摘 要： 為了推進光伏發電技術應用到居民家居生活中，提出了一套適用于家用小功率電器工作的光伏逆變系統。系統采用意法半導體公司的STM32F103VC作為控制系統的核心，運用軟件方式產生SPWM波。逆變主拓撲回路采用兩級全橋變換器，中間環節配合高頻變壓器升壓。與傳統的逆變器設計思路不同，前級全橋變換器采用SPWM波控制實現逆變取代以往恒定脈寬PWM控制，后級變換器作為頻率50 Hz翻轉開關來重構正弦波。該系統可將太陽能電池板輸出的12 V電壓轉換為適用于家用電器工作的220 V/50 Hz交流電。
關鍵詞： 光伏發電技術；光伏逆變系統；STM32F103VC；逆變主拓撲回路
現今，歐洲各國以及日本、美國等國家政府推廣實施太陽能光伏工程計劃，大力普及太陽能住宅區，在住宅的屋頂或者墻壁上安裝太陽能電池板[1]。我國太陽能住宅區也在逐步發展中。本文設計旨在將光伏發電技術推廣到家居生活中，響應我國節能綠色環保政策。本文設計了一款住宅家用型光伏逆變系統，該系統適用于獨立供電的場合，能滿足小功率家用電器的用電需求。光伏逆變系統選用的是單相電壓源型逆變器，逆變器主拓撲回路采用三級式結構(DC-AC-DC)，由前級DC-AC全橋變換器、隔離高頻變壓器、后級DC-AC全橋變換器組成，采用軟件編程方式產生SPWM波驅動控制拓撲結構變換器上的功率開關管，產生適用的正弦交流電。由于意法半導體公司推出的STM32系列芯片[2-3]使用ARM最新的、先進框架的Cortex-M3內核的32 bit嵌入式處理器，其實時性能優異，功耗控制杰出，成為本次設計軟件系統芯片的首選。本文設計中在逆變器主拓撲回路的控制方式上與傳統方式有所改變，嘗試的過程中發現該種控制方式解決了逆變環節全橋變換器上的功率開關管(MOSFE管)工作于高頻高壓狀況下發熱嚴重的問題。
1 系統整體設計
圖1所示為整個光伏逆變系統的整體結構框圖，系統主要由低壓控制模塊電路、高頻升壓變壓器、高壓控制模塊電路三部分組成。整個電路主要完成的工作是將太陽能電池板輸出的直流電壓轉換為家用電器工作的正弦交流電壓。本系統硬件設計涉及強弱電結合，圖1中STM32微控制系統中的工作芯片STM32F103VC是整個系統的CPU，該芯片工作電壓為3.3 V，其標準I/O端口能承受的輸入電壓約為2 V~3.5 V，但是系統工作中需要用STM32F103VC芯片的低壓端口測量高壓器件的模擬量，因而系統設計中加入保護電路模塊(即隔離變壓器、光電隔離電路),將低壓控制系統和高壓控制系統分成兩個電路板，使得整個電路基本安全可靠。
光電隔離電路中的光電耦合器具有輸入、輸出間2.5 kV以上的電絕緣能力、信號單向傳輸、抗干擾能力強；低壓控制系統模塊包括前級DC-AC全橋轉換器、驅動電路、STM32微控制系統三大部分，主要的工作是將太陽能電池板輸出的直流低壓通過STM32系統產生4路SPWM波驅動全橋變換器上的功率開關管,使之逆變為正弦半波表脈寬變化的雙極性方波。整個模塊的工作電壓實際是太陽能電池板輸出電壓的幅值(約12 V），這樣通過高頻變壓器、光電隔離電路完全與高壓工作模塊隔離開來，可以有效保護STM32微控制系統；高壓控制系統模塊包括橋式整流濾波電路、后級DC-AC全橋變換器、光電隔離電路等部分，該模塊的任務是將經過高頻變壓器升壓之后的正弦半波表脈寬變化的雙極性方波通過橋式整流濾波電路轉換成100 Hz只包含正半周的正弦波，最后通過后級全橋變換器間隔地翻轉正半周至負半周轉換成220 V/50 Hz正弦波。整個模塊工作在320 V左右，為了避免高壓信號串入低壓模塊，將高壓控制系統與低壓控制系統分成兩模塊是整個設計基礎的關鍵。
2 系統硬件設計
圖2所示為家用型光伏逆變系統的功率主回路拓撲結構[4]電路框圖，主要由前級全橋轉換器、高頻升壓變壓器、橋式整流器、LC濾波器、后級全橋轉換器四部分組成。系統主拓撲回路采用傳統逆變器拓撲設計方案，起初開始調試系統時采用的仍然是傳統的控制方案，但是在調試的過程中發現高壓控制系統模塊電路的功率開關管(MOSFET)工作在高頻高壓條件下發燙嚴重，因而借鑒了美國一名電源電子愛好者TIMNOLAN個人網站[5]提出的一種逆向的控制方案，可以很好地改善這個問題。
圖3所示為逆變器比較傳統的控制方案[6]，其主要方案為將直流低壓(太陽能電池板或其他電源輸出)先經過兩對互補PWM波控制前級全橋變換器橋臂上的4個功率管轉換為雙極性的高頻低壓方波，接著通過變壓器升壓整流濾波電路轉換為高壓直流電(幅值一般為110 V以上)，最后通過后級全橋變換器整流濾波電路轉換為220 V/50 Hz的正弦交流電。其中，后級變換器上的兩對橋臂分別是通過兩對互補的頻率約為30 kHz的SPWM波驅動控制的，在該階段后級全橋變換器上的功率開關管工作在高頻高壓環境下，功率管發熱發燙。為了減緩功率管的發燙現象，采用了圖4所示的逆向控制流程。
圖4所示即為本文借鑒TIMNOLAN個人網頁上光伏并網逆變器文章的控制流程思路，與傳統控制流程的區別在于前后兩級全橋變換器的控制策略不同：圖4中前級全橋變換器直接采用正弦脈寬調制算法產生4路SPWM波控制4個功率開關管，經過升壓整流濾波之后轉換為頻率100 Hz的只包含正半周的正弦波；最大特點是后級全橋變換器作為一個翻轉的開關，開關頻率為50 Hz，全橋變換器上兩對斜對角的功率管每隔20 ms輪流導通或關斷，將產生正弦波的正半周間隔地翻轉為負半周，轉換為標準的正弦交流電。
3 系統軟件設計
本文采用軟件方式產生SPWM波，功率主拓撲回路采用移相調壓全橋逆變控制策略，圖5中為STM32微控制系統產生的兩對互補相位相差180°的SPWM波,用于驅動控制前級全橋變換器。STM32F103VC芯片的高級定時器TIM1擁有4個獨立輸出通道，能產生3對互補輸出的PWM波,而且PWM輸出模式下死區時間可以編程。
程序設計思路為：設置STM32F103VC的TIM1定時器為中央對齊的PWM輸出模式；設置TIM1周期寄存器TIM1_ARR,使得PWM波載波頻率為30 kHz；使能TIM1所對應的CH1/CH1N、CH2/CH2N兩對互補通道,TIM1的CH1、CH2產生兩路相位差為180°的PWM波形,相應的CH1N和CH2N產生互補的兩路PWM波。同時，設置STM32F103VC的通用定時器TIM2為向上計數模式并配置周期寄存器TIM2_ARR,使得TIM2計數周期T為20 ms；使能TIM2比較通道1中斷，每隔T/64產生一次中斷讀取對應指針所指向的正弦波表中的脈寬值，更新TIM1中TIM_CCR1、TIM_CCR2的值，更新對應PWM波的脈寬值W1，最終使得TIM產生兩對互補移相180°的SPWM波。相關流程如圖6(a)和圖6(b)所示。
4 實驗結果討論
本文設計了一款小功率家用型光伏逆變系統，其系統功率主拓撲結構為圖2所示。采用100 W/12 V太陽能電池板供電，輸出適合家用電器用電的220 V/50 Hz電壓，SPWM波載波頻率為30 kHz,母線濾波電容采用220 V/470 ?滋F的電解電容和105/630V的CBB電容并聯于電源輸入端，變壓器初級匝數與次級1匝數比為3:90、與次級2和3的匝數比同為3:4,輸出濾波器電感值為1 036 ?滋H，濾波電容值為3 ?滋F。高頻變壓器磁芯采用PQ3230，磁芯對接時不加氣隙。
為了驗證文中所提出的控制原理，圖7給出高頻示波器所測的波形圖。圖7(a)為驅動前級全橋變換器左半橋MOSFET管的兩路互補的SPWM波；圖7(b)為移相的兩路驅動前級全橋變換器上半橋MOSFET管的SPWM波；圖7(c)為前級全橋變換器輸出的雙極性方波，與之對應的圖7(d)為高頻變壓器升壓后的雙極性方波； 圖7(e)為高壓控制模塊橋式整流濾波電路之后只有正半周的正弦波,與之對應的圖7(f)為后級全橋變換器翻轉后所得的正弦波。
參考文獻:
[1] 桑福環. 光伏并網逆變系統的研究與設計[D]. 西安: 西安理工大學, 2010.
[2] 孫書鷹, 陳志佳, 寇超. 新一代嵌入式微處理STM32F103開發與應用[J]. 微計算機應用, 2010(12):59-63.
[3] 張偉,李長春,王圣元,等. 基于STM32F103的數字式電鍍電源并聯均流系統設計[J]. 電子設計工程，2012(02):174-183.
[4] PATRAO I, FIGUERES E, GONZALEZ-ESPIN F, et al. Transformerless topologies for grid-connected single-phase photovoltaic inverters[J]. Elsevier Ltd, 2011,15(7):3423-3431.
[5] NOLAN T. Solar projects [EB/OL].[2012-11-20]http://www.timnolan.com/
[6] PRESSMAN A I,BILLINGS K.開關電源設計(第三版) [M].王志強，譯.北京: 電子工業出版社,2011.