互动式逆变器电路设计研究

关键词：互动式逆变器；市电；切换；电容倍压

逆变器（Inverter）是把直流电转变成交流电（一般为市电电压，波形为正弦或方波）的装置，所用的直流电源是蓄电池。光伏逆变器则使用太阳能光伏电池板和蓄电池的组合作为输入。从输入端看，逆变器或光伏逆变器分为两类。一类不需要依赖市电，将蓄电池的电能逆变成市电，向用电设备（负载）供电。这类逆变器的蓄电池必须通过其他充电设备或通过光伏电池板进行充电。另一类是互动式逆变器，带有市电输入。当市电电压正常时，将市电直接旁路或做必要的稳压处理后向负载供电。当市电停电或者电压超出正常范围时，切换到逆变回路给负载供电。这类逆变器通过自带的充电电路或通过逆变电路反向工作[1]，对电池进行充电。互动式逆变器进行市电与逆变回路切换时，必须解决两方面问题：一是侦测市电是否存在以及电压是否正常，对于并网型逆变器还要侦测市电的相位和频率；二是切换时间不能超过应用场合的要求（通常在10ms以内），越短越好。

在开关电源领域，对市电进行采样侦测的技术，通常有以下方式。（1）用电阻、电容器或变压器对220V交流电压进行降压，再进行整流、滤波变为直流低压，然后通过光耦进行隔离，将采样信号送给CPU；（2）通过电阻分压、运放等构成精密检波电路进行幅值检测，构成电压比较器（施密特触发器）进行频率、相位检测，结果再送到CPU处理；（3）采用运放构成差分放大电路，将220V交流电压转变为低压m形（馒头波）信号，再送到CPUA/D端口进行幅值检测，同时利用三极管对运放输出的信号进行整形，检测相位和频率。图1是某型号UPS的市电电压检测电路[2]。采用以上方式的市电侦测电路，所需元件多、电路复杂、成本较高，且要占用CPU或单片机资源。针对中低端互动式逆变器，市场需求更加注重成本和可靠性。本文设计了一种简单实用且安全可靠的市电电压侦测电路，同时利用新颖的方法缩短切换，有利于降低产品成本，增加可靠性和稳定性，改善性能（缩短切换时间）。

一种互动式逆变器用市电切换电路，如图2所示。图2中，IP/L和IP/N分别为输入市电的火线和零线，OP/L和OP/N分别为逆变输出的火线和零线，OUT/L和OUT/N分别为逆变器最终输出到负载的火线和零线。输入的市电电压经过电阻R1～R4降压，再经过D1～D4整流以及C1、C2滤波后，在D5负极得到一定幅值的直流电压Va。逆变器要实现的功能，举例描述如下：当市电电压在210～230V时，逆变器切换到市电给负载供电；当市电跌至200V时，为保证负载正常工作，逆变器切换到逆变回路对负载供电；当市电升至240V时，为保护负载不因高压损毁，逆变器也切换到逆变回路对负载供电。实际应用中，这些电压阈值可根据实际情况进行调整。当市电电压在210～230V时，U1A同相端（脚3）的电压应高于反相端电压（5V），U1A输出5V的高电平。同时，U1B反相端（脚6）的电压应低于同相端电压（5V），因而U1B输出5V的高电平，即I/P-RLY为高电平，三极管Q2导通，继电器RY1的线圈通电，将市电IP/L和IP/N直接旁路输出到OUT/L和OUT/N。当输入的市电低至200V时，此时U1A同相端（脚3）的电压应低于反相端电压（5V），U1A输出低电平。因为U1A的输出连接到U1B同相端，直接将U1B同相端电平拉到0V左右。这时U1B反相端（脚6）的电压必然高于同相端电压（0V），因而U1B输出（即I/P-RLY）为低电平，三极管Q2关断，继电器RY1的线圈失电，逆变器的输出切换到逆变回路，保证输出电压为220V，从而确保负载正常工作。当输入的市电高达240V时，此时U1A同相端（脚3）的电压应高于反相端电压（5V），U1A输出高电平，U1B反相端（脚6）的电压应高于U1B同相端电压（5V），U1B输出（即I/P-RLY）为低电平，三极管Q2关断，继电器RY1的线圈失电，逆变器的输出切换到逆变回路，从而使负载免于市电过高电压的影响而损毁，确保其正常工作。图2中，当市电停电或断电时，U1A输出低电平，U1B同相端也是低电平（零点几伏），但反向端为0V，U1B将输出高电平（5V），从而引起控制功能失效。为此，增加R10和D6，确保U1B输出低电平，防止继电器误动作。为了实现上述功能，必须仔细设计降压电阻R1～R4以及分压电阻R6和R8的阻值。兼顾降压电阻的功耗与系统工作可靠性，取R1～R4均为100kΩ。对应各输入市电电压，通过仿真可知Va的值如表1所示。设电阻R8=x，电阻R6=y，电压低端切换的回差电压为200～210V，则x需满足：从而解得43.75＜x＜45.96，取x=45kΩ。电压高端切换的回差电压为230～240V，则y需满足：从而解得37.92＜y＜39.91，取y=39kΩ。电容倍压原理很早就用于倍压整流[3]。实际上，利用电容的电荷泵原理，可以实现很多工程上的应用。图2中，Q1、D7、C3、R15构成继电器切换加速电路，利用电荷泵原理说明如下：当Q2关断时（逆变器输出为逆变模式），C3通过D7和R15充电，两端电压接近12V；当Q2导通的瞬间，Q1也导通，此时12V电源通过Q1接到C3的负极，电源电压叠加电容两端的电压一并加到继电器线圈形成倍压效果，加速继电器吸合，从而加快从逆变模式向市电的转换。

虽说逆变器或光伏逆变器采用MCU或单片机控制已成常态，但在中低端市场中由于价格制约，低成本成为产品竞争力的重要保证。本文论述的电路不必占用MCU或单片机资源，用普通元器件巧妙组合，构建了一种简单实用且安全可靠的市电侦测电路，实现了市电与逆变的正常切换，同时利用电容倍压原理加快继电器工作，缩短切换时间。由于两路分压电阻（R7和R8、R5和R6）的阻值都在数十兆欧姆以上，消耗电流甚小，因此可以利用电阻（R1～R4）对市电进行降压，再整流滤波。这样比较器输入端周边的电压大幅下降，有利于安规设计，避免因电气间距或爬电距离不足引起的安全问题。