基于RA6T2的1KW逆變器核心模塊參考實(shí)現(xiàn)

2022年底，瑞薩舉行了基于RA6T2的1KW inverter方案在線研討會(huì)，在此將材料和大家做分享。

參考設(shè)計(jì)指標(biāo)概覽

設(shè)計(jì)指標(biāo)：48V直流輸入，經(jīng)過(guò)boost升壓到340V，再逆變成220V交流輸出 -- 50Hz，60Hz可選。輸出功率1KW。

整機(jī)效率、諧波畸變率等參數(shù)請(qǐng)參看下表：

數(shù)字電源是各個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成的，比如這次的逆變器使用boost升壓拓?fù)?，再加上一個(gè)DC/AC的逆變拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

主功率部分

交錯(cuò)Boost + 單極性逆變

采用單極性SPWM控制方法，PID閉環(huán)算法實(shí)現(xiàn)48VDC倒220VAC的1KW逆變

驅(qū)動(dòng)電路

電流電壓采樣電路

最小控制系統(tǒng)：OLED屏和用戶按鍵，選擇系統(tǒng)輸出模式，顯示輸入輸出電壓電流參數(shù)

溫度采集和散熱

溫敏電阻，MOS管控制風(fēng)扇開(kāi)關(guān)

這個(gè)方案是一個(gè)交錯(cuò)boost，加DC/AC的拓?fù)?。為什么用交錯(cuò)呢，因?yàn)殡妷罕容^低，48V升1KW的話，電流會(huì)比較大。電流大，用交錯(cuò)比較好，把電流分?jǐn)偭?，一路?00W。如果不分?jǐn)偅紫入姼袝?huì)比較大，MOS管選擇的電流也會(huì)大，都會(huì)比較難選，也會(huì)影響整機(jī)的效率。分開(kāi)電流小很多，包括輸入端紋波電流。交錯(cuò)boost加上后面的DC/AC。DC/AC是一個(gè)圖騰柱的架構(gòu)，這個(gè)產(chǎn)品把D1，D2二極管換成MOS管，就是雙向AC/DC了。只要改代碼，拓?fù)涠疾挥酶?，就可以逆向過(guò)來(lái)工作了。

下面是驅(qū)動(dòng)，電壓電流采樣。還有一個(gè)最小控制系統(tǒng)，由OLED顯示屏，用戶按鍵組成。

開(kāi)關(guān)頻率設(shè)置在30K，因?yàn)槭怯查_(kāi)關(guān)，它的損耗主要就是來(lái)自開(kāi)關(guān)損耗，所以頻率越低越好，但是不能太低，太低了電流就大了，被動(dòng)器件的尺寸就大了，一般設(shè)置在30K左右，對(duì)MOS管是一個(gè)比較好的開(kāi)關(guān)頻率范圍。

這個(gè)設(shè)計(jì)是非隔離的，最可靠，硬件成本也最低。硬開(kāi)關(guān)相對(duì)軟開(kāi)關(guān)效率低，主要體現(xiàn)在開(kāi)關(guān)損耗上，但是開(kāi)關(guān)頻率低嘛，整體損耗還是可以接受。軟開(kāi)關(guān)，一般都是在流行的LLC拓?fù)渲校核鼛Ц綦x，第一需要變壓器，尺寸也就不會(huì)小，成本也會(huì)高；當(dāng)前設(shè)計(jì)中驅(qū)動(dòng)都是非隔離的，那還要改成隔離驅(qū)動(dòng)芯片。所以取決于設(shè)計(jì)目標(biāo)是怎樣的？如果必須隔離，優(yōu)先選擇LLC，軟開(kāi)關(guān)的諧振拓?fù)?。?jiǎn)而言之，在隔離的情況下，用軟開(kāi)關(guān)的效率就會(huì)比較高，用硬開(kāi)關(guān)效率就會(huì)低。做硬開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)頻率不能做太高，做太高，效率就低了，被開(kāi)關(guān)損耗給浪費(fèi)了。這是設(shè)計(jì)時(shí)，相互妥協(xié)的一個(gè)考量。

這個(gè)方案分為DCDC升壓和DCAC逆變兩級(jí)拓?fù)洹Ｈ負(fù)淇梢詰?yīng)用于戶外電源逆變器，離網(wǎng)UPS逆變控制等

RA6T2資源使用

Flash：~5K

RAM：~3K

OLED：I1C x1

LED：GPIO x1

用戶按鍵：GPIO x4

電壓電流溫度監(jiān)測(cè)：ADC x8

MOS管驅(qū)動(dòng)：PWM x6

RA6T2性能很強(qiáng)，但是這個(gè)方案用到的資源比較少。Flash，ram的使用都很省，因?yàn)槭且粋€(gè)比較簡(jiǎn)單的控制算法和拓?fù)洹?/p>

外設(shè)方面，用了8路ADC，采樣電流，電壓，溫度。

用了6個(gè)PWM通道，驅(qū)動(dòng)6個(gè)開(kāi)關(guān)管。沒(méi)有用到RA6T2里的高精度PWM通道，因?yàn)槟孀兤鞑恍枰呔鹊腜WM，就算是DC輸出時(shí)，也要看使用場(chǎng)景，比如服務(wù)器電源、電池化成，高精度PWM通道非常有幫助。一般的對(duì)電池充電，也是DC輸出，精度要求一般就可以了。

環(huán)路控制方面，目前是電壓環(huán)控制。當(dāng)然也可以加電流環(huán)控制進(jìn)去，加進(jìn)去呢，動(dòng)態(tài)響應(yīng)會(huì)好一點(diǎn)：輸出電流，輸出負(fù)載切換時(shí)，響應(yīng)會(huì)更快一點(diǎn)。

系統(tǒng)保護(hù)功能

輸入軟啟動(dòng)

輸入欠壓，輸入過(guò)壓保護(hù)

Boost輸出過(guò)壓保護(hù)

逆變器欠壓保護(hù)

輸出短路保護(hù)

輸出過(guò)流保護(hù)

溫度保護(hù)

系統(tǒng)保護(hù)方面，支持軟啟動(dòng)。比如輸入電壓太低，20V，30V剛起來(lái)，這個(gè)占空比要慢慢增加，電壓慢慢抬升，不要一來(lái)就很高，會(huì)過(guò)沖。同時(shí)判斷有沒(méi)有過(guò)壓，輸入電壓大于52V。更新占空比，更新boost兩個(gè)管子的占空比。

達(dá)到標(biāo)稱電壓40V時(shí)才啟動(dòng)，占空比也是緩慢上升，軟啟動(dòng)時(shí)間大概0.6秒，一般電源就夠了。包括戶外儲(chǔ)能，0.6秒對(duì)客戶也無(wú)感。

其他保護(hù)，也主要為了保護(hù)硬件。Boost輸出過(guò)壓，比如突然卸載，重載突然卸輕載，電壓可能會(huì)過(guò)沖，要保住400V時(shí)不要把MOS管打壞了。大于400V，關(guān)閉MOS管功能，小于350V，恢復(fù)工作。

母線太低，低于300V，就沒(méi)有辦法輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)正弦波了，所以進(jìn)入欠壓保護(hù)。正常情況下，是不會(huì)低于300V的，只是為了防止異常，比如干擾，或者M(jìn)OS管壞掉了。電流很大，電壓很小的時(shí)候，判斷短路事件。過(guò)流，逆變器功率1100W持續(xù)一分鐘，就認(rèn)為過(guò)流了。

測(cè)試評(píng)估板

這個(gè)是該測(cè)試評(píng)估板的照片。如您感興趣，可以點(diǎn)擊公眾號(hào)菜單欄“樣片申請(qǐng)”獲取瑞薩代理商/銷(xiāo)售聯(lián)系方式。

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測(cè)試演示

測(cè)試電源：變頻柜輸出48V供給逆變板，輸出功率在1KW以上；施加在電阻負(fù)載（可變電阻）上進(jìn)行測(cè)試

示波器：查看輸入電源，輸出電壓（高壓差分探頭）、電流（電流鉗）

功率分析儀：查看效率，諧波含量

電源輸出：15V逐漸加到48V，板子開(kāi)始運(yùn)行

示波器查看

通道1：電流輸入48V DC

通道2：交流電壓，峰峰值1295mV，經(jīng)過(guò)高壓差分探頭換算得到220V；頻率50Hz

通道3（紫色）：輸入48V DC

系統(tǒng)介紹視頻

測(cè)試演示視頻

測(cè)試演示