48V5KW单相光伏并网逆变器的硬件设计

原创 电力电子技术与新能源 2023-03-16 21:49

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本帖的重点是讲述48V5KW单相光伏并网逆变器的硬件设计,用来和大家分享一下,里面有很多有价值的电路,也有很多我没有明白的地方,欢迎大家来积极讨论!

        首先上总的原理图框架:从整个逆变器的原理框图来看,分为一下八个模块:

1.CPU模块,CPU里面除了dsPIC30F3011最下系统外,还包括风扇控制,继电器控制,还有485通讯部分;

2.功率mosfet模块,像驱动电路以及PWM故障检测都放在了功率mosfet里面;

3.电流采样及过流保护模块;

4.直流与输出电压采样模块;

5.电网电压及锁相模块;

6.备用AD模块;

7.驱动电源模块;

8.系统整体的辅助电源模块!

Layout好的PCB图:

       Layout注意爬电距离和电流密度即可,前者相应的增加各布线间的线间距离,如果遇见器件之间距离无法扩大,可在机械层开槽,嘉立创要求至少0.8mm;后者相应增加各走线的铜箔宽度。

Top Layer


Bottom layer

Bottom Solder

       由于48V5kW计算出的电流约是104A,整机输出功率最大时有104A的电流,3路mosfet并联,没路分得的电流34.6A,留点裕量,要过40A电流,所以要在底层阻焊层开窗。

       开窗:有助于增加铜皮的散热能力,能提高载流能力。

        当然这个PCB也有很多的不足的地方,一位前辈的评价:

1.板子不建议做双层板,成本节省不了多少;

2.Mosfet驱动电路离得太远,并且信号回路很差;

3.接地孔周围有走线,器件,不符合安规,过不了耐压测试,接earth网络的螺丝孔,其余所有信号及器件应避让6mm以上。


        我了解的光伏并网逆变器大概有这个几种结构:

        根据有无隔离变压器,分为隔离型和非隔离型,隔离型中根据变压器的频率又可以分为高频拓扑和低频拓扑,如下图所示:图(a)推挽+不控整流+全桥逆变;图(b)全桥逆变+工频升压变压器;图(c)boost+全桥逆变,还有在此基础上的,两路boost进行MPPT控制+H5/H6桥。哈哈纯属个人理解,如有不对,请指正!

       下图摘自——太阳能光伏并网发电及其逆变控制_张兴 

         这里介绍 的48V5KW单相光伏并网逆变器,采用的是有工频变压器隔离的低频拓扑。

1.CPU模块,CPU里面除了dsPIC30F3011最下系统外,还包括风扇控制,继电器控制,还有485通讯部分;


        系统主控芯片选用的是Microship公司的dsPIC30F3011,CPU部分就是晶振,时钟,复位等。

485通讯采用的是ADM2483芯片。

       交流继电器控制电路和风扇控制电路。CPU产生0或1电平控制继电器断开与吸合和风扇停止与转动。


2.功率mosfet模块,像驱动电路以及PWM故障检测都放在了功率mosfet里面;

       功率mosfet部分总图,里面包括主回路,光耦驱动,过流保护反馈,交流继电器,交流电流采集。


主回路

        主功率电路,包括拓扑结构和mosfet功率器件的选型。先将48V的直流电逆变成低压交流电,然后用升压工频变压器升压到市电220V。采样的是H桥,4路PWM脉冲,这里输入2路48V的直流电压,2路输入的负极接一起的,采用的是三个管子并联的形式。48V5kW计算出的电流约是104A,选择MOSFET型号为IRFP4668PbF,其额定电压为200V,电流为130A,封装为TO-247AC。

光耦驱动隔离模块,采用的是HCPL-3120,很常见的高速光耦!

       和过流保护线与的保护信号,就是防止上管和下管直通的电路,反正就是保护电路了,并联在mosfet的两端的,用来检测PWM是否出现故障。


        如果上管和下管直通,那么只看PWM那条线,稳压管就被导通,然后三极管导通,然后光耦导通,拉低FLTA。以PWM1H和PWML举例:
        假如现在上管开通,理论上下管不能开通的,如果下管要开,首先,US电压时VCC,当PWM1L为高电平时,稳压管DZ7的负端这一点电压就会成为20V,相对于B1-的20V,由于US电压为VCC=48V,所以D55截止,这时MMSZ5231BT1也就是5.1V的稳压管就被击穿导通,电流通路如下:光耦就被点亮,然后FLTA就被拉低,实现保护!

交流继电器

交流电流采集,采用的是互感器ZMCT118。



3.电流采样及过流保护模块;

        采样电路,分为电流采样及保护电路,直流电压及输出交流电压采样电路,电网电压采样及锁相电路。说到电压,电流的采样有很多方法:

        电压采样可以采用以下介绍的电阻分压的方法,用运放构成差分,按比例将大电压缩小,经过电压跟谁器,送进DSP的AD口;

        还有采用LEM霍尔电压传感器,价格高,但相对精确,霍尔输入要采集的电压信号,然后输出电流信号,用检流电阻转换为电压信号,再进过运放送入CPU的内部AD或者外部AD芯片,也有直接输出电压信号的霍尔传感器,比如QDSY霍尔传感器。

        电流采样可以用电流传感器,也可以采用电流互感器。

         采集的是输出交流电流和直流电流,霍尔传感器输出的电流信号经过运放处理电路送进DSP的AD,两路过流信号通过线与送进DSP的IO口。

         电流采样电路,直流电流采样使用的霍尔电流传感器,交流电流采样使用的是霍尔电流互感器,传感器需要正负15V的供电,互感器则不需要供电,传感器可以测直流电流和交流电流,互感器则只可以测量交流电流,但是它们输出的都是缩小的电流信号,通过电阻将电流信号转换为电压信号,区别就是交流信号需要经过电压抬升然后经过稳压管限幅钳位送进AD采样。

         所测直流电流约为104A,选用的霍尔电流传感器是200A的,所测交流电流选用的霍尔电流互感器是ZMCT118,南京择明电子的一款精密电流互感器,根据功率守恒,所测交流电流5kw/220V约为22.7A,再其官网可以找到4款后缀的电流互感器,只是它们所测量的范围不一样,综合考虑,选用的ZMCT118A,线性范围0~40A(采样电阻为 50Ω),变比是2000:1。


        这里选用ZMCT118A,进过检流电阻,两个100欧并联,也就是50欧,然后经过分压,运放跟谁,电压抬升,滤波,钳位送进AD。

运用multisim对其进行仿真,结果如下:



         这里选用200A直流电流检测的传感器输出的是电压信号,因为没有检流电阻,然后经过分压,运放跟谁,滤波,钳位送进AD。


        接下来就是过流保护电路了!过流保护一般是使用比较器,像LM339,将采集到的电压信号和电压阈值相比较,输出高低电平,然后送给DSP的IO口,当然也有专门的PWM故障口,比如dsPIC30F3011的非FLTA引脚。这里直接将运放当做比较器来使用。


整个的过流保护的图,分为直流电流采样和保护,交流电流采样和保护。

        先说直流电流保护吧,传感器输出的电压信号经过分压后送给运放的负,运放的正是+15V的电压经过20K和10K的电阻分压产生5V的电压,当正常工作时输出的高电平,当过流的时候输出的是低电平。



        交流过流保护是将电压信号放大2.5倍,然后通过二极管+运放半波整流,送进运放的负,运放的正是+15V的电压经过20K和15K的电阻分压产生5.625V的电压,当正常工作时输出的高电平,当过流的时候输出的是低电平。



        输出的两路过流信号,经过二极管的单相导通互不干扰,然后线与,正常工作时输出高电平,通过BZX84C5V1LT将运放输出的大约正负15V电压稳压在5.1V,防止烧坏DSP的IO口,当过流时,输出低电平,点亮发光二极管。



4.直流与输出电压采样模块;

         参照电网电压及锁相模块



5.电网电压及锁相模块;

        电网电压采样及锁相电路,逆变器要并网,首先的要满足与电网电压的频率和相位一致,所以得采集电网电压的频率和相位,当然也可以通过软件锁相环来实现,那就不需要硬件电路将正弦波转换为方波了!


        运用multisim对电网电压采样及锁相电路进行仿真。同理可以计算出直流电压和输出交流电压采样电路。欢迎大神指正。



         这个电路貌似有一个比较完整的名字叫做浮动式差分电路采样,我实际用过差分放大,这又要感谢光伏硬件这个大神的指导了,就是将霍尔传感器输出的2.5V+-0.625的直流偏置去掉,并且放大。
       因为AD采样只能采正电压,所以就经过差分缩小大约107倍,然后在对电压进行抬升2.5V,在经过电压跟谁器和二极管钳位限幅,输出0-5V范围内的正电压送给DSP的AD采样。
       电网电压锁相电路就是把差分缩小后的正弦波装换为方波送入DSP的CAP捕获,来计算电网电压的频率和相位。
       此电路属于高阻抗采样电路,是廉价的采样电路,将采样电路信号电路的信号地与被采样功率信号地进行高阻抗隔离。



6.备用AD模块;

         备用AD楼主没看懂,有两路RV1,RV2,这个是压敏电阻的电路符号来着,估计是用来做测试用的。




7.驱动电源模块;

        驱动电源部分,采用的是3525,一个常见的做开关电源的芯片,就是用变压器将反激辅助电源出来的20V驱动电源隔离一下,分别给光耦供电。




8.系统整体的辅助电源模块!

        系统电源部分,由UC3844做个一个反激辅助电源,这个电源有两路输入,一路是外接220V的交流电网电压,猜测是用来做测试用的,还有一路是从48V的输入那里接入。产生需要给DSP最小系统供电+5V,驱动供电+20V,运放霍尔供电±15V等。


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