基于RA6T2的1KW逆变器核心模块参考实现

 

2022年底，瑞萨举行了基于RA6T2的1KW inverter方案在线研讨会，在此将材料和大家做分享。

参考设计指标概览

设计指标：48V直流输入，经过boost升压到340V，再逆变成220V交流输出 -- 50Hz，60Hz可选。输出功率1KW。

整机效率、谐波畸变率等参数请参看下表：

数字电源是各个拓扑结构组成的，比如这次的逆变器使用boost升压拓扑，再加上一个DC/AC的逆变拓扑实现。

系统结构

主功率部分

交错Boost + 单极性逆变

采用单极性SPWM控制方法，PID闭环算法实现48VDC倒220VAC的1KW逆变

驱动威廉希尔官方网站

电流电压采样威廉希尔官方网站

最小控制系统：OLED屏和用户按键，选择系统输出模式，显示输入输出电压电流参数

温度采集和散热

温敏电阻，MOS管控制风扇开关

这个方案是一个交错boost，加DC/AC的拓扑。为什么用交错呢，因为电压比较低，48V升1KW的话，电流会比较大。电流大，用交错比较好，把电流分摊了，一路就600W。如果不分摊，首先电感会比较大，MOS管选择的电流也会大，都会比较难选，也会影响整机的效率。分开电流小很多，包括输入端纹波电流。交错boost加上后面的DC/AC。DC/AC是一个图腾柱的架构，这个产品把D1，D2二极管换成MOS管，就是双向AC/DC了。只要改代码，拓扑都不用改，就可以逆向过来工作了。

下面是驱动，电压电流采样。还有一个最小控制系统，由OLED显示屏，用户按键组成。

开关频率设置在30K，因为是硬开关，它的损耗主要就是来自开关损耗，所以频率越低越好，但是不能太低，太低了电流就大了，被动器件的尺寸就大了，一般设置在30K左右，对MOS管是一个比较好的开关频率范围。

这个设计是非隔离的，最可靠，硬件成本也最低。硬开关相对软开关效率低，主要体现在开关损耗上，但是开关频率低嘛，整体损耗还是可以接受。软开关，一般都是在流行的LLC拓扑中：它带隔离，第一需要变压器，尺寸也就不会小，成本也会高；当前设计中驱动都是非隔离的，那还要改成隔离驱动芯片。所以取决于设计目标是怎样的？如果必须隔离，优先选择LLC，软开关的谐振拓扑。简而言之，在隔离的情况下，用软开关的效率就会比较高，用硬开关效率就会低。做硬开关，开关频率不能做太高，做太高，效率就低了，被开关损耗给浪费了。这是设计时，相互妥协的一个考量。

这个方案分为DCDC升压和DCAC逆变两级拓扑。全拓扑可以应用于户外电源逆变器，离网UPS逆变控制等

RA6T2资源使用

Flash：~5K

RAM：~3K

OLED：I1C x1

LED：GPIO x1

用户按键：GPIO x4

电压电流温度监测：ADC x8

MOS管驱动：PWM x6

RA6T2性能很强，但是这个方案用到的资源比较少。Flash，ram的使用都很省，因为是一个比较简单的控制算法和拓扑。

外设方面，用了8路ADC，采样电流，电压，温度。

用了6个PWM通道，驱动6个开关管。没有用到RA6T2里的高精度PWM通道，因为逆变器不需要太高精度的PWM，就算是DC输出时，也要看使用场景，比如服务器电源、电池化成，高精度PWM通道非常有帮助。一般的对电池充电，也是DC输出，精度要求一般就可以了。

环路控制方面，目前是电压环控制。当然也可以加电流环控制进去，加进去呢，动态响应会好一点：输出电流，输出负载切换时，响应会更快一点。

系统保护功能

输入软启动

输入欠压，输入过压保护

Boost输出过压保护

逆变器欠压保护

输出短路保护

输出过流保护

温度保护

系统保护方面，支持软启动。比如输入电压太低，20V，30V刚起来，这个占空比要慢慢增加，电压慢慢抬升，不要一来就很高，会过冲。同时判断有没有过压，输入电压大于52V。更新占空比，更新boost两个管子的占空比。

达到标称电压40V时才启动，占空比也是缓慢上升，软启动时间大概0.6秒，一般电源就够了。包括户外储能，0.6秒对客户也无感。

其他保护，也主要为了保护硬件。Boost输出过压，比如突然卸载，重载突然卸轻载，电压可能会过冲，要保住400V时不要把MOS管打坏了。大于400V，关闭MOS管功能，小于350V，恢复工作。

母线太低，低于300V，就没有办法输出一个标准正弦波了，所以进入欠压保护。正常情况下，是不会低于300V的，只是为了防止异常，比如干扰，或者MOS管坏掉了。电流很大，电压很小的时候，判断短路事件。过流，逆变器功率1100W持续一分钟，就认为过流了。

测试评估板

这个是该测试评估板的照片。如您感兴趣，可以点击公众号菜单栏“样片申请”获取瑞萨代理商/销售联系方式。

我们提供样机，并开放所有软硬件资料和文档

测试演示

测试电源：变频柜输出48V供给逆变板，输出功率在1KW以上；施加在电阻负载（可变电阻）上进行测试

示波器：查看输入电源，输出电压（高压差分探头）、电流（电流钳）

功率分析仪：查看效率，谐波含量

电源输出：15V逐渐加到48V，板子开始运行

示波器查看

通道1：电流输入48V DC

通道2：交流电压，峰峰值1295mV，经过高压差分探头换算得到220V；频率50Hz

通道3（紫色）：输入48V DC

系统介绍视频

测试演示视频

测试演示