基于Atmega16的電流采樣電路設(shè)計(jì)

文中研制了一套模擬并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了頻率跟蹤、最大功率跟蹤、相位跟蹤、輸入欠壓保護(hù)、輸出過(guò)流保護(hù)、反孤島效應(yīng)等功能；采用Atmega16高速單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部集成定時(shí)、計(jì)數(shù)器功能；利用定時(shí)器T／C2的快速PWM功能，實(shí)現(xiàn)SPWM信號(hào)的產(chǎn)生；采用T／C1的輸入捕獲功能，實(shí)現(xiàn)了頻率相位監(jiān)測(cè)和跟蹤以及對(duì)失真度、輸入電壓、輸出電流等物理量的檢測(cè)與控制。

1 整體方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用Atmega16單片機(jī)為主體控制電路，工作過(guò)程為：與基準(zhǔn)信號(hào)同頻率、同相位正弦波經(jīng)過(guò)SPWM調(diào)制后，輸出正弦波脈寬調(diào)制信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電胳放大，驅(qū)動(dòng)H橋功率管工作，經(jīng)過(guò)濾波器和工頻變壓器產(chǎn)生于基準(zhǔn)信號(hào)通頻率、同相位的正弦波電流。其中，過(guò)流、欠壓保護(hù)由硬件實(shí)現(xiàn)，同步信號(hào)采集、頻率的采集、控制信號(hào)的輸出等功能，均由Atmega16完成。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖一：系統(tǒng)樞圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

分為DC／AC驅(qū)動(dòng)電路、DC／AC電路和濾波電路3部分和平滑電容C1，電路原理如圖2所示。

圖二：ACDC轉(zhuǎn)換電路

是由R1、R2、R3、R4、R5、R6、Q3、Q4、P3和P4組成，其中P3和P4是控制信號(hào)輸入端，R3和R4為限流電阻。集電極的電流直接影響波形上升沿的陡峭度，集電極電流越大輸出的波形越陡峭。因?yàn)镽2和R1與集電極pn節(jié)的寄生電容形成了一個(gè)RC充放電的時(shí)間常數(shù)，集電極pn結(jié)的寄生電容無(wú)法改變，只有通過(guò)改變R1和R2的值來(lái)改變時(shí)間常數(shù)，所以R1和R2值越小，Q3和Q4的集電極電流就越大；RC的充電時(shí)間常數(shù)越小，波形的上升沿越陡峭，而增加集電極電流，會(huì)增加系統(tǒng)的功耗，權(quán)衡利弊選擇一個(gè)合適的值。其次，射級(jí)pn結(jié)的寄生電容也會(huì)影響Q3和Q4的關(guān)斷時(shí)間和波形上升沿的陡峭度。所以在驅(qū)動(dòng)電路中各加了一個(gè)放電回路，即拉地電阻R5和R6，R5和R6的引入，加快了Q3和Q4的關(guān)閉速度，這樣就使集電極的波形更陡峭。同樣在保證基極射極pn不損壞的條件下，基極的電流也是越大越好，但也會(huì)帶來(lái)?yè)p耗問(wèn)題，權(quán)衡利弊選擇一個(gè)合適的值。關(guān)于兩個(gè)電阻的取值，這里假設(shè)三極管的放大倍數(shù)為β，基極電流Ib，集電極電流Ic，流過(guò)R5的電流為I5，流過(guò)R3的電流為I3，R3的壓降為V3，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為V，R5的壓降為V5，有

實(shí)際中R3和R5應(yīng)該比計(jì)算值小，這樣是為了讓三極管工作在飽和狀態(tài)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2．2 DC-AC電路

是由兩只p溝道MOSFET。Q1、Q2和兩只n溝道MOSFET Q5、Q6組成。在這里沒(méi)有采用4只n溝道MOSFET，原因是驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，如果采用上面的驅(qū)動(dòng)電路接近電源的兩個(gè)導(dǎo)體管不能完全導(dǎo)通，發(fā)熱量為接近地一側(cè)導(dǎo)體管4倍以上，功耗增加，所以采用對(duì)管逆變即減小了功耗，而且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。通過(guò)控制4個(gè)導(dǎo)體管的開(kāi)關(guān)速度再通過(guò)低通濾波器即可實(shí)現(xiàn)DC／AC功能。

2．3 濾波電路

兩個(gè)肖特基整流二極管1N5822為續(xù)流二極管，這里為防止產(chǎn)生負(fù)電壓，C2、C3、C4、C5、L1、L2組成低通濾波器，其中C5、C6為瓷片電容，C2、C3用電解電容，充放電電流可以流進(jìn)地，L1、L2為帶鐵芯的電感，帶鐵芯的電感對(duì)高頻的抑制比空心電感更好，電感值更高。關(guān)于參數(shù)的選取和截止頻率的計(jì)算如下

3 采樣電路

3．1 電流采樣電路的設(shè)計(jì)

由于終端負(fù)載一定，所以電流采樣實(shí)際等同于一個(gè)峰值檢測(cè)的過(guò)程，此電路實(shí)際是一個(gè)峰值檢測(cè)電路，P3為信號(hào)的2個(gè)輸入端，調(diào)整R10，R11和R17、R18取值來(lái)實(shí)現(xiàn)峰值測(cè)功能，電路中的阻值并不準(zhǔn)確，需要實(shí)際中根據(jù)信號(hào)的幅值來(lái)調(diào)整R10、R11和R17、R18阻值和比值。R14、R15、R19、R20的電流為模擬比較器內(nèi)部偏置電流的10倍以上，電阻的阻值盡可能大，這樣既減小了功耗也保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。Y3采用模擬比較器LM393，LM393內(nèi)部為開(kāi)集電極輸出，應(yīng)用的時(shí)候輸出端要接一個(gè)上拉電阻，電路如圖3所示。

圖三：電流采樣電路

3．2 MPPT采樣電路