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便携式太阳能正弦波逆变电源设计探讨

浏览131次时间：2015年2月09日 15:48

丁南菊李松宁无锡科技职业学院江苏无锡 214028

【文章摘要】

针对长途旅行和野外作业对应急电源的需求，提出一种利用太阳能发电的便携式逆变电源方案。采用CN3722、TL494、EG8010 等主控芯片实现充放电控制、逆变，具有欠压、过热、过流等保护功能，输出失真小、稳定的220V/50HZ 正弦波交流电，满足多种负载的使用。具有使用方便、体积小、重量轻、效率高等优点。

【关键词】

便携式电源; 逆变; 高频升压;SPWM

太阳能光伏电源由于安全可靠、无噪声、无污染、使用寿命长、规模灵活，太阳能资源量又非常丰富，因而始终受到青睐，被誉为21 世纪的主要发展能源。设计一种便携式太阳能发电系统, 输出电压有效值为220V，频率为50Hz, 频率和幅度都稳定、失真度小的正弦波交流电, 可满足长途旅行或野外工作等无电源时多种交流用电设备的使用需求。太阳能逆变电源集充放电控制和正弦波逆变功能于一体，使用轻便的折叠式太阳能电池组件及体积和重量都小的锂电池，安装便捷、体积小、重量轻，输出为标准的正弦交流电。

1 总体方案设计

便携式太阳能逆变电源由太阳能电池组件、充电控制电路、锂电池、DC-DC 控制升压电路、DC-AC 逆变电路组成。系统框图如图所示。太阳能电池组件通过充电控制电路对锂电池充电，采用优化的充电控制方式，延长锂电池的使用寿命。充电后的锂电池输出额定电压为12V 直流电压，通过DC-DC 控制升压电路以PWM 的方式经高频变压器升压，再通过整流滤波电路转换为340V 直流电压，最后经DC-AC 电路以SPWM 的方式逆变为220V/50Hz 的标准正弦交流电输出至负载使用。

2 模块电路设计

2.1 充放电控制电路

考虑到便携式系统要求体积小、重量轻、效率高的因素，我们采用太阳能电池组件供电的锂电池充电专用管理芯片CN3722 实现对锂电池组的充电控制。CN3722 是一款可使用太阳能电池供电的PWM 降压模式充电管理集成电路，具有太阳能电池最大功率点跟踪功能， CN3722 非常适合对单节或多节锂电池的充电管理，具有封装外形小，外围元器件少和使用简单等优点，充电电流可达5A。CN3722 具有恒流和恒压充电模式，非常适合锂电池充电。在恒流充电模式，充电电流通过一个外部电阻设置。对于深度放电的电池，当电池电压低于所设置的恒压充电电压的66.7 % 时，CN3722 用所设置的恒流充电电流的15% 对电池进行涓流充电，以保护锂电池受大电流流的冲击。在恒压充电模式，恒压充电电压由外部的电阻分压网络设置，在恒压充电阶段，充电电流逐渐减小，充电过程持续直到充电电流减小到零，蓄电池电池连接端管脚电压保持不变，所以不会对电池过充电。CN3722 采用恒电压法跟踪太阳能电池的最大功率点，配合片外的两个电阻构成的分压网络，可以实现对太阳能电池最大功率点进行跟踪，提高了整个逆变电源的发电效率。当输入电源掉电或者输入电压低于电池电压时，CN3722 自动进入低功耗的睡眠模式。其它功能包括电池温度监测，电池端过压保护和充电状态指示等。

2.2 DC-DC 控制升压电路

DC-DC 升压电路的核心控制芯片为PWM 开关电源控制芯片TL494,TL494 集成了全部的脉宽调制电路，内置线性锯齿波振荡器，振荡频率由外置振荡元件一个电阻和一个电容决定；内置误差放大器及5V 参考基准电压源；可调整死区时间；内置功率晶体管可提供500mA 的驱动能力；推或拉两种输出方式；输出脉冲最大频率200KHz。

TL494 输出两路相位互差180 ° 的PWM 脉冲波形，控制两只功率场效应管交替工作，采用推挽逆变方式，把锂电池12V 直流电转化成高频率方形波交流电，通过高频升压变压器升压，再通过二极管桥式整流和电容滤波输出340V 的直流电压，提供给正弦波逆变电路。TL494 内置的脉冲宽度调制比较器，可用芯片的死区时间控制输入电平及两个误差放大器的输入电平去控制脉冲宽度比较器的输出，加上运放LM324 等外围器件，从而能达到改变输出脉冲的占空比，实现软启动、稳压、过温保护、锂电池放电欠压保护等功能。

2.3 DC-AC 逆变电路

DC—AC 转换电路核心控制芯片为纯正弦波逆变器控制芯片EG8010-SPWM，这是一款功能很全面的、数字化的自带死区控制的纯正弦波逆变发生器芯片，应用于 DC-DC-AC 两级功率变换电路或 DC-AC 单级工频变压器升压变换电路，能实现高精度的50Hz 或60Hz 纯正弦波逆变专用芯片，外接 12MHz 晶体振荡器。芯片采用 CMOS 工艺，内部包含有 SPWM 正弦发生电路、死区时间控制电路、幅度因子乘法电路、软启动电路、保护电路等部分。主要应用于单相纯正弦波逆变器、光伏发电逆变器、风力发电逆变器等领域。

纯正弦波逆变器控制芯片EG8010- SPWM 产生的SPWM 调制波，经过IR2110S 驱动芯片驱动功率场效应管工作，340V 直流电压通过功率场效应管、滤波电感、滤波电容调制出220V/50Hz 纯正弦波，完成整体的逆变工作。在输出的220V/50Hz 正弦交流电中取电压、电流反馈回EG8010-SPWM 纯正弦逆变器控制芯片，具备过流保护和输出电压稳定控制的功能。逆变输出采用全桥工作方式，由4 个功率场效应管组成的2 路桥臂所构成，一路由EG8010 芯片输出的SPWM 调制信号控制，为高频臂，另一路由EG8010 输出的正弦波频率进行切换，为低频臂。两组场效应管轮流导通，输出交变的方波电压，经电感、电容滤波，输出纯正弦波交流电压，电压的失真度小，输出电压、频率稳定。