CN106026745A - 光伏逆变器集成系统控制芯片 - Google Patents

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CN106026745A CN201610341802.8A CN201610341802A CN106026745A CN 106026745 A CN106026745 A CN 106026745A CN 201610341802 A CN201610341802 A CN 201610341802A CN 106026745 A CN106026745 A CN 106026745A
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Abstract

本发明公开了一种光伏逆变器集成系统控制芯片，其包括有控制单元和逆变单元，控制单元包括有主控制器和PWM控制器，PWM控制器执行主控制器的控制信号而输出脉冲信号；逆变单元根据脉冲信号而将直流电压逆变为交流电压；主控制器电连接于一切换开关的活动端，切换开关的第一端连接于直流供电端，切换开关的第二端接地，当切换开关的活动端与第一端相连时，将逆变单元输出的交流电压频率调整为60HZ；当切换开关的活动端与第二端相连时将逆变单元输出的交流电压频率调整为50HZ；当切换开关的活动端悬空时将逆变单元输出的交流电压频率调整为55HZ。本发明具有良好的集成度，并能够满足多个国家电网频率要求。

Description

光伏逆变器集成系统控制芯片
技术领域
本发明涉及逆变器技术领域，尤其涉及一种光伏逆变器集成系统控制芯片。
背景技术
现有技术中，桥式逆变电路通常由PWM电路驱动，而PWM芯片的外围电路复杂、功能单一，使用时还需与其他电路、芯片达到良好配合，因而集成度和一致性较差，特别是针对不同的国家，由于各地域的电网频率要求不同，使得逆变器无法兼容多个国家的电网电压，导致逆变器及其控制部分在不同国家的应用过程中受到局限，难以进行市场推广。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足，提供一种结构简单、兼容性好、具有良好的集成度、能够满足多个国家电网频率要求的逆变控制电路。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案。
一种光伏逆变器集成系统控制芯片，其包括有控制单元和逆变单元，所述控制单元包括有主控制器和PWM控制器，所述主控制器、PWM控制器和逆变单元依次电性连接，其中：所述主控制器用于发出控制信号；所述PWM控制器用于执行主控制器的控制信号而输出脉冲信号；所述逆变单元用于执行PWM控制器输出的脉冲信号而将直流电压逆变为交流电压；所述主控制器电连接于一切换开关的活动端，所述切换开关的第一端连接于直流供电端，所述切换开关的第二端接地，当所述切换开关的活动端与第一端相连时，所述主控制器通过调节PWM控制器的脉冲信号频率而将逆变单元输出的交流电压频率调整为60HZ；当所述切换开关的活动端与第二端相连时，所述主控制器通过调节PWM控制器的脉冲信号频率而将逆变单元输出的交流电压频率调整为50HZ；当所述切换开关的活动端悬空时，所述主控制器通过调节PWM控制器的脉冲信号频率而将逆变单元输出的交流电压频率调整为55HZ。
优选地，还包括有热敏电阻、风机和NPN管，所述热敏电阻用于采集逆变单元的温度，所述风机的出风口朝向逆变单元，所述热敏电阻的第一端连接于直流供电端，所述热敏电阻的第二端通过分压电阻接地，所述热敏电阻的第二端还连接于主控制器，所述风机的第一端用于接入12V供电电压，所述风机的第二端连接于NPN管的集电极，所述NPN管的发射极接地，所述NPN管的基极连接于主控制器，当所述热敏电阻第二端的电压大于预设值时，所述主控制器控制风机运转，当所述热敏电阻第二端的电压小于预设值时，所述主控制器控制风机停止运转。
优选地，所述热敏电阻的第二端与主控制器之间设有第一比较器和第二比较器，所述第一比较器的同相端用于接入2/3VDD电压，所述第二比较器的反相端用于接入1/3VDD电压，其中，VDD表示直流供电端的电压值，所述热敏电阻的第二端连接于第一比较器的反相端和第二比较器的同相端，所述第一比较器和第二比较器的输出端连接于主控制器，当所述热敏电阻的第二端电压小于1/3VDD时，所述主控制器控制风机停止运转；当所述热敏电阻的第二端电压大于1/3VDD且小于2/3VDD时，所述主控制器控制风机运转；当所述热敏电阻的第二端电压大于2/3VDD时，所述主控制器进入过温保护状态并控制风机运转以及控制PWM控制器停止输出脉冲信号。
优选地，所述热敏电阻并联有第一电阻。
优选地，所述风机并联有第一二极管，所述第一二极管的阴极连接于风机的第一端，所述第一二极管的阳极连接于风机的第二端。
优选地，所述逆变单元包括有第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管和第四MOS管，所述第一MOS管的漏极和第三MOS管的漏极均连接直流高电位，所述第一MOS管的源极与第二MOS管的漏极相连，所述第三MOS管的源极与第四MOS管的漏极相连，所述第二MOS管的源极和第四MOS管的源极相连后再通过限流电阻接地，所述第一MOS管的栅极、第二MOS管的栅极、第三MOS管的栅极和第四MOS管的栅极分别连接于PWM控制器，所述第一MOS管的源极和第三MOS管的源极构成交流信号输出端，所述PWM控制器用于执行控制单元发出的控制信号而驱动第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管和第四MOS管将直流电压逆变为交流电压。
优选地，还包括有发光二极管，所述发光二极管的阴极接地，所述发光二极管的阳极通过限流电阻而连接于主控制器，所述主控制器通过控制发光二极管的点亮状态而发出灯光提示。
本发明公开的光伏逆变器集成系统控制芯片中，由主控制器和PWM控制器构成控制单元，利用控制单元可以对逆变单元进行灵活控制，同时，通过调整切换开关，可以使得逆变单元输出的交流电压频率调整为50HZ、55HZ或60HZ，进而满足多个国家电网标准对电压频率的要求，具有较好的通用性和兼容性，此外，本发明结构简单、易于实现，适合在逆变控制技术领域中推广应用。
附图说明
图1为本发明逆变控制电路的原理图。
图2为控制单元的组成框图。
图3为控制单元封装后的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更加详细的描述。
本发明公开了一种光伏逆变器集成系统控制芯片，结合图1和图2所示，其包括有控制单元1和逆变单元2，所述控制单元1包括有主控制器10和PWM控制器11，所述主控制器10、PWM控制器11和逆变单元2依次电性连接，其中：
所述主控制器10用于发出控制信号；
所述PWM控制器11用于执行主控制器10的控制信号而输出脉冲信号；
所述逆变单元2用于执行PWM控制器11输出的脉冲信号而将直流电压逆变为交流电压；
所述主控制器10电连接于一切换开关S1的活动端，所述切换开关S1的第一端连接于直流供电端VDD，所述切换开关S1的第二端接地，当所述切换开关S1的活动端与第一端相连时，所述主控制器10通过调节PWM控制器11的脉冲信号频率而将逆变单元2输出的交流电压频率调整为60HZ；当所述切换开关S1的活动端与第二端相连时，所述主控制器10通过调节PWM控制器11的脉冲信号频率而将逆变单元2输出的交流电压频率调整为50HZ；当所述切换开关S1的活动端悬空时，所述主控制器10通过调节PWM控制器11的脉冲信号频率而将逆变单元2输出的交流电压频率调整为55HZ。
上述逆变控制电路中，通过将主控制器10和PWM控制器11集成而构成控制单元1，利用控制单元1可以对逆变单元2进行灵活控制，同时，通过调整切换开关S1，可以使得逆变单元2输出的交流电压频率调整为50HZ、55HZ或60HZ，进而满足多个国家电网标准对电压频率的要求，具有较好的通用性和兼容性，此外，本发明结构简单、易于实现，适合在逆变控制技术领域中推广应用。
作为一种优选方式，为了实现自动温控，还包括有热敏电阻R2、风机M1和NPN管Q5，所述热敏电阻R2用于采集逆变单元2的温度，所述风机M1的出风口朝向逆变单元2，所述热敏电阻R2的第一端连接于直流供电端VDD，所述热敏电阻R2的第二端通过分压电阻R8接地，所述热敏电阻R2的第二端还连接于主控制器10，所述风机M1的第一端用于接入12V供电电压，所述风机M1的第二端连接于NPN管Q5的集电极，所述NPN管Q5的发射极接地，所述NPN管Q5的基极连接于主控制器10，当所述热敏电阻R2第二端的电压大于预设值时，所述主控制器10控制风机M1运转，当所述热敏电阻R2第二端的电压小于预设值时，所述主控制器10控制风机M1停止运转。
关于温度采集部分，所述热敏电阻R2的第二端与主控制器10之间设有第一比较器U1和第二比较器U2，所述第一比较器U1的同相端用于接入2/3VDD电压，所述第二比较器U2的反相端用于接入1/3VDD电压，其中，VDD表示直流供电端VDD的电压值，所述热敏电阻R2的第二端连接于第一比较器U1的反相端和第二比较器U2的同相端，所述第一比较器U1和第二比较器U2的输出端连接于主控制器10，当所述热敏电阻R2的第二端电压小于1/3VDD时，所述主控制器10控制风机M1停止运转；当所述热敏电阻R2的第二端电压大于1/3VDD且小于2/3VDD时，所述主控制器10控制风机M1运转；当所述热敏电阻R2的第二端电压大于2/3VDD时，所述主控制器10进入过温保护状态并控制风机M1运转以及控制PWM控制器11停止输出脉冲信号。
其中，热敏电阻R2的温度上升时电阻降低且其第二端电压升高，热敏电阻R2的温度下降时电阻升高且其第二端电压降低，当热敏电阻R2的第二端电压小于1/3VDD时，说明逆变单元的温度较低，此时主控制器10控制风机M1停止运转；当热敏电阻R2的第二端电压大于1/3VDD且小于2/3VDD时，说明逆变单元温度有所升高，但未达到过热的程度，此时主控制器10控制风机M1运转；当热敏电阻R2的第二端电压大于2/3VDD时，说明逆变单元的温度过高、过热，主控制器10进入过温保护状态并控制风机M1运转以及控制PWM控制器11停止输出脉冲信号，进而实现了自动温度控制。
本实施例中，主控制器10可以使单片机。所述热敏电阻R2并联有第一电阻R1。所述风机M1并联有第一二极管D4，所述第一二极管D4的阴极连接于风机M1的第一端，所述第一二极管D4的阳极连接于风机M1的第二端。该第一二极管D4具有抑制反向电流的作用。
关于逆变单元的具体结构，所述逆变单元2包括有第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3和第四MOS管Q4，所述第一MOS管Q1的漏极和第三MOS管Q3的漏极均连接直流高电位HV+，所述第一MOS管Q1的源极与第二MOS管Q2的漏极相连，所述第三MOS管Q3的源极与第四MOS管Q4的漏极相连，所述第二MOS管Q2的源极和第四MOS管Q4的源极相连后再通过限流电阻R9接地，所述第一MOS管Q1的栅极、第二MOS管Q2的栅极、第三MOS管Q3的栅极和第四MOS管Q4的栅极分别连接于PWM控制器11，所述第一MOS管Q1的源极和第三MOS管Q3的源极构成交流信号输出端AC1、AC2，所述PWM控制器11用于执行控制单元1发出的控制信号而驱动第一MOS管Q1、第二MOS管Q2、第三MOS管Q3和第四MOS管Q4将直流电压逆变为交流电压。
本实施例中，为了实现灯光提示功能，还包括有发光二极管D3，所述发光二极管D3的阴极接地，所述发光二极管D3的阳极通过限流电阻R10而连接于主控制器10，所述主控制器10通过控制发光二极管D3的点亮状态而发出灯光提示。
实际应用中，结合图1至图3所示，主控制器10和PWM控制器11可以集成在一块芯片之内，即控制单元1以集成芯片BST08A的形式呈现。并具有如下特点：
1、工作电源的获得。在BST08A在20脚与1脚之间，内置有一个5V的LDO，通过把20脚输入的12V直流电压变为5V直流电压从1脚输出，电容C1为电源输入滤波电容，电容C2为电源输出滤波电容，除PWM部分外的供电均使用5V电压，由于系统使用稳压后的电源，使工作的可靠性和稳定性提高，并且省略了外部的降压电路
2、逆变输出频率的选择。由于世界电网工作频率的不同，销往不同的国家的产品必须与当地电网的频率相同。BST08A能提供50HZ，55HZ，60HZ三种频率输出，精度达到1.5％。通过芯片的3脚的接入方式决定工作频率，3脚接地时工作于50HZ，3脚悬空时工作于55HZ，3脚接1脚时时工作于60HZ。
3、输出电压的设置。母线电压会随前端供电或者电池变换类型的因素会有较大的波动，为使母线电压波动时，逆变器输出电压能相对比较稳定，系统对母线电压进行PWM调制，使输出电压的直流平均值相对稳定值。母线HV+的电压分压后进入芯片6脚，在任意时候，都会控制输出电压的PWM占空比，使输出电压为设定值。输出电压＝(FB外部分压比+1)*1V。
4、输出电流保护值设置。逆变器的输出功率是有限的，为使系统安全可靠，需要限制输出电流，当超过输出电流时，系统自动降低输出电压，从而避免过流。BST08A的第8脚是设定电流值引脚，该引脚电压超过0.5V时，进入过流保护状态，输出电压会降低。输出平均电流I＝0.5V*分压比/Rcs。
5、PWM自举和驱动。逆变器输出部分都是使用4只NMOS管组成的桥式输出，对于桥式高侧使用NMOS管时，为了使GATE级的电压高于SOURSE级，在没有另外的独立电源的电路结构下，通常使用自举电路完成。BST08A内部集成了自举电容的充电二极管和自举驱动，外围只需要一只电容就可以完成高侧NMOS管的驱动。当低侧的NMOS管导通时，电源电压从芯片12脚进入，通过内部的二极管对C4，C5充电。当高侧MOS管驱动信号来临时，由于C4或C5的负端接在NMOS管的SOURSE级，所以在GATE可以利用C4，C5正端的高电压进行驱动，使高侧的NMOS管得到导通。为了防止高侧和低侧的MOS管同时导通，BST08A内部设置了死区时间，典型值为5uS，防止引起同时导通短路电源烧坏MOS管
6、过热自动降温功能。逆变系统的功率器件在工作时会产生发热现象，利用BST08A的9脚的外围具有负温度系数的热敏电阻侦测温度，热敏电阻应紧贴需要侦测的器件，以降低温度误差。当热敏电阻与外部配置电阻的分压比达到2/4VDD时，通过FAN脚输出高电平驱动外部风机散热温低温度，温度降低到分压比为1/4VDD时，风机自动停止。若分压比达到3/4VDD，则判别为温度异常，进入过温保护，保护后系统锁定输出，并从STOP引脚输出一个高电平，需要重新上电才能再次启动。BST08A的4脚能输出最大20mA的电流驱动外部三极管去控制风机的工作与否。
7、其它保护功能。系统集成了其他的比如过压、过流、短路等功能，使系统的可靠性得以进一步提高。
该芯片BST08A以SOP20形式封装，芯片引脚如下：
关于芯片BST08A引脚的具体功能：
VDD：1脚VDD是由芯片20脚外接12V供电通过芯片内部的LDO稳压后产生的5V基准电压，并且此基准电压供给芯片内部的运放、比较器、MCU、PWM发生器等电路。
GND：2脚GND是芯片内部LDO的GND，接到芯片12V供电的负极。
F-ADJ：3脚F-ADJ直接与芯片内部MCU的采样端口连接，改变3脚与VDD和GND之间的两个外接电阻的阻值可以产生不同的电压由3脚输入到芯片内部的MCU采样端口，从而改变PWM的频率。
FAN：4脚FAN为风扇控制信号，4脚直接与芯片内部MCU的IO口相连，当芯片的NTC引脚采样到设定的电压值时MCU会输出一个电平信号给4脚，去控制外部风扇电路工作的开通与关断。
STOP：5脚STOP接芯片内部的MCU的IO口，当芯片采样到异常信号是MCU会通过IO口输出VDD电压信号给4脚，4脚外接报警电路从而产生异常报警信号，同时MCU会停止PWM信号的输出。
+VBB-FB：逆变器的AC输出电压通过采样电路，从芯片6脚+VBB-FB送给芯片内部的运放与比较器再送给内部的MCU，通过MCU来控制PWM的宽度来调节输出电压。
+VBB-OV：逆变器的母线电压通过采样电路由芯片的7脚+VBB-OV送给芯内部的运放，经运放再送给内部MCU。MCU通过+VBB-FB与+VBB-OV比较来调节PWM的宽度。
I+：逆变器的电流采样电路将电流采样信号经由8脚I+送给芯片内部的运放处理后再送给芯片内部MCU，由MCU来确定是否限流或保护。如果过流或过载MCU让芯片STOP脚输出报警信号。
NTC：外部温度采样电路通过9脚NTC先接芯片内部的运放与比较器进行信号处理再送给内部MCU的采样端口，由MCU来控制风扇控制信号的开通与关断及判定是否过温保护。如果过温保护会让芯片STOP脚输出报警信号。
OC-REST：10脚OC-REST外接RC电路直接与内部MCU的IO口相连，改变RC的值可以改变MCU过流保护的时间。
GND：11脚GND为芯片内部驱动信号的接地端。
Q2P：12脚Q2P，由芯片内部的MCU与PWM信号发生器产生的5V PWM信号再经芯片内部的MOS管进行电平转换为12V/100mA驱动信号给逆变桥的下管Q2驱动信号。
LA：13脚LA，逆变器的输出L线直接通过13脚LA与芯片内部的MOS相接。
Q1P：14脚Q1P，由芯片内部的MCU与PWM信号发生器产生的5V PWM信号再经芯片内部自举升压电路的进行电平转换为12V/100mA的驱动信号给逆变桥的上管Q1驱动信号。
VB-LA：15脚VB-LA，逆变器的输出L线经15脚送到芯片内部的自举升压电路为逆变桥的Q1管提供自举驱动信号。
Q4P：16脚Q4P，由芯片内部的MCU与PWM信号发生器产生的5V PWM信号再经芯片内部的MOS管进行电平转换为12V/100mA的驱动信号给逆变桥的下管Q4驱动信号。
N：17脚N，逆变器的输出N线直接通过17脚N与芯片内部的MOS相接。
Q3P：18脚Q3P，由芯片内部的MCU与PWM信号发生器产生的5V PWM信号再经芯片内部自举升压电路的进行电平转换为12V/100mA的驱动信号给逆变桥的上管Q3驱动信号。
VB-N：19脚VB-N，逆变器的输出L线经15脚送到芯片内部的自举升压电路为逆变桥的Q3管提供自举驱动信号。
+12V：20脚+12V为芯片外接总供电脚，内部分两路，一路给LDO产生5V基准电压供给芯片内部电路，另一路12V供给芯片内部的驱动电路，将MCU产生的5V驱动电平转换为12V驱动电平信号。
该芯片BST08A的参数如下：
本发明公开的光伏逆变器集成系统控制芯片，其具有自动稳定输出电压作用，输出电压使用直流平均值算法，通过调节外部母线对VBB-FB的分压，能自动稳定输出，输出电压＝(FB外部分压比+1)*1V，通过调节外部母线对VBB-FB的分压，能实现过压自动停止工作，并且从STOP引脚输出一个高电平，保护电压＝(OV外部分压比+1)*1V，具有电压回滞功能。输出电流调节及恒流输出方面，本发明能够对输出电流进行采样，采样算法使用直流平均值算法，平均电流I＝0.5V*分压比/Rcs，超过电流设定值的110％时，进入降低输出电压的模式，维持电流不超过设定值，当输出电流瞬间超过设定值时，进入过流保护，恢复时间由外部电容决定，进入保护状态。将主控制器和PWM控制器集成后的BST08A是一款集成功能的逆变器后级控制芯片，采用高压工艺和内置自举电路，能直接驱动NMOS管组成的桥式逆变输出，而外围只需要极少的元件。由于采用了灵活的电路结构，使之具有恒压-恒流输出功能，各种输出参数可调，并具有一系列的异常保护功能，使之具有高灵活性，高可靠性。
以上所述只是本发明较佳的实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的技术范围内所做的修改、等同替换或者改进等，均应包含在本发明所保护的范围内。

Claims (7)

1.一种光伏逆变器集成系统控制芯片，其特征在于，包括有控制单元和逆变单元，所述控制单元包括有主控制器和PWM控制器，所述主控制器、PWM控制器和逆变单元依次电性连接，其中：
所述主控制器用于发出控制信号；
所述PWM控制器用于执行主控制器的控制信号而输出脉冲信号；
所述逆变单元用于执行PWM控制器输出的脉冲信号而将直流电压逆变为交流电压；
所述主控制器电连接于一切换开关的活动端，所述切换开关的第一端连接于直流供电端，所述切换开关的第二端接地，当所述切换开关的活动端与第一端相连时，所述主控制器通过调节PWM控制器的脉冲信号频率而将逆变单元输出的交流电压频率调整为60HZ；当所述切换开关的活动端与第二端相连时，所述主控制器通过调节PWM控制器的脉冲信号频率而将逆变单元输出的交流电压频率调整为50HZ；当所述切换开关的活动端悬空时，所述主控制器通过调节PWM控制器的脉冲信号频率而将逆变单元输出的交流电压频率调整为55HZ。
2.如权利要求1所述的光伏逆变器集成系统控制芯片，其特征在于，还包括有热敏电阻、风机和NPN管，所述热敏电阻用于采集逆变单元的温度，所述风机的出风口朝向逆变单元，所述热敏电阻的第一端连接于直流供电端，所述热敏电阻的第二端通过分压电阻接地，所述热敏电阻的第二端还连接于主控制器，所述风机的第一端用于接入12V供电电压，所述风机的第二端连接于NPN管的集电极，所述NPN管的发射极接地，所述NPN管的基极连接于主控制器，当所述热敏电阻第二端的电压大于预设值时，所述主控制器控制风机运转，当所述热敏电阻第二端的电压小于预设值时，所述主控制器控制风机停止运转。
3.如权利要求2所述的光伏逆变器集成系统控制芯片，其特征在于，所述热敏电阻的第二端与主控制器之间设有第一比较器和第二比较器，所述第一比较器的同相端用于接入2/3VDD电压，所述第二比较器的反相端用于接入1/3VDD电压，其中，VDD表示直流供电端的电压值，所述热敏电阻的第二端连接于第一比较器的反相端和第二比较器的同相端，所述第一比较器和第二比较器的输出端连接于主控制器，当所述热敏电阻的第二端电压小于1/3VDD时，所述主控制器控制风机停止运转；当所述热敏电阻的第二端电压大于1/3VDD且小于2/3VDD时，所述主控制器控制风机运转；当所述热敏电阻的第二端电压大于2/3VDD时，所述主控制器进入过温保护状态并控制风机运转以及控制PWM控制器停止输出脉冲信号。
4.如权利要求2所述的光伏逆变器集成系统控制芯片，其特征在于，所述热敏电阻并联有第一电阻。
5.如权利要求2所述的光伏逆变器集成系统控制芯片，其特征在于，所述风机并联有第一二极管，所述第一二极管的阴极连接于风机的第一端，所述第一二极管的阳极连接于风机的第二端。
6.如权利要求1所述的光伏逆变器集成系统控制芯片，其特征在于，所述逆变单元包括有第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管和第四MOS管，所述第一MOS管的漏极和第三MOS管的漏极均连接直流高电位，所述第一MOS管的源极与第二MOS管的漏极相连，所述第三MOS管的源极与第四MOS管的漏极相连，所述第二MOS管的源极和第四MOS管的源极相连后再通过限流电阻接地，所述第一MOS管的栅极、第二MOS管的栅极、第三MOS管的栅极和第四MOS管的栅极分别连接于PWM控制器，所述第一MOS管的源极和第三MOS管的源极构成交流信号输出端，所述PWM控制器用于执行控制单元发出的控制信号而驱动第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管和第四MOS管将直流电压逆变为交流电压。
7.如权利要求1所述的光伏逆变器集成系统控制芯片，其特征在于，还包括有发光二极管，所述发光二极管的阴极接地，所述发光二极管的阳极通过限流电阻而连接于主控制器，所述主控制器通过控制发光二极管的点亮状态而发出灯光提示。
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