感謝電源網(wǎng)的璐璐推送了【我的畢設作品】這個活動，感覺很有意義，已經(jīng)畢業(yè)幾年，當時的畢設內容和工作內容是一樣的，所以想簡單聊聊這幾年的理解。畢設集結了在大學時幾年的精華，單單上傳一篇畢設就結束感覺挺浪費的，主要還是探討下理論知識以及設計中的一些難點吧。其實回過頭想一下，當年寫的論文和做的東西還有很多缺陷的，甚至還有一些錯誤，如果能拿出來和同行從業(yè)者討論一下，也很是很有趣的。
【我的畢設作品】準單級交錯并聯(lián)反激光伏并網(wǎng)微型逆變器
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微逆的特點是一塊光伏板對應連接一塊微逆，商業(yè)化的單路微逆功率一般為250W~300W，這也是造成成本高的原因，個板子上至少300以上的元器件，能不貴么？但是這樣的好處是具有獨立的最大功率點跟蹤（MPPT），可以最大化的利用光伏板的電能。現(xiàn)在為了降低成本，一些微逆廠家已經(jīng)做出了4路獨立MPPT，功率在1200W的大個頭微逆了，功率等級快趕上小功率的組串逆變器了，其實質上是相當于將4個單板微逆集成到了一起，這樣可以連接4個光伏板。從單路到雙路，然后是4路，不知道以后會不會有6路、8路或者更多路輸入，逐漸組串化發(fā)展？！所以，簡單說下單路的微逆，也就能對雙路和四路有所了解了。
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1.
微逆為什么要用用反激拓撲？
微逆是一個電流源，控制并網(wǎng)電流向電網(wǎng)輸送電能，組串和集中式光伏逆變器是一個電壓源并網(wǎng)。反激式拓撲如下圖所示，主要包括輸入端的光伏電池板、反激變換器、全橋反轉電路、EMI濾波電路和電網(wǎng)組成：
微逆的主要控制算法就是在反激變換器（FLYBACK）這個環(huán)節(jié)實現(xiàn)，因此研究微逆的重點應該放在此處。
反激式微型逆變器拓撲電路中的反激式隔離變壓器為周期性工作模式，可根據(jù)變壓器磁通是否連續(xù)分為斷續(xù)導通模式（Discontinuous Current Mode，DCM）、連續(xù)導通模式（Continuous Current Mode，CCM）和臨界導通模式（Boundary Current Mode，BCM）三種模式。當反激變換器工作在DCM時，具有電流源特性，CCM時具有電壓源特性，BCM是介于DCM和CCM的一種特殊模式，工作在BCM時也具有電流源特性。因此作為電流源，反激拓撲的微逆會將反激變換器設定在DCM和BCM兩種工作模式下。
我們知道開關電源中，反激拓撲的電能轉換效率一般不高，而微逆想在市場上具有競爭力，就需要有高效的電能轉換效率，使用反激拓撲采用的控制策略是將該拓撲看成一個準單級，并且反激變換器的開關管使用ZVS，以降低開關損耗。微逆采用反激拓撲還有一個原因是需要小體積，且盡可能的降低硬件成本。
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2.
為什么用交錯并聯(lián)反激方式？
單端反激式變換電路的輸出端紋波電壓較大，因此限制了輸出功率，該拓撲結構多用于較小功率范圍的電路中。為提高反激變換電路輸出功率，改善電路的紋波現(xiàn)象，交錯并聯(lián)反激式變換電路應運而生。交錯并聯(lián)式拓撲結構是在單端反激式拓撲結構基礎上，將兩個單端反激電路并聯(lián)，該拓撲結構能減小輸入端開關器件的電流應力，輸出電流是兩個單端反激電路輸出電流的和，同時輸出端電壓保持不變，因此可以提高系統(tǒng)的輸出功率。反激式變換電路輸出的峰值功率等于并網(wǎng)逆變器輸出的峰值功率，采用交錯并聯(lián)方式時變壓器的峰值功率能成倍減小，從而減小變壓器的體積和磁芯損耗。另外，交錯并聯(lián)反激式拓撲結構還可降低系統(tǒng)輸出電流諧波、減小輸出端的濾波電路設計、減小系統(tǒng)裝置體積、降低硬件設計成本。
激變換器的特征是：當開關管導通時，反激變換器儲能；當開關管關斷時，反激變換器釋放電能。那么在同一個開關周期內，將兩個反激變換器交錯并聯(lián)：FLYBACK1導通時，F(xiàn)LYBACK2關斷；FLYBACK1關斷時，F(xiàn)LYBACK2導通；這樣在一個開關周期內，時時刻刻都有能量從原邊輸送到副邊，單端反激變換器一般功率在100W~150W，通過這種交錯并聯(lián)方式直接將輸出功率翻倍，因此大大的提高反激變換器的功率密度。
在反激變換器中加入了有源鉗位電路：有源鉗位電路的原理是利用變壓器的電感電流短時間內不能突變的特性，來抑制開關器件的電流上升率，再利用電容電壓短時間內不能突變的特性，來抑制開關器件的電壓上升率，鉗位電路可以抑制尖峰電壓和尖峰電流，減少開關器件損耗，提高系統(tǒng)轉換效率。
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微逆的控制的核心算法有哪些？
微逆的控制算法主要是三大塊：峰值功率控制、最大功率點跟蹤（MPPT）和鎖相環(huán)，三者緊密相連，共同組成了準單級反激式光伏并網(wǎng)微型逆變器。由于微逆需要處理的數(shù)據(jù)較多，因此需要選擇高性能的DSP，常見是常見選擇的是TI或者FREESCALE的32位DSP，有的直接選擇使用FPGA。
DSP/FPGA將硬件電路檢測到的電網(wǎng)電壓進行D/A轉換，使用軟件鎖相環(huán)實時運算，將檢測到電網(wǎng)的電角度θ、電網(wǎng)電壓和頻率，最關鍵的一環(huán)就是這個電網(wǎng)電角度θ，θ是用于計算反激變換器開關周期的關鍵參數(shù)。
因為反激變換器開關周期表達式TS是：
其中，Lp是反激變壓器原邊感量、Pop是輸出功率、D是占空比、UPV是光伏電池板輸出的電壓，以上這幾個量是常數(shù)或者可以使用硬件電路檢測得到。sinθG即是由電網(wǎng)電角度計算得到。
一個電網(wǎng)周期如下圖：
因此在一個電網(wǎng)周期內，不同時刻的電網(wǎng)電角度θ是不同的，那么反激變換器開關周期Ts也是跟隨者變化的，所以反激變換器輸出的電網(wǎng)半個周期的電流波形呈現(xiàn)為“饅頭波”，其包絡線就是正弦半波，如下圖：
簡單點說，就是半個電網(wǎng)的波形長什么樣子，由電網(wǎng)電角度反饋到反激變換器的開關周期形成的包絡線就長什么樣子。
主要控制波形如下圖所示：UGS1和UGS2是交錯并聯(lián)反激變換器的開關控制波形，UG3(UG5)和UG4(UG6)是全橋反轉電路控制波形，iD1和iD2是兩個反激變換器的整流二極管輸出的電流波形，uG是電網(wǎng)電壓，iG是并網(wǎng)電流
注：上圖借用于網(wǎng)絡，不是我自己畫的，我之前畫的比這個詳細的多，但是筆記本換硬盤了，一時之間沒有找到。
這個時候，全橋反轉電路就登場了，反激變換器經(jīng)過整流二極管輸出的是包絡線為正弦半波的饅頭波，此時通過一個工頻（50Hz/60Hz）控制，在兩個饅頭波的交接處（就是過零點的地方）進行反轉，即可將正弦半波反轉為標準的正弦交流，PWM也就是上圖中的UG3(UG5)和UG4(UG6)。
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最大功率點跟蹤：
最大功率點跟蹤的目的是：將光伏電池板上的電能，最大化的送給光伏逆變器。由于光伏電池板不是電流源也不是電壓源，表現(xiàn)光伏電池板主要特性是曲線如下圖：
決定光伏電池板輸出的電能大小的因素中，光照強度是影響最大的因素，因此光照好的時候自然發(fā)電也最多，其他影響光伏發(fā)電量的還有溫度、濕度和海拔等。但是，總會有陰天、多云或者其他天氣狀態(tài)存在，還有建筑物和樹木遮擋，鳥糞、污點和粉塵等，這時就需要使用到了MPPT。在任何時刻，有且僅有一個點使得光伏電池板輸出功率最大，即是PPV=UPV×IPV。
常見的MPPT算法有恒定電壓跟蹤法、電導增量法和擾動觀察法，還有像神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊控制和電流掃描法等。常見的，而且用于商用的MPPT是觀察法居多，或者在擾動觀察法進一步優(yōu)化的算法。
簡單點說，就是計算某時刻的PPV，然后和下一時刻的PPV做對比，看看這倆值的大小，然后左右移動，不挺的計算對比，一直移動到兩個差值非常接近的時候，就是最大功率點了。不過這種方式的弊端是，如果有兩個以上峰值時，可能會掉落在近似最大功率點上，而非真正的最大功率點。如下圖：
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@不可說
下圖是反激變換器初級電流仿真波形，從整體上看“饅頭波”的包絡線是一個正弦半波，也就是半個電網(wǎng)的周期。將其放大后可以看到是斜坡向上的梯形的電流波形。[圖片]與上圖對應的，下圖是反激變換器次級電流仿真波形。也即是在同一個開關周期內，初級存儲能量，次級釋放能量。[圖片]
并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓的仿真波形如下圖所示。
其中，紅色的波形為電網(wǎng)電壓，粉色的波形是逆變器輸出的并網(wǎng)電流。
并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓呈現(xiàn)的是同頻同相的狀態(tài)，這時需要注意，根據(jù)國家相關規(guī)定，并網(wǎng)的電流總諧波含量（THDi）應該小于等于5%才允許并網(wǎng)。
否則，諧波太大了會對電網(wǎng)造成污染，而且也會損壞用電器。
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系統(tǒng)總的設計框圖大體上是這樣的。
系統(tǒng)主控芯片為 Microchip 公司的 dsPIC33FJ16GS504 數(shù)字信號控制器（Digital Signal Controller，DSC）芯片，DSC 除了完成 PWM 控制信號和電壓電流檢測以外，還負責峰值功率控制、 MPPT 算法、數(shù)字鎖相環(huán)算法等其他功能。
微型逆變器主要包括輸入解端耦電容、有源鉗位交錯并聯(lián)反激變換電路、全橋電路、輸出濾波電路。外圍電路主要包括輔助電源、柵極驅動電路、隔離驅動、光伏電池板電壓檢測、反激電流檢測電路、電網(wǎng)電壓和電流檢測電路等。
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@不可說
系統(tǒng)總的設計框圖大體上是這樣的。系統(tǒng)主控芯片為Microchip公司的dsPIC33FJ16GS504數(shù)字信號控制器（DigitalSignalController，DSC）芯片，DSC除了完成PWM控制信號和電壓電流檢測以外，還負責峰值功率控制、MPPT算法、數(shù)字鎖相環(huán)算法等其他功能。微型逆變器主要包括輸入解端耦電容、有源鉗位交錯并聯(lián)反激變換電路、全橋電路、輸出濾波電路。外圍電路主要包括輔助電源、柵極驅動電路、隔離驅動、光伏電池板電壓檢測、反激電流檢測電路、電網(wǎng)電壓和電流檢測電路等。[圖片]
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@不可說
全橋極性反轉電路，主要作用是將反激變換器通過整流二極管后輸出的正弦半波電流，通過50Hz工頻轉換為與電網(wǎng)同頻同相的正弦波形。[圖片]
EMI濾波電路：
由于經(jīng)過了高頻（180kHz~450kHz）的反激變換器電路轉換，并網(wǎng)電流中會含有高頻諧波，
所以需要濾波電路濾除這些諧波，而且還應該滿足安規(guī)和EMC要求。
當然我這個設計是屬于畢設，不能過商業(yè)用的安規(guī)、可靠性和EMC，更拿不到認證，
主要以研究學習為主，屬于簡化版的微逆，因為商業(yè) 還要考慮孤島效應、連接監(jiān)控等。
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@不可說
EMI濾波電路：由于經(jīng)過了高頻（180kHz~450kHz）的反激變換器電路轉換，并網(wǎng)電流中會含有高頻諧波，所以需要濾波電路濾除這些諧波，而且還應該滿足安規(guī)和EMC要求。當然我這個設計是屬于畢設，不能過商業(yè)用的安規(guī)、可靠性和EMC，更拿不到認證，主要以研究學習為主，屬于簡化版的微逆，因為商業(yè)還要考慮孤島效應、連接監(jiān)控等。[圖片]
設計的PCB如下圖，尺寸是：125mm×230mm×45mm。
現(xiàn)在回頭看看，感覺畫的板子還是很粗糙的。
另外還搜集了3D封裝，轉換成3D視圖的畫，看起來會好看很多：
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@不可說
2.為什么用交錯并聯(lián)反激方式？單端反激式變換電路的輸出端紋波電壓較大，因此限制了輸出功率，該拓撲結構多用于較小功率范圍的電路中。為提高反激變換電路輸出功率，改善電路的紋波現(xiàn)象，交錯并聯(lián)反激式變換電路應運而生。交錯并聯(lián)式拓撲結構是在單端反激式拓撲結構基礎上，將兩個單端反激電路并聯(lián)，該拓撲結構能減小輸入端開關器件的電流應力，輸出電流是兩個單端反激電路輸出電流的和，同時輸出端電壓保持不變，因此可以提高系統(tǒng)的輸出功率。反激式變換電路輸出的峰值功率等于并網(wǎng)逆變器輸出的峰值功率，采用交錯并聯(lián)方式時變壓器的峰值功率能成倍減小，從而減小變壓器的體積和磁芯損耗。另外，交錯并聯(lián)反激式拓撲結構還可降低系統(tǒng)輸出電流諧波、減小輸出端的濾波電路設計、減小系統(tǒng)裝置體積、降低硬件設計成本。[圖片]激變換器的特征是：當開關管導通時，反激變換器儲能；當開關管關斷時，反激變換器釋放電能。那么在同一個開關周期內，將兩個反激變換器交錯并聯(lián)：FLYBACK1導通時，F(xiàn)LYBACK2關斷；FLYBACK1關斷時，F(xiàn)LYBACK2導通；這樣在一個開關周期內，時時刻刻都有能量從原邊輸送到副邊，單端反激變換器一般功率在100W~150W，通過這種交錯并聯(lián)方式直接將輸出功率翻倍，因此大大的提高反激變換器的功率密度。 在反激變換器中加入了有源鉗位電路：有源鉗位電路的原理是利用變壓器的電感電流短時間內不能突變的特性，來抑制開關器件的電流上升率，再利用電容電壓短時間內不能突變的特性，來抑制開關器件的電壓上升率，鉗位電路可以抑制尖峰電壓和尖峰電流，減少開關器件損耗，提高系統(tǒng)轉換效率。
鉗位電路有rc,RCD,RCDZ等多種設計方式，起到保護功能。
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