48V5KW单相光伏并网逆变器的硬件设计

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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。