15 V。因?yàn)镮R2101的正常工作電壓為10～20V,。
2．1 IR2101逆變電路
IR2101逆變電路原理圖如圖3所示，H1,、H2為IR2101集成驅(qū)動(dòng)芯片,，VQ1、VQ2,、VQ3,、VQ4為MOS管，Up,、Un,、Vp、Vn是SPMC75F2413A單片機(jī)中輸出的兩相四路PWM波,。其中Up,、Un是一相PWM波的上下臂，Vp、Vn為另一相PWM波的上下臂,，由于單片機(jī)中輸出的PWM波不能驅(qū)動(dòng)大功率MOS管,，因此利用IR2101的電容自舉功能，通過二極管VD1,、VD2(采用肖特基管所具有的快恢復(fù)功能,，提升電容充電電壓，關(guān)斷過程減少消耗能量)對(duì)自舉電容C1,、C2進(jìn)行充電,，以此提升驅(qū)動(dòng)MOS管的信號(hào)電壓，使其具有擴(kuò)大信號(hào)輸出的功能,，擴(kuò)大后的信號(hào)PWM波就能有序地控制VQ-1,、VQ2、VQ3,、VQ4的通斷,，在逆變電路中同一相的上下臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是互補(bǔ)。
圖3 IR2101逆變電路原理圖
當(dāng)Up輸入高時(shí),，HO輸出也為高,，通過IR2101的電容自舉功能，就能控制VQ1導(dǎo)通,，此時(shí)由于LO輸出為低,，不能驅(qū)動(dòng)VQ2，因此VQ2處于關(guān)斷狀態(tài),，同時(shí)Vp也輸入一個(gè)高電平,，即HO為高，使VQ4處于導(dǎo)通狀態(tài),，而此時(shí)VQ3處于關(guān)斷狀態(tài),，因此T1→VQ1→R5(負(fù)載)→VQ4→GND形成一個(gè)通路。反之,，當(dāng)Up,、Vp為低電平，Un,、Vn為高電平時(shí),，即電流的主要流向?yàn)門1→VQ3→R5(負(fù)載)→VQ2→GND，4個(gè)MOS管開關(guān)器件有序地交替通斷,，進(jìn)而在R5(負(fù)載)處形成了交流電,。在實(shí)際應(yīng)用中為了防止上下臂同時(shí)導(dǎo)通而造成短路，在軟件設(shè)計(jì)的過程中,，添加了死區(qū)時(shí)間,，來保護(hù)整個(gè)電路,。
2．2 斬波電路
斬波電路原理圖如圖4所示，該電路主要用于進(jìn)行最大功率跟蹤,，其電源為獨(dú)立電壓源,，R6(30 Ω／30 W)為功率電阻，其主要作為電源內(nèi)阻,，R7,、R8是為了檢測(cè)負(fù)載端的電壓值而形成的分壓電路，通過Ud1進(jìn)行檢測(cè),，將檢測(cè)結(jié)果返回到單片機(jī)中進(jìn)行處理,，通過調(diào)節(jié)PWM波的占空比，進(jìn)而控制VQ5開啟與關(guān)斷的時(shí)間,。當(dāng)檢測(cè)到Ud1X(R7+R8)／R8的值大于一半時(shí),，單片機(jī)就會(huì)將斬波電路的占空比調(diào)大，讓其通過的電壓增大,，進(jìn)而使其值接近光伏電池的一半,，如果檢測(cè)到其值小于一半的時(shí)候，會(huì)將占空比調(diào)小,，讓其通過的電壓變小,，這樣通過跟蹤電壓來實(shí)現(xiàn)頻率的跟蹤功能。
圖4 斬波電路原理圖
2．3 最大功率跟蹤模型分析
本設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)最大功率的跟蹤模型,，如圖5所示電路,，使得內(nèi)阻R8和外阻Rb相等，Ud的電壓為電池電源的一半就可以得到電池輸出功率最大了,，這種情況應(yīng)用于線性電路中,，但是在非線性電路中也可以利用這個(gè)原理，本項(xiàng)目通過電壓跟蹤的功能,，實(shí)現(xiàn)最大功率的跟蹤,，主要通過調(diào)節(jié)PWM波的占空比大小實(shí)現(xiàn)本功能。
圖5 最大功率的跟蹤模型
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
A／D采樣函數(shù)流程圖如圖6所示,，此函數(shù)主要是用于采集負(fù)載端的的電壓值,，最后轉(zhuǎn)換為幅度調(diào)制系數(shù)。本此函數(shù)中使用了CMT0定時(shí)器中斷,，在此中斷中進(jìn)行了A／D采樣，將采集的電壓值與換算后的電源電壓中點(diǎn)值Vmid(見圖4,，即利用R7,、R8組成分壓電路，R7：R8=9：1),，進(jìn)行比較,，當(dāng)差值的絕對(duì)值大于100的時(shí)候,，判斷為采集值出現(xiàn)異常，強(qiáng)制將電源電壓轉(zhuǎn)換后的中點(diǎn)值轉(zhuǎn)換為幅度調(diào)制系數(shù),，當(dāng)二者之間的差值的絕對(duì)值小于100時(shí),，將差值加到Vmid上，然后再轉(zhuǎn)換為幅度調(diào)制系數(shù),，最后返回中斷,。
圖6 A／D采樣函數(shù)流程圖
在本函數(shù)中斬波電路的PWM中斷使用了TPM2中斷，在此中斷中使用了幅度調(diào)制系數(shù)去調(diào)節(jié)斬波電路的PWM波的占空比,，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電壓的跟蹤功能,，最終是實(shí)現(xiàn)最大功率的跟蹤。斬波電路PWM中斷子函數(shù)流程圖如圖7所示,。
圖7 斬波電路PWM中斷子函數(shù)流程圖
4 最大功率測(cè)試結(jié)果
對(duì)斬波電路后的J2點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試的,，將J2點(diǎn)處接1個(gè)30 W／30 Ω的功率電阻作為負(fù)載，測(cè)試出表1中的各項(xiàng)數(shù)據(jù),。
表1 測(cè)試結(jié)果
5 結(jié)束語
本設(shè)計(jì)方案采用具有出色性能的定時(shí)器PWM信號(hào)發(fā)生器組的16位結(jié)構(gòu)的微處理器SPMC75F2413A單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì),，主要利用了此單片機(jī)的PWM信號(hào)發(fā)生器組產(chǎn)生控制逆變電路和斬波電路的PWM波，還利用了IR2101的自舉功能,，對(duì)功率MOS管進(jìn)行有序驅(qū)動(dòng),，實(shí)現(xiàn)逆變，控制斬波電路的PWM波占空比,，實(shí)現(xiàn)了最大功率的跟蹤逆變器的設(shè)計(jì),。通過驗(yàn)證，輸出的正弦交流信號(hào)十分明顯,，并具有最大功率的跟蹤功能,。