芯片TL494光伏离网逆变器的设计
芯片TL494光伏离网逆变器的设计[20200408101533]
摘 要
小型光伏离网逆变器就是一种能把光伏电板发出的12V直流电转化为220V/50Hz交流电的电子设备。
本文主要需要设计的是一个作为光伏离网的发电系统的关键设备的离网逆变器，是建立在低成本集成芯片TL494基础上的设计，来达到小功率负载运用场合的要求。逆变电路可以分为两个部分，每一个芯片TL494都作为一级控制电路的核心，第一部分是高频PWM开关电源技术的应用，将光伏电池等供给的12V的直流输入电压，转换变成直流脉冲电压，并通过一个桥式整流器，滤波器得到直流300V电压；该电路的第二部分是脉宽调制逆变输出，实现将约300V直流电压转换变成约50Hz/220V的交流电压。这种两级转换拓扑结构提供了可靠、简单的功能，易于软、硬件模块化设计。除了DC/DC，逆变等电路，还需要设计防止过压、过流、过热等异常工作条件的保护电路。
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关键字:离网逆变器光伏发电脉宽调制TL494
目录
第一章 绪论 1
1.1 光伏发电原理 1
1.2 逆变技术的发展形势 2
1.3 本设计的目标实现 3
第二章 逆变器的主要技术指标 4
2.1 光伏逆变器的分类 4
2.2 几种常见逆变电路 4
2.2.1 单端正激变换电路 5
2.2.2 推挽式逆变电路 5
2.2.3 半桥式逆变电路 7
2.2.4 全桥式变换电路 8
2.2.5 单相全桥正弦波逆变电路 9
2.3 DC-AC变换器的方案论证与选择 10
2.4 设计要求及系统指标 10
2.5 设计总体方案 11
第三章 逆变电路设计与实现 12
3.1 逆变器拓扑分析 12
3.2 逆变器原理 13
3.2.1 直流电输入电路的设计 15
3.2.2 DC/DC变换电路的设计 15
3.2.3 整流滤波电路的设计 17
3.2.4 单相桥式逆变电路的设计 17
3.2.5 LM324外围电路的设计 18
3.2.6 TL494外围电路的设计 19
3.3 电路封装PCB 23
第四章 设计结果与调试 24
4.1 实物制作基本步骤 24
4.2 设计结果实现 24
4.3 实物测试数据 25
第五章 总结 28
参考文献 29
致谢 30
第一章 绪论
丰富的太阳能资源分布广泛，是21世纪最有前途的可再生能源。随着时代的发展，全世界能源的缺乏以及环境污染等问题的日渐突出，由于具有干净、安全、方便、效率高等优点，光伏发电已发展成为一个新的行业，在全世界普遍得到关注和重点发展。
中国正处在经济转型以及蓬勃发展的时代，动力问题将更加突出，主要体现在：能源的缺乏、环境的污染、温室效应，为针对迫在眉睫的化石燃料能源的枯竭，渐渐地，为保护人类赖以生存的地球上的生态环境，我们必须采取能源可持续发展的道路，太阳能凭借其独特的储量大、普遍存在、使用经济、清洁的环境等优点，使得它的使用更加得到人们的普遍关心。清洁的太阳能必将完成从补充能源到替代能源的过渡。
1.1 光伏发电原理
光伏发电是能够直接将太阳辐射出的光能转换变成电能输出的发电形式，其中包含了光化学，光诱导以及光伏发电。光伏发电是太阳能直接照射到功率型电能的太阳能电池板，是利用光生伏特效应。光伏系统的主要的构成部件有光伏电板、控制器、蓄电池和逆变器。光伏发电的方式也有许多的优点，比如说可靠性高，使用寿命较长，无环境污染，不仅能够使用在独立发电的设备中，也能在并网系统中运行，许多国家组织的关注度较高，有着广阔的发展前景。其内部结构如图1.1，等效电路图如图1.2所示。
图1.1 光伏电池的内部结构和工作原理图
图1.2 太阳电池等效电路模型
光伏电池的发电原理是：当半导体PN结上有太阳光照射时，一个新的电子空穴对就形成了，这时在PN结内电场的诱导下，N区的空穴向P区流动，P区的电子向N区流动，形成通路后就电流就产生了。太阳能发电有两种类型，光能到热能再到电能，间接转换的方法，另外是光能到电能的直接转换形式。
（1） 光热电转变的形式是用热能发电，通常是将集热器吸收到的热能转化成蒸气，并启动涡轮机发电。前一个过程是光热转换过程；热电转换过程后，类似于一个普通的电源，太阳能热发电具有低效率、高成本等诸多弊端，据估计，其投资是一般火电站的投资的5～10倍多。
（2） 光电直接转换的形式是用光生伏特效应来发电，把太阳光辐射出的能量直接转换变成电能量，其基础元件就是太阳能光伏发电电板。当阳光照射到光伏组件面板的时候，就将太阳的光能转换成了电能，而同时就产生了电流，串联或并联组成的太阳能电池阵列增大输出功率。光伏电池是一种新型的而且是一种很有前途的电源，是永久的、清洁的和灵活的。光伏电池有一个很长的使用寿命，只要有阳光，光伏电池可以使用很长时间；与传统的火力发电、核发电相比较，光伏发电的环境污染很小。
与现有的主要发电相比，光伏发电系统具有以下特点：在工作点的变化较快，这是由于光伏发电系统由外部环境因素如光，温度的影响大；能源输入端的功率不可以积极参与调控的技术范畴，而是被迫跟踪在即时光线条件下的最大功率点，实现发电系统的最大输出；光伏发电装置是直流输出的，所以要将直流高质量地转换为交流电才能满足一般负载用户的需求[1]。
1.2 逆变技术的发展形势
逆变器开始于二十世纪六十年代，逆变器与电力电子设备的发展是同步的，设备的发展带动了逆变器的发展[19]。随着光伏发电的日益普及，无电用的地区光伏发电系统的需求也不断提高。用于光伏能量转换装置的核心组成部分的光伏逆变器，承担了重要的角色，将直流转换为交流电源供给负载或电源。正弦波逆变器的直流电源装置可以使振幅和频率与市电电源相同。根据交流电压是否与电网相连，逆变器分为并网逆变器和离网逆变器。
早期，逆变器通常是用晶闸管来作为其开关管，叫可控硅逆变器。因为SCR是没有自关断能力的装置，它必须是通过增加换向电路来强制关闭SCR，SCR的换向电路限制逆变器的进一步发展。半导体的制造水平的提高以及变流技术的发展，使得自关断的电力电子设备崭露头角，出现了一大批的功率开关管：如电力型晶体管，关断型晶闸管，功率场效应型晶体管，绝缘栅双极型晶体管等[1]。由于这些晶体管在逆变器电路中的使用，使得逆变器的工作能力有了很大的提高。而自关断器件提高了开关的频率。
现在国内光伏逆变市场规模不大，有很多国内制造商制造的逆变器，但制造专用于光伏系统发电的逆变器很少，但大多数国内的企业在逆变器行业有多年的研究 ，其规模和竞争力都是客观的，然而在质量上国内的技术与国外还具有不少的距离。目前多数公司用于光伏系统 的产品呈上升的趋势。
电力电子技术的飞速发展，使得行业提高了对逆变控制器的性能要求，有更大的发展，现在，一些逆变器的主要发展趋势[2]：
(1)高频化；(2)高性能化；(3)并联及模块化；(4)小型化；(5)高输入功率因数化；(6)数字化；(7)智能化。
1.3 本设计的目标实现
在设计的初期，先对逆变器的工作原理进行分析了解，并搜集一系列的资料，分析对比各种形式的逆变电路设计的优缺点，从中选择我本次设计所涉及到的方面进行分析整理。在此基础之上就开始电路原理图的分析与设计，利用Protel DXP软件来制作电路原理图，并且分模块进行每个模块的作用分析与电路设计，总体电路由欠压保护电路、过压保护电路、热保护电路、输出过压保护电路、输出过流保护电路以及两部分的逆变电路组成。
摘 要
小型光伏离网逆变器就是一种能把光伏电板发出的12V直流电转化为220V/50Hz交流电的电子设备。
本文主要需要设计的是一个作为光伏离网的发电系统的关键设备的离网逆变器，是建立在低成本集成芯片TL494基础上的设计，来达到小功率负载运用场合的要求。逆变电路可以分为两个部分，每一个芯片TL494都作为一级控制电路的核心，第一部分是高频PWM开关电源技术的应用，将光伏电池等供给的12V的直流输入电压，转换变成直流脉冲电压，并通过一个桥式整流器，滤波器得到直流300V电压；该电路的第二部分是脉宽调制逆变输出，实现将约300V直流电压转换变成约50Hz/220V的交流电压。这种两级转换拓扑结构提供了可靠、简单的功能，易于软、硬件模块化设计。除了DC/DC，逆变等电路，还需要设计防止过压、过流、过热等异常工作条件的保护电路。
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关键字:离网逆变器光伏发电脉宽调制TL494
目录
第一章 绪论 1
1.1 光伏发电原理 1
1.2 逆变技术的发展形势 2
1.3 本设计的目标实现 3
第二章 逆变器的主要技术指标 4
2.1 光伏逆变器的分类 4
2.2 几种常见逆变电路 4
2.2.1 单端正激变换电路 5
2.2.2 推挽式逆变电路 5
2.2.3 半桥式逆变电路 7
2.2.4 全桥式变换电路 8
2.2.5 单相全桥正弦波逆变电路 9
2.3 DC-AC变换器的方案论证与选择 10
2.4 设计要求及系统指标 10
2.5 设计总体方案 11
第三章 逆变电路设计与实现 12
3.1 逆变器拓扑分析 12
3.2 逆变器原理 13
3.2.1 直流电输入电路的设计 15
3.2.2 DC/DC变换电路的设计 15
3.2.3 整流滤波电路的设计 17
3.2.4 单相桥式逆变电路的设计 17
3.2.5 LM324外围电路的设计 18
3.2.6 TL494外围电路的设计 19
3.3 电路封装PCB 23
第四章 设计结果与调试 24
4.1 实物制作基本步骤 24
4.2 设计结果实现 24
4.3 实物测试数据 25
第五章 总结 28
参考文献 29
致谢 30
第一章 绪论
丰富的太阳能资源分布广泛，是21世纪最有前途的可再生能源。随着时代的发展，全世界能源的缺乏以及环境污染等问题的日渐突出，由于具有干净、安全、方便、效率高等优点，光伏发电已发展成为一个新的行业，在全世界普遍得到关注和重点发展。
中国正处在经济转型以及蓬勃发展的时代，动力问题将更加突出，主要体现在：能源的缺乏、环境的污染、温室效应，为针对迫在眉睫的化石燃料能源的枯竭，渐渐地，为保护人类赖以生存的地球上的生态环境，我们必须采取能源可持续发展的道路，太阳能凭借其独特的储量大、普遍存在、使用经济、清洁的环境等优点，使得它的使用更加得到人们的普遍关心。清洁的太阳能必将完成从补充能源到替代能源的过渡。
1.1 光伏发电原理
光伏发电是能够直接将太阳辐射出的光能转换变成电能输出的发电形式，其中包含了光化学，光诱导以及光伏发电。光伏发电是太阳能直接照射到功率型电能的太阳能电池板，是利用光生伏特效应。光伏系统的主要的构成部件有光伏电板、控制器、蓄电池和逆变器。光伏发电的方式也有许多的优点，比如说可靠性高，使用寿命较长，无环境污染，不仅能够使用在独立发电的设备中，也能在并网系统中运行，许多国家组织的关注度较高，有着广阔的发展前景。其内部结构如图1.1，等效电路图如图1.2所示。
图1.1 光伏电池的内部结构和工作原理图
图1.2 太阳电池等效电路模型
光伏电池的发电原理是：当半导体PN结上有太阳光照射时，一个新的电子空穴对就形成了，这时在PN结内电场的诱导下，N区的空穴向P区流动，P区的电子向N区流动，形成通路后就电流就产生了。太阳能发电有两种类型，光能到热能再到电能，间接转换的方法，另外是光能到电能的直接转换形式。
（1） 光热电转变的形式是用热能发电，通常是将集热器吸收到的热能转化成蒸气，并启动涡轮机发电。前一个过程是光热转换过程；热电转换过程后，类似于一个普通的电源，太阳能热发电具有低效率、高成本等诸多弊端，据估计，其投资是一般火电站的投资的5～10倍多。
（2） 光电直接转换的形式是用光生伏特效应
与现有的主要发电相比，光伏发电系统具有以下特点：在工作点的变化较快，这是由于光伏发电系统由外部环境因素如光，温度的影响大；能源输入端的功率不可以积极参与调控的技术范畴，而是被迫跟踪在即时光线条件下的最大功率点，实现发电系统的最大输出；光伏发电装置是直流输出的，所以要将直流高质量地转换为交流电才能满足一般负载用户的需求[1]。
1.2 逆变技术的发展形势
逆变器开始于二十世纪六十年代，逆变器与电力电子设备的发展是同步的，设备的发展带动了逆变器的发展[19]。随着光伏发电的日益普及，无电用的地区光伏发电系统的需求也不断提高。用于光伏能量转换装置的核心组成部分的光伏逆变器，承担了重要的角色，将直流转换为交流电源供给负载或电源。正弦波逆变器的直流电源装置可以使振幅和频率与市电电源相同。根据交流电压是否与电网相连，逆变器分为并网逆变器和离网逆变器。
早期，逆变器通常是用晶闸管来作为其开关管，叫可控硅逆变器。因为SCR是没有自关断能力的装置，它必须是通过增加换向电路来强制关闭SCR，SCR的换向电路限制逆变器的进一步发展。半导体的制造水平的提高以及变流技术的发展，使得自关断的电力电子设备崭露头角，出现了一大批的功率开关管：如电力型晶体管，关断型晶闸管，功率场效应型晶体管，绝缘栅双极型晶体管等[1]。由于这些晶体管在逆变器电路中的使用，使得逆变器的工作能力有了很大的提高。而自关断器件提高了开关的频率。
现在国内光伏逆变市场规模不大，有很多国内制造商制造的逆变器，但制造专用于光伏系统
电力电子技术的飞速发展，使得行业提高了对逆变控制器的性能要求，有更大的发展，现在，一些逆变器的主要发展趋势[2]：
(1)高频化；(2)高性能化；(3)并联及模块化；(4)小型化；(5)高输入功率因数化；(6)数字化；(7)智能化。
1.3 本设计的目标实现
在设计的初期，先对逆变器的工作原理进行分析了解，并搜集一系列的资料，分析对比各种形式的逆变电路设计的优缺点，从中选择我本次设计所涉及到的方面进行分析整理。在此基础之上就开始电路原理图的分析与设计，利用Protel DXP软件来制作电路原理图，并且分模块进行每个模块的作用分析与电路设计，总体电路由欠压保护电路、过压保护电路、热保护电路、输出过压保护电路、输出过流保护电路以及两部分的逆变电路组成。
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