互動式逆變器電路設(shè)計研究

關(guān)鍵詞：互動式逆變器；市電；切換；電容倍壓

逆變器（Inverter）是把直流電轉(zhuǎn)變成交流電（一般為市電電壓，波形為正弦或方波）的裝置，所用的直流電源是蓄電池。光伏逆變器則使用太陽能光伏電池板和蓄電池的組合作為輸入。從輸入端看，逆變器或光伏逆變器分為兩類。一類不需要依賴市電，將蓄電池的電能逆變成市電，向用電設(shè)備（負載）供電。這類逆變器的蓄電池必須通過其他充電設(shè)備或通過光伏電池板進行充電。另一類是互動式逆變器，帶有市電輸入。當市電電壓正常時，將市電直接旁路或做必要的穩(wěn)壓處理后向負載供電。當市電停電或者電壓超出正常范圍時，切換到逆變回路給負載供電。這類逆變器通過自帶的充電電路或通過逆變電路反向工作[1]，對電池進行充電。互動式逆變器進行市電與逆變回路切換時，必須解決兩方面問題：一是偵測市電是否存在以及電壓是否正常，對于并網(wǎng)型逆變器還要偵測市電的相位和頻率；二是切換時間不能超過應用場合的要求（通常在10ms以內(nèi)），越短越好。

在開關(guān)電源領(lǐng)域，對市電進行采樣偵測的技術(shù)，通常有以下方式。（1）用電阻、電容器或變壓器對220V交流電壓進行降壓，再進行整流、濾波變?yōu)橹绷鞯蛪�，然后通過光耦進行隔離，將采樣信號送給CPU；（2）通過電阻分壓、運放等構(gòu)成精密檢波電路進行幅值檢測，構(gòu)成電壓比較器（施密特觸發(fā)器）進行頻率、相位檢測，結(jié)果再送到CPU處理；（3）采用運放構(gòu)成差分放大電路，將220V交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪簃形（饅頭波）信號，再送到CPUA/D端口進行幅值檢測，同時利用三極管對運放輸出的信號進行整形，檢測相位和頻率。圖1是某型號UPS的市電電壓檢測電路[2]。采用以上方式的市電偵測電路，所需元件多、電路復雜、成本較高，且要占用CPU或單片機資源。針對中低端互動式逆變器，市場需求更加注重成本和可靠性。本文設(shè)計了一種簡單實用且安全可靠的市電電壓偵測電路，同時利用新穎的方法縮短切換，有利于降低產(chǎn)品成本，增加可靠性和穩(wěn)定性，改善性能（縮短切換時間）。

一種互動式逆變器用市電切換電路，如圖2所示。圖2中，IP/L和IP/N分別為輸入市電的火線和零線，OP/L和OP/N分別為逆變輸出的火線和零線，OUT/L和OUT/N分別為逆變器最終輸出到負載的火線和零線。輸入的市電電壓經(jīng)過電阻R1～R4降壓，再經(jīng)過D1～D4整流以及C1、C2濾波后，在D5負極得到一定幅值的直流電壓Va。逆變器要實現(xiàn)的功能，舉例描述如下：當市電電壓在210～230V時，逆變器切換到市電給負載供電；當市電跌至200V時，為保證負載正常工作，逆變器切換到逆變回路對負載供電；當市電升至240V時，為保護負載不因高壓損毀，逆變器也切換到逆變回路對負載供電。實際應用中，這些電壓閾值可根據(jù)實際情況進行調(diào)整。當市電電壓在210～230V時，U1A同相端（腳3）的電壓應高于反相端電壓（5V），U1A輸出5V的高電平。同時，U1B反相端（腳6）的電壓應低于同相端電壓（5V），因而U1B輸出5V的高電平，即I/P-RLY為高電平，三極管Q2導通，繼電器RY1的線圈通電，將市電IP/L和IP/N直接旁路輸出到OUT/L和OUT/N。當輸入的市電低至200V時，此時U1A同相端（腳3）的電壓應低于反相端電壓（5V），U1A輸出低電平。因為U1A的輸出連接到U1B同相端，直接將U1B同相端電平拉到0V左右。這時U1B反相端（腳6）的電壓必然高于同相端電壓（0V），因而U1B輸出（即I/P-RLY）為低電平，三極管Q2關(guān)斷，繼電器RY1的線圈失電，逆變器的輸出切換到逆變回路，保證輸出電壓為220V，從而確保負載正常工作。當輸入的市電高達240V時，此時U1A同相端（腳3）的電壓應高于反相端電壓（5V），U1A輸出高電平，U1B反相端（腳6）的電壓應高于U1B同相端電壓（5V），U1B輸出（即I/P-RLY）為低電平，三極管Q2關(guān)斷，繼電器RY1的線圈失電，逆變器的輸出切換到逆變回路，從而使負載免于市電過高電壓的影響而損毀，確保其正常工作。圖2中，當市電停電或斷電時，U1A輸出低電平，U1B同相端也是低電平（零點幾伏），但反向端為0V，U1B將輸出高電平（5V），從而引起控制功能失效。為此，增加R10和D6，確保U1B輸出低電平，防止繼電器誤動作。為了實現(xiàn)上述功能，必須仔細設(shè)計降壓電阻R1～R4以及分壓電阻R6和R8的阻值。兼顧降壓電阻的功耗與系統(tǒng)工作可靠性，取R1～R4均為100kΩ。對應各輸入市電電壓，通過仿真可知Va的值如表1所示。設(shè)電阻R8=x，電阻R6=y，電壓低端切換的回差電壓為200～210V，則x需滿足：從而解得43.75＜x＜45.96，取x=45kΩ。電壓高端切換的回差電壓為230～240V，則y需滿足：從而解得37.92＜y＜39.91，取y=39kΩ。電容倍壓原理很早就用于倍壓整流[3]。實際上，利用電容的電荷泵原理，可以實現(xiàn)很多工程上的應用。圖2中，Q1、D7、C3、R15構(gòu)成繼電器切換加速電路，利用電荷泵原理說明如下：當Q2關(guān)斷時（逆變器輸出為逆變模式），C3通過D7和R15充電，兩端電壓接近12V；當Q2導通的瞬間，Q1也導通，此時12V電源通過Q1接到C3的負極，電源電壓疊加電容兩端的電壓一并加到繼電器線圈形成倍壓效果，加速繼電器吸合，從而加快從逆變模式向市電的轉(zhuǎn)換。

雖說逆變器或光伏逆變器采用MCU或單片機控制已成常態(tài)，但在中低端市場中由于價格制約，低成本成為產(chǎn)品競爭力的重要保證。本文論述的電路不必占用MCU或單片機資源，用普通元器件巧妙組合，構(gòu)建了一種簡單實用且安全可靠的市電偵測電路，實現(xiàn)了市電與逆變的正常切換，同時利用電容倍壓原理加快繼電器工作，縮短切換時間。由于兩路分壓電阻（R7和R8、R5和R6）的阻值都在數(shù)十兆歐姆以上，消耗電流甚小，因此可以利用電阻（R1～R4）對市電進行降壓，再整流濾波。這樣比較器輸入端周邊的電壓大幅下降，有利于安規(guī)設(shè)計，避免因電氣間距或爬電距離不足引起的安全問題。