隨著工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,，對電能質(zhì)量的要求將越來越高，包括市電電網(wǎng)在內(nèi)的原始電能的質(zhì)量可能滿足不了設(shè)備要求,，必須經(jīng)過電力電子裝置變換后才能使用,，而DC／AC逆變技術(shù)在這種變換中將起到重要的作用。根據(jù)市場趨勢,，逆變器的選型安裝越來越傾向于小型化,、智能化、模塊化等方向發(fā)展,，其控制電路主要采用數(shù)字控制,，系統(tǒng)的安全性,，可靠性以及擴展性，同時將各個完善的保護(hù)電路考慮其中,。因此,，這里提出一種基于IR2101的最大功率跟蹤逆變器設(shè)計方案。
1 IR2101簡介
IR2101是雙通道,、柵極驅(qū)動,、高壓高速功率驅(qū)動器，該器件采用了高度集成的電平轉(zhuǎn)換技術(shù),，大大簡化了邏輯電路對功率器件的控制要求,，同時提高了驅(qū)動電路的可靠性。同時上管采用外部自舉電容上電,，使驅(qū)動電源數(shù)目較其他IC驅(qū)動大大減少,，在工程上減少了控制變壓器體積和電源數(shù)目，降低了產(chǎn)品成本,，提高了系統(tǒng)可靠性,。
IR2101采用HVIC和閂鎖抗干擾制造工藝，集成DIP,、SOIC封裝,。其主要特性包括：懸浮通道電源采用自舉電路；功率器件柵極驅(qū)動電壓范圍10～20 V,；邏輯電源范圍5～20 V,，而且邏輯電源地和功率地之間允許+5 V的偏移量；帶有下拉電阻的CNOS施密特輸入端,，方便與LSTTL和CMOS電平匹配,；獨立的低端和高端輸入通道。IR2101的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。
圖1中,，HIN為邏輯輸入高；LIN為邏輯輸入低,；VB為高端浮動供應(yīng),；HO為高邊柵極驅(qū)動器輸出,；Vs為高端浮動供應(yīng)返回,；Voc為電源；LO為低邊柵極驅(qū)動器輸出,；COM為公共端,。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計功能需求，其硬件組成框圖如圖2所示,。該系統(tǒng)硬件設(shè)計是由SPMC75F2413A單片機主控制器模塊,、外部供能系統(tǒng)(普通或光伏),、斬波電路模塊、IR2101逆變電路模塊和最大功率跟蹤外部電路模塊組成,。通過最大功率跟蹤外部電路模塊檢測外部電壓,，將檢測值返回到SPMC75F2413A主控制器中。斬波電路模塊通過主控制器對其控制,，實現(xiàn)最大功率跟蹤,。外部供能系統(tǒng)是為各個模塊提供電源。IR2101逆變電路模塊主要實現(xiàn)DC／AC的轉(zhuǎn)換,，并由斬波電路為其提供最大功率點的電能,。
圖2中的SPMC75F2413A單片機正常工作電壓為5 V。但是其他模塊所加的電壓不同,，斬波電路模塊與IR2101逆變電路模塊所加的電壓為15 V,。因為IR2101的正常工作電壓為10～20V。
2．1 IR2101逆變電路
IR2101逆變電路原理圖如圖3所示,，H1,、H2為IR2101集成驅(qū)動芯片，VQ1,、VQ2,、VQ3、VQ4為MOS管,，Up,、Un、Vp,、Vn是SPMC75F2413A單片機中輸出的兩相四路PWM波,。其中Up、Un是一相PWM波的上下臂,，Vp,、Vn為另一相PWM波的上下臂，由于單片機中輸出的PWM波不能驅(qū)動大功率MOS管,，因此利用IR2101的電容自舉功能,，通過二極管VD1、VD2(采用肖特基管所具有的快恢復(fù)功能,，提升電容充電電壓,，關(guān)斷過程減少消耗能量)對自舉電容C1、C2進(jìn)行充電,，以此提升驅(qū)動MOS管的信號電壓,，使其具有擴大信號輸出的功能，擴大后的信號PWM波就能有序地控制VQ-1,、VQ2,、VQ3,、VQ4的通斷，在逆變電路中同一相的上下臂的驅(qū)動信號是互補,。
當(dāng)Up輸入高時,，HO輸出也為高，通過IR2101的電容自舉功能,，就能控制VQ1導(dǎo)通,，此時由于LO輸出為低，不能驅(qū)動VQ2,，因此VQ2處于關(guān)斷狀態(tài),，同時Vp也輸入一個高電平，即HO為高,，使VQ4處于導(dǎo)通狀態(tài),，而此時VQ3處于關(guān)斷狀態(tài)，因此T1→VQ1→R5(負(fù)載)→VQ4→GND形成一個通路,。反之,，當(dāng)Up、Vp為低電平,，Un,、Vn為高電平時，即電流的主要流向為T1→VQ3→R5(負(fù)載)→VQ2→GND,，4個MOS管開關(guān)器件有序地交替通斷,，進(jìn)而在R5(負(fù)載)處形成了交流電。在實際應(yīng)用中為了防止上下臂同時導(dǎo)通而造成短路,，在軟件設(shè)計的過程中,，添加了死區(qū)時間，來保護(hù)整個電路,。
2．2 斬波電路
斬波電路原理圖如圖4所示,，該電路主要用于進(jìn)行最大功率跟蹤，其電源為獨立電壓源,，R6(30 Ω／30 W)為功率電阻,，其主要作為電源內(nèi)阻，R7,、R8是為了檢測負(fù)載端的電壓值而形成的分壓電路,，通過Ud1進(jìn)行檢測，將檢測結(jié)果返回到單片機中進(jìn)行處理,，通過調(diào)節(jié)PWM波的占空比,，進(jìn)而控制VQ5開啟與關(guān)斷的時間,。當(dāng)檢測到Ud1X(R7+R8)／R8的值大于一半時,，單片機就會將斬波電路的占空比調(diào)大,，讓其通過的電壓增大，進(jìn)而使其值接近光伏電池的一半,，如果檢測到其值小于一半的時候,，會將占空比調(diào)小，讓其通過的電壓變小,，這樣通過跟蹤電壓來實現(xiàn)頻率的跟蹤功能,。
2．3 最大功率跟蹤模型分析
本設(shè)計為了實現(xiàn)最大功率的跟蹤模型，如圖5所示電路,，使得內(nèi)阻R8和外阻Rb相等,，Ud的電壓為電池電源的一半就可以得到電池輸出功率最大了，這種情況應(yīng)用于線性電路中,，但是在非線性電路中也可以利用這個原理,，本項目通過電壓跟蹤的功能，實現(xiàn)最大功率的跟蹤,，主要通過調(diào)節(jié)PWM波的占空比大小實現(xiàn)本功能,。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
A／D采樣函數(shù)流程圖如圖6所示，此函數(shù)主要是用于采集負(fù)載端的的電壓值,，最后轉(zhuǎn)換為幅度調(diào)制系數(shù),。本此函數(shù)中使用了CMT0定時器中斷，在此中斷中進(jìn)行了A／D采樣,，將采集的電壓值與換算后的電源電壓中點值Vmid(見圖4,，即利用R7、R8組成分壓電路,，R7：R8=9：1),，進(jìn)行比較，當(dāng)差值的絕對值大于100的時候,，判斷為采集值出現(xiàn)異常,，強制將電源電壓轉(zhuǎn)換后的中點值轉(zhuǎn)換為幅度調(diào)制系數(shù)，當(dāng)二者之間的差值的絕對值小于100時,，將差值加到Vmid上,，然后再轉(zhuǎn)換為幅度調(diào)制系數(shù)，最后返回中斷,。
在本函數(shù)中斬波電路的PWM中斷使用了TPM2中斷,，在此中斷中使用了幅度調(diào)制系數(shù)去調(diào)節(jié)斬波電路的PWM波的占空比，進(jìn)而實現(xiàn)電壓的跟蹤功能,，最終是實現(xiàn)最大功率的跟蹤,。斬波電路PWM中斷子函數(shù)流程圖如圖7所示。
4 最大功率測試結(jié)果
對斬波電路后的J2點進(jìn)行測試的,，將J2點處接1個30 W／30 Ω的功率電阻作為負(fù)載,，測試出表1中的各項數(shù)據(jù),。
5 結(jié)束語
本設(shè)計方案采用具有出色性能的定時器PWM信號發(fā)生器組的16位結(jié)構(gòu)的微處理器SPMC75F2413A單片機進(jìn)行設(shè)計，主要利用了此單片機的PWM信號發(fā)生器組產(chǎn)生控制逆變電路和斬波電路的PWM波,，還利用了IR2101的自舉功能,，對功率MOS管進(jìn)行有序驅(qū)動，實現(xiàn)逆變,，控制斬波電路的PWM波占空比,，實現(xiàn)了最大功率的跟蹤逆變器的設(shè)計。通過驗證,，輸出的正弦交流信號十分明顯,，并具有最大功率的跟蹤功能。