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。