ZHCUBL4A December   2023  – August 2024

 

  1.   1
  2.   说明
  3.   资源
  4.   特性
  5.   应用
  6.   6
  7. 1系统说明
    1. 1.1 主要系统规格
    2. 1.2 具有升压转换器的 PV 输入
    3. 1.3 双向直流/直流转换器
    4. 1.4 直流/交流转换器
  8. 2系统设计原理
    1. 2.1 升压转换器
      1. 2.1.1 电感器设计
      2. 2.1.2 整流器二极管选型
      3. 2.1.3 MPPT 运行
    2. 2.2 双向直流/直流转换器
      1. 2.2.1 电感器设计
      2. 2.2.2 低压侧电容器
      3. 2.2.3 高压侧电容器
    3. 2.3 直流/交流转换器
      1. 2.3.1 升压电感器设计
      2. 2.3.2 直流链路电容器
  9. 3系统概述
    1. 3.1 方框图
    2. 3.2 设计注意事项
      1. 3.2.1 升压转换器
        1. 3.2.1.1 高频 FET
        2. 3.2.1.2 输入电压和电流检测
      2. 3.2.2 双向直流/直流转换器
        1. 3.2.2.1 高频 FET
        2. 3.2.2.2 电流和电压测量
        3. 3.2.2.3 输入继电器
      3. 3.2.3 直流/交流转换器
        1. 3.2.3.1 高频 FET
        2. 3.2.3.2 电流测量
        3. 3.2.3.3 电压测量
        4. 3.2.3.4 辅助电源
        5. 3.2.3.5 无源器件选择
    3. 3.3 主要产品
      1. 3.3.1  TMDSCNCD280039C - TMS320F280039C 评估模块 C2000™ MCU controlCARD™
      2. 3.3.2  LMG3522R030 具有集成式驱动器、保护和温度报告功能的 650V 30mΩ GaN FET
      3. 3.3.3  TMCS1123 - 精密霍尔效应电流传感器
      4. 3.3.4  AMC1302 - 具有 ±50mV 输入电压的增强型隔离式精密放大器
      5. 3.3.5  ISO7741 EMC 性能优异的四通道、3 个正向、1 个反向增强型数字隔离器
      6. 3.3.6  ISO7762 EMC 性能优异的六通道、4 个正向、2 个反向增强型数字隔离器
      7. 3.3.7  UCC14131-Q1 汽车类、1.5W、12V 至 15V VIN、12V 至 15V VOUT、高密度、> 5kVRMS 隔离式直流/直流模块
      8. 3.3.8  ISOW1044 具有集成直流/直流电源的低辐射、5kVRMS 隔离式 CAN FD 收发器
      9. 3.3.9  ISOW1412 具有集成电源的低辐射、500kbps、增强型隔离式 RS-485、RS-422 收发器
      10. 3.3.10 OPA4388 四通道、10MHz、CMOS、零漂移、零交叉、真 RRIO 精密运算放大器
      11. 3.3.11 OPA2388 双通道、10MHz、CMOS、零漂移、零交叉、真 RRIO 精密运算放大器
      12. 3.3.12 INA181 26V 双向 350kHz 电流检测放大器
  10. 4硬件、软件、测试要求和测试结果
    1. 4.1 硬件要求
    2. 4.2 注释
    3. 4.3 测试设置
      1. 4.3.1 升压级
      2. 4.3.2 双向直流/直流级 - 降压模式
      3. 4.3.3 直流/交流级
    4. 4.4 测试结果
      1. 4.4.1 升压转换器
      2. 4.4.2 双向直流/直流转换器
        1. 4.4.2.1 降压模式
        2. 4.4.2.2 升压模式
      3. 4.4.3 直流/交流转换器
  11. 5设计和文档支持
    1. 5.1 设计文件
      1. 5.1.1 原理图
      2. 5.1.2 BOM
    2. 5.2 工具与软件
    3. 5.3 文档支持
    4. 5.4 支持资源
    5. 5.5 商标
  12. 6关于作者
  13. 7修订历史记录

3.2.3.5 无源器件选择

如图 3-11 所示，直流/交流级中存在多个无源器件。以下部分详细介绍了每个无源器件设计背后的理论。EMI 滤波器设计由两个升压电感器、两个共模扼流圈以及一个 CX 和 CY 安全电容器网络组成。

TIDA-010938 直流/交流滤波器方框图图 3-11 直流/交流滤波器方框图
  • 升压电感器选择

升压电感器的设计对于寻找可实现出色滤波器效率和极小滤波器体积的理想 EMI 滤波器至关重要。升压电感器的主要作用是滤除开关频率谐波，有必要牢记电流纹波的计算方式并选择能够承受计算得出的电流纹波的磁芯材料。升压电感器被进一步拆分，以便为各个开关节点提供更好的共模滤波能力和更好的滤波能力。

许多标准的发射屏蔽从 150kHz 开始；因此，选择低于 150kHz 的开关频率始终是一种很好的设计做法。在此设计中，为 H 桥双极和 HERIC 直流/交流拓扑选择 87kHz 的开关频率。对于采用单极调制方案的 H 桥，根据拓扑定义，输出 EMI 滤波器处的开关频率效应会加倍。因此，采用了 43.5kHz 的开关频率。通过选择 87kHz 的工作频率，一次谐波不需要明显衰减，而只需要对二次谐波、三次谐波等后续谐波进行衰减。当具有 230VAC 输出时，为升压电感器选择 30% 的电流纹波系数。电感值通过方程式 16 计算得出。

方程式 16. L≥520 V4×4600 W230 V×2×0.3×87000 Hz

计算出等于 176μH 的电感值。本设计选择 Bourns 145453，这是一个额定值为 87μH/20 RMS 的电感器。电感器在两个桥臂上进行拆分，以提供更好的共模能力。通常，升压电感器对差分和共模噪声有影响。

  • CX 电容选择

X 类 (CX) 和 Y 类 (C Y) 电容器是经过安全认证的电容器，通常用于交流线路滤波应用，有助于尽可能减少产生的 EMI。此外，X 电容器连接在相线和中性线之间，以防止差模干扰，而 Y 电容器旨在滤除共模噪声。共模扼流圈可以使用共模噪声抑制功能。

CX 是连接在线间或相线到中性线之间的电容器。这些电容器的目的是衰减从直流/交流注入电网的差模噪声。这些电容器的值是在为电网提供的无功功率与差模衰减之间进行权衡的结果。默认情况下，注入电网的无功功率等于 方程式 17。

方程式 17. Q=Vg2×2πfg×CX

在负载为 10% 时，功率因数设置为 0.9 (26°)，这是一项要求。因此，可限制无功功率的数量，由方程式 18 给出。

方程式 18. Qmax=0.1×Pnom ×tan∅ 

最大电容值可根据方程式 17 和方程式 18 计算得出，结果等于 13.5μF。分别选择了两个值均为 4.7μF 的 CX 电容器。

  • CY 电容选择

有必要检测小的漏电流（通常为 5mA 至 30mA）并足够快 (<30ms) 地断开，以防止器件损坏或触电。针对漏电流问题的某些标准规定，如果 100mA 的漏电流值持续长达 0.04s，采用无变压器逆变器的 PV 系统必须停止服务。当接近地面的总电容为 13.6nF 时，通过 Y 电容的漏电流可以根据方程式 19 计算得出。

方程式 19. IY-Cap=V×2πfg×CY

对于 230VRMS 的电网电压，该值为 0.98mA < 30mA，因此满足系统要求。

  • EMI 滤波器设计

以下 EMI 滤波器旨在衰减注入电网的差模和共模噪声。可在共模和差模域中分析 EMI 滤波器。根据图 3-12 中所示的 EMI 滤波器，可以推导等效共模和差模电路，分别如 a) 和 b) 部分所示，其中 Lσ 表示共模扼流圈的漏电感。

TIDA-010938 EMI 滤波器设计图 3-12 EMI 滤波器设计
  • a. 等效差模模型
  • b. 等效共模模型

第一个要衰减的关键频率是 174kHz。由于 87kHz 不在 EMI 屏蔽范围内，因此未考虑该值。

表 3-4 DM/CM 模式下所需的衰减
衰减值
174kHz 时的差模衰减87dB
174kHz 时的共模衰减83dB

设计了一个 EMI 滤波器，其值如表 3-5 中所列。

表 3-5 EMI 滤波器值
参数值
L187μH

CX1

4.7μF
Lcm1Lcm 4mH、Lσ 4μH
CX24.7μF
Lcm2Lcm 4mH、Lσ 4μH
CY26.8nF

此 EMI 滤波器使用了两个 Bourns CMC (047708)。

  • 直流链路电容

在单相应用中，存在来自电网的电源纹波，并会导致直流链路上出现电压纹波。使用方程式 20 计算直流链路电容值。

方程式 20. Cout≥4600 W2×400×π×50 Hz×46 V

在 4.6kW、400V 和 50Hz 工作条件下，计算出 800μF 的总电容。为该应用选择了 5 个 ALH82(1)161DD600 器件。另请注意，通过电解电容器的纹波电流可由所用的电容器模型来处理。