基于高频变压器的逆变器架构的设计

分立式逆变器挑战

分立式逆变器使用的直流电来自电池中的太阳能模块或其他电源，它会根据需要将直流电转换为交流电。在用户对电源的要求不断变化的应用中，设计人员必须能够按相并联额外的逆变器，或者必须使产品适用于三相工作环境。此外，他们还需有效切实地提供此类电源。这就要求逆变器采用灵活的设计，能够轻松适应未来的任何需求。

另外，鉴于应用领域的性质，这些逆变器必须小巧且便于携带。例如，像偏远露营地、船上，以及需要紧急备用电源而通常又没有电网供电的场所，这些情况下就需要使用电源。同时这些类型的逆变器必须简单易用且能够进行现场维修。

解决方案

客户的逆变器仅重8千克，可接受24V或48V的标称电池电压，能够提供2200 VA的标称输出，效率最高达93%。这些分立式逆变器将充电技术和逆变器融为一体。为了实现小巧的外形且方便携带，客户采用了基于高频变压器的逆变器架构，该架构由输入高频功率级、高频变压器、中间直流链路以及输出功率级组成。这样一来，分立式逆变器只需依托于小型高频变压器，而不必像其他同类设计中那样采用庞大的低频重型变压器。

通过运用此高频概念，连接到逆变器的负载几乎直接与输出级相连，从而消除了采用低频变压器设计时通常面临的衰减问题。也就是说，可以通过输出功率级来调节负载端的所有波动。该设计过程中面临的一个主要挑战是，需要高效实施此架构并输出一个符合频率、电压和谐波失真规范的高质量正弦波。

另外，对于如何在交流端并联及切换分立式逆变器，客户也面临多项挑战。原因在于分立式逆变器起到电压源的作用，它会产生特有的稳定输出电压并根据连接的负载调节电流。因此，连接两个或更多个电压源而它们又互不同步时，将造成负载不对称且电流在电压源之间流动而不会流入负载。这会导致功率损耗并产生无功功率。更让人担心的是，这种电流还可能损坏电源。

如果两个电压源之间存在微小相移，也可能出现这种不对称的情况，从而导致两个电压源之间出现电压差并致使电压源在交流端直接相连。这是因为电阻非常低，导致逆变器之间产生非常大的电流。为了解决这个问题，客户采用了非常快速且精确的控制与通信算法。

鉴于多个分立式逆变器并联运行这一工作需求，客户必须提出一套模块化设计概念。备用逆变器的工作方式与标准逆变器（（DC -AC）相似，它采用与发电机相同的电源电子电路通过交流电源（AC -DC）对电池进行充电。目前，市场上没有任何一款逆变器能够支持此功能并依托于高频变压器架构。为了实现这些目标，必须开发出全新的接口和控制策略。图1中的框图最贴切地描述了这一概念。客户构想的逆变器系统包含四个不同的功能模块，由三个不同的信号控制器控制：

1. DC-DC

2. DC-AC

3. 显示和用户界面

经过对市场上提供的多种数字信号控制器（Digital Signal Controller，DSC）进行研究之后，客户选用了Microchip Technology的dsPIC（r） DSC。该dsPIC DSC配有电源友好型外设，例如基于计数器的脉宽调制（Pulse-Width-Modulation，PWM）模块、基于模拟比较器的反馈和协调模数转换器（Analog-to-Digital Converter，ADC）采样；此外还能在单个时钟周期内实现快速乘法。这些功能的组合使得dsPIC30F DSC可应对客户逆变器所需的各种控制环算法的高执行速率。

另外，这些高度集成的DSC消除了对许多外部元件的需求，例如复位控制器、存储芯片、ADC和控制器局域网（Controller Area Network，CAN）控制器。通过提供最高可达30 MIPS的执行速率，dsPIC30F DSC可确保提升逆变器系统的效率和可靠性。DSC的另外一个优势是支持各种工作电压（2.5V-5.5V），可确保后续顺利升级。

DSC还具有各种容量的闪存和RAM并配备多种连接选项，这也有助于实现灵活的模块化逆变器设计。例如，在直流到直流功率级功能模块中，dsPIC30F5015 DSC控制电池输入与高频变压器之间的高频级。客户还使用此器件精确测量电池的电压和电流。直流到交流功率级模块上采用了dsPIC30F6010A，用于使电源电子电路通过比例积分（Proportional Integral，PI）控制环（专利申请中）。

dsPIC30F6010A通过CAN总线与用于逆变器前面板和显示控制的dsPIC30F5011相连。它还会根据用户的指令调整逆变器的功能模式。客户专门选用了dsPIC30F5011来执行此任务，因为它配有66 KB的闪存和一个CAN接口。另外，dsPIC30F5011的片上闪存可帮助存储逆变器多语言用户界面的所有图形图标。借助前面板上的导航键，用户可以轻松浏览各种工作模式和菜单。

这些逆变器高度稳定，响应速度快且基于高频变压器技术和模块化设计。用户还可以并联这些逆变器--在三相工作环境中，每相最多可以并联5个逆变器，即系统中总共可配备15个逆变器。

通过选用Microchip的dsPIC30F DSC，客户得以设计出一款紧凑型多功能逆变器，无需连接到公共电网即可自主供电。

图1：分立式逆变器功能框图