最大功率跟踪逆变器的设计与实现
为解决直流逆变交流的问题，有效地利用能源，让电源输出最大功率，设计了高性能的基于ir2101最大功率跟踪逆变器，并以spmc75f2413a单片机作为主控制器。高电压、高速功率的mosfet或igbt驱动器ir2101采用高度集成的电平转换技术，同时上管采用外部自举电容上电，能够稳定高效地驱动mos管。该逆变器可以实现dc/ac的转换，最大功率点的跟踪等功能。实际测试结果表明，该逆变器系统具有跟踪能力强，稳定性高，反应灵敏等特点，该逆变器不仅可应用于普通的电源逆变系统，而且可应用于光伏并网发电的逆变系统，具有广泛的市场前景。
随着工业和科学技术的不断发展，对电能质量的要求将越来越高，包括市电电网在内的原始电能的质量可能满足不了设备要求，必须经过电力电子装置变换后才能使用，而dc／ac逆变技术在这种变换中将起到重要的作用。根据市场趋势，逆变器的选型安装越来越倾向于小型化、智能化、模块化等方向发展，其控制电路主要采用数字控制，系统的安全性，可靠性以及扩展性，同时将各个完善的保护电路考虑其中。因此，这里提出一种基于ir2101的最大功率跟踪逆变器设计方案。
1 ir2101简介
ir2101是双通道、栅极驱动、高压高速功率驱动器，该器件采用了高度集成的电平转换技术，大大简化了逻辑电路对功率器件的控制要求，同时提高了驱动电路的可靠性。同时上管采用外部自举电容上电，使驱动电源数目较其他ic驱动大大减少，在工程上减少了控制变压器体积和电源数目，降低了产品成本，提高了系统可靠性。
ir2101采用hvic和闩锁抗干扰制造工艺，集成dip、soic封装。其主要特性包括：悬浮通道电源采用自举电路；功率器件栅极驱动电压范围10～20 v；逻辑电源范围5～20 v，而且逻辑电源地和功率地之间允许+5 v的偏移量；带有下拉电阻的cnos施密特输入端，方便与lsttl和cmos电平匹配；独立的低端和高端输入通道。ir2101的内部结构框图如图1所示。
图1 ir2101的内部结构框图
图1中，hin为逻辑输入高；lin为逻辑输入低；vb为高端浮动供应；ho为高边栅极驱动器输出；vs为高端浮动供应返回；voc为电源；lo为低边栅极驱动器输出；com为公共端。
2 系统硬件设计
根据系统设计功能需求，其硬件组成框图如图2所示。该系统硬件设计是由spmc75f2413a单片机主控制器模块、外部供能系统(普通或光伏)、斩波电路模块、ir2101逆变电路模块和最大功率跟踪外部电路模块组成。通过最大功率跟踪外部电路模块检测外部电压，将检测值返回到spmc75f2413a主控制器中。斩波电路模块通过主控制器对其控制，实现最大功率跟踪。外部供能系统是为各个模块提供电源。ir2101逆变电路模块主要实现dc／ac的转换，并由斩波电路为其提供最大功率点的电能。
图2 系统硬件总体设计框图
图2中的spmc75f2413a单片机正常工作电压为5 v。但是其他模块所加的电压不同，斩波电路模块与ir2101逆变电路模块所加的电压为15 v。因为ir2101的正常工作电压为10～20v。
2．1 ir2101逆变电路
ir2101逆变电路原理图如图3所示，h1、h2为ir2101集成驱动芯片，vq1、vq2、vq3、vq4为mos管，up、un、vp、vn是spmc75f2413a单片机中输出的两相四路pwm波。其中up、un是一相pwm波的上下臂，vp、vn为另一相pwm波的上下臂，由于单片机中输出的pwm波不能驱动大功率mos管，因此利用ir2101的电容自举功能，通过二极管vd1、vd2(采用肖特基管所具有的快恢复功能，提升电容充电电压，关断过程减少消耗能量)对自举电容c1、c2进行充电，以此提升驱动mos管的信号电压，使其具有扩大信号输出的功能，扩大后的信号pwm波就能有序地控制vq-1、vq2、vq3、vq4的通断，在逆变电路中同一相的上下臂的驱动信号是互补。
图3 ir2101逆变电路原理图
当up输入高时，ho输出也为高，通过ir2101的电容自举功能，就能控制vq1导通，此时由于lo输出为低，不能驱动vq2，因此vq2处于关断状态，同时vp也输入一个高电平，即ho为高，使vq4处于导通状态，而此时vq3处于关断状态，因此t1→vq1→r5(负载)→vq4→gnd形成一个通路。反之，当up、vp为低电平，un、vn为高电平时，即电流的主要流向为t1→vq3→r5(负载)→vq2→gnd，4个mos管开关器件有序地交替通断，进而在r5(负载)处形成了交流电。在实际应用中为了防止上下臂同时导通而造成短路，在软件设计的过程中，添加了死区时间，来保护整个电路。
2．2 斩波电路
斩波电路原理图如图4所示，该电路主要用于进行最大功率跟踪，其电源为独立电压源，r6(30 ω／30 w)为功率电阻，其主要作为电源内阻，r7、r8是为了检测负载端的电压值而形成的分压电路，通过ud1进行检测，将检测结果返回到单片机中进行处理，通过调节pwm波的占空比，进而控制vq5开启与关断的时间。当检测到ud1x(r7+r8)／r8的值大于一半时，单片机就会将斩波电路的占空比调大，让其通过的电压增大，进而使其值接近光伏电池的一半，如果检测到其值小于一半的时候，会将占空比调小，让其通过的电压变小，这样通过跟踪电压来实现频率的跟踪功能。
图4 斩波电路原理图
2．3 最大功率跟踪模型分析
本设计为了实现最大功率的跟踪模型，如图5所示电路，使得内阻r8和外阻rb相等，ud的电压为电池电源的一半就可以得到电池输出功率最大了，这种情况应用于线性电路中，但是在非线性电路中也可以利用这个原理，本项目通过电压跟踪的功能，实现最大功率的跟踪，主要通过调节pwm波的占空比大小实现本功能。
图5 最大功率的跟踪模型
3 系统软件设计
a／d采样函数流程图如图6所示，此函数主要是用于采集负载端的的电压值，最后转换为幅度调制系数。本此函数中使用了cmt0定时器中断，在此中断中进行了a／d采样，将采集的电压值与换算后的电源电压中点值vmid(见图4，即利用r7、r8组成分压电路，r7：r8=9：1)，进行比较，当差值的绝对值大于100的时候，判断为采集值出现异常，强制将电源电压转换后的中点值转换为幅度调制系数，当二者之间的差值的绝对值小于100时，将差值加到vmid上，然后再转换为幅度调制系数，最后返回中断。
图6 a／d采样函数流程图
在本函数中斩波电路的pwm中断使用了tpm2中断，在此中断中使用了幅度调制系数去调节斩波电路的pwm波的占空比，进而实现电压的跟踪功能，最终是实现最大功率的跟踪。斩波电路pwm中断子函数流程图如图7所示。
图7 斩波电路pwm中断子函数流程图
4 最大功率测试结果
对斩波电路后的j2点进行测试的，将j2点处接1个30 w／30 ω的功率电阻作为负载，测试出表1中的各项数据。
表1 测试结果
5 结束语
本设计方案采用具有出色性能的定时器pwm信号发生器组的16位结构的微处理器spmc75f2413a单片机进行设计，主要利用了此单片机的pwm信号发生器组产生控制逆变电路和斩波电路的pwm波，还利用了ir2101的自举功能，对功率mos管进行有序驱动，实现逆变，控制斩波电路的pwm波占空比，实现了最大功率的跟踪逆变器的设计。通过验证，输出的正弦交流信号十分明显，并具有最大功率的跟踪功能。
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图1 ir2101的内部结构框图
图1中，hin为逻辑输入高；lin为逻辑输入低；vb为高端浮动供应；ho为高边栅极驱动器输出；vs为高端浮动供应返回；voc为电源；lo为低边栅极驱动器输出；com为公共端。
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图2 系统硬件总体设计框图
图2中的spmc75f2413a单片机正常工作电压为5 v。但是其他模块所加的电压不同，斩波电路模块与ir2101逆变电路模块所加的电压为15 v。因为ir2101的正常工作电压为10～20v。
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图3 ir2101逆变电路原理图
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图4 斩波电路原理图
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图5 最大功率的跟踪模型
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图6 a／d采样函数流程图
在本函数中斩波电路的pwm中断使用了tpm2中断，在此中断中使用了幅度调制系数去调节斩波电路的pwm波的占空比，进而实现电压的跟踪功能，最终是实现最大功率的跟踪。斩波电路pwm中断子函数流程图如图7所示。
图7 斩波电路pwm中断子函数流程图
4 最大功率测试结果
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