一種互動(dòng)式逆變器用市電切換電路設(shè)計(jì)

林 為，鄧勝釗

（1.佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528137；2.佛山欣頓電源科技有限公司，廣東 佛山 528000）

0 引 言

逆變器（Inverter）是把直流電轉(zhuǎn)變成交流電（一般為市電電壓，波形為正弦或方波）的裝置，所用的直流電源是蓄電池。光伏逆變器則使用太陽能光伏電池板和蓄電池的組合作為輸入。

從輸入端看，逆變器或光伏逆變器分為兩類。一類不需要依賴市電，將蓄電池的電能逆變成市電，向用電設(shè)備（負(fù)載）供電。這類逆變器的蓄電池必須通過其他充電設(shè)備或通過光伏電池板進(jìn)行充電。另一類是互動(dòng)式逆變器，帶有市電輸入。當(dāng)市電電壓正常時(shí)，將市電直接旁路或做必要的穩(wěn)壓處理后向負(fù)載供電。當(dāng)市電停電或者電壓超出正常范圍時(shí)，切換到逆變回路給負(fù)載供電。這類逆變器通過自帶的充電電路或通過逆變電路反向工作[1]，對(duì)電池進(jìn)行充電。

互動(dòng)式逆變器進(jìn)行市電與逆變回路切換時(shí)，必須解決兩方面問題：一是偵測(cè)市電是否存在以及電壓是否正常，對(duì)于并網(wǎng)型逆變器還要偵測(cè)市電的相位和頻率；二是切換時(shí)間不能超過應(yīng)用場(chǎng)合的要求（通常在10 ms以內(nèi)），越短越好。

1 常用的市電檢測(cè)方法

在開關(guān)電源領(lǐng)域，對(duì)市電進(jìn)行采樣偵測(cè)的技術(shù)，通常有以下方式。

（1）用電阻、電容器或變壓器對(duì)220 V交流電壓進(jìn)行降壓，再進(jìn)行整流、濾波變?yōu)橹绷鞯蛪?，然后通過光耦進(jìn)行隔離，將采樣信號(hào)送給CPU；

（2）通過電阻分壓、運(yùn)放等構(gòu)成精密檢波電路進(jìn)行幅值檢測(cè)，構(gòu)成電壓比較器（施密特觸發(fā)器）進(jìn)行頻率、相位檢測(cè)，結(jié)果再送到CPU處理；

（3）采用運(yùn)放構(gòu)成差分放大電路，將220 V交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪簃形（饅頭波）信號(hào)，再送到CPU A/D端口進(jìn)行幅值檢測(cè)，同時(shí)利用三極管對(duì)運(yùn)放輸出的信號(hào)進(jìn)行整形，檢測(cè)相位和頻率。

圖1是某型號(hào)UPS的市電電壓檢測(cè)電路[2]。

采用以上方式的市電偵測(cè)電路，所需元件多、電路復(fù)雜、成本較高，且要占用CPU或單片機(jī)資源。

針對(duì)中低端互動(dòng)式逆變器，市場(chǎng)需求更加注重成本和可靠性。本文設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單實(shí)用且安全可靠的市電電壓偵測(cè)電路，同時(shí)利用新穎的方法縮短切換，有利于降低產(chǎn)品成本，增加可靠性和穩(wěn)定性，改善性能（縮短切換時(shí)間）。

2 電路及原理說明

一種互動(dòng)式逆變器用市電切換電路，如圖2所示。圖2中，IP/L和IP/N分別為輸入市電的火線和零線，OP/L和OP/N分別為逆變輸出的火線和零線，OUT/L和OUT/N分別為逆變器最終輸出到負(fù)載的火線和零線。

輸入的市電電壓經(jīng)過電阻R1～R4降壓，再經(jīng)過D1～D4整流以及C1、C2濾波后，在D5負(fù)極得到一定幅值的直流電壓Va。逆變器要實(shí)現(xiàn)的功能，舉例描述如下：當(dāng)市電電壓在210～230 V時(shí)，逆變器切換到市電給負(fù)載供電；當(dāng)市電跌至200 V時(shí)，為保證負(fù)載正常工作，逆變器切換到逆變回路對(duì)負(fù)載供電；當(dāng)市電升至240 V時(shí)，為保護(hù)負(fù)載不因高壓損毀，逆變器也切換到逆變回路對(duì)負(fù)載供電。實(shí)際應(yīng)用中，這些電壓閾值可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

圖1 某型號(hào)UPS的市電電壓檢測(cè)電路

圖2 一種互動(dòng)式逆變器用的市電切換電路

當(dāng)市電電壓在210～230 V時(shí)，U1A同相端（腳3）的電壓應(yīng)高于反相端電壓（5 V），U1A輸出5 V的高電平。同時(shí)，U1B反相端（腳6）的電壓應(yīng)低于同相端電壓（5 V），因而U1B輸出5 V的高電平，即I/P-RLY為高電平，三極管Q2導(dǎo)通，繼電器RY1的線圈通電，將市電IP/L和IP/N直接旁路輸出到OUT/L和OUT/N。

當(dāng)輸入的市電低至200 V時(shí)，此時(shí)U1A同相端（腳3）的電壓應(yīng)低于反相端電壓（5 V），U1A輸出低電平。因?yàn)閁1A的輸出連接到U1B同相端，直接將U1B同相端電平拉到0 V左右。這時(shí)U1B反相端（腳6）的電壓必然高于同相端電壓（0 V），因而U1B輸出（即I/P-RLY）為低電平，三極管Q2關(guān)斷，繼電器RY1的線圈失電，逆變器的輸出切換到逆變回路，保證輸出電壓為220 V，從而確保負(fù)載正常工作。

當(dāng)輸入的市電高達(dá)240 V時(shí)，此時(shí)U1A同相端（腳3）的電壓應(yīng)高于反相端電壓（5 V），U1A輸出高電平，U1B反相端（腳6）的電壓應(yīng)高于U1B同相端電壓（5 V），U1B輸出（即I/P-RLY）為低電平，三極管Q2關(guān)斷，繼電器RY1的線圈失電，逆變器的輸出切換到逆變回路，從而使負(fù)載免于市電過高電壓的影響而損毀，確保其正常工作。

圖2中，當(dāng)市電停電或斷電時(shí)，U1A輸出低電平，U1B同相端也是低電平（零點(diǎn)幾伏），但反向端為0 V，U1B將輸出高電平（5V ），從而引起控制功能失效。為此，增加R10和D6，確保U1B輸出低電平，防止繼電器誤動(dòng)作。

為了實(shí)現(xiàn)上述功能，必須仔細(xì)設(shè)計(jì)降壓電阻R1～R4以及分壓電阻R6和R8的阻值。

兼顧降壓電阻的功耗與系統(tǒng)工作可靠性，取R1～R4均為100 kΩ。對(duì)應(yīng)各輸入市電電壓，通過仿真可知Va的值如表1所示。

表1 市電電壓與直流電壓Va對(duì)應(yīng)表

設(shè)電阻R8=x，電阻R6=y，電壓低端切換的回差電壓為200～210 V，則x需滿足：

從而解得43.75＜x＜45.96，取x=45 kΩ。

電壓高端切換的回差電壓為230～240 V，則y需滿足：

從而解得37.92＜y＜39.91，取y=39 kΩ。

電容倍壓原理很早就用于倍壓整流[3]。實(shí)際上，利用電容的電荷泵原理，可以實(shí)現(xiàn)很多工程上的應(yīng)用。圖2中，Q1、D7、C3、R15構(gòu)成繼電器切換加速電路，利用電荷泵原理說明如下：當(dāng)Q2關(guān)斷時(shí)（逆變器輸出為逆變模式），C3通過D7和R15充電，兩端電壓接近12 V；當(dāng)Q2導(dǎo)通的瞬間，Q1也導(dǎo)通，此時(shí)12 V電源通過Q1接到C3的負(fù)極，電源電壓疊加電容兩端的電壓一并加到繼電器線圈形成倍壓效果，加速繼電器吸合，從而加快從逆變模式向市電的轉(zhuǎn)換。

3 結(jié) 論

雖說逆變器或光伏逆變器采用MCU或單片機(jī)控制已成常態(tài)，但在中低端市場(chǎng)中由于價(jià)格制約，低成本成為產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的重要保證。本文論述的電路不必占用MCU或單片機(jī)資源，用普通元器件巧妙組合，構(gòu)建了一種簡(jiǎn)單實(shí)用且安全可靠的市電偵測(cè)電路，實(shí)現(xiàn)了市電與逆變的正常切換，同時(shí)利用電容倍壓原理加快繼電器工作，縮短切換時(shí)間。

由于兩路分壓電阻（R7和R8、R5和R6）的阻值都在數(shù)十兆歐姆以上，消耗電流甚小，因此可以利用電阻（R1～R4）對(duì)市電進(jìn)行降壓，再整流濾波。這樣比較器輸入端周邊的電壓大幅下降，有利于安規(guī)設(shè)計(jì)，避免因電氣間距或爬電距離不足引起的安全問題。