為解決直流逆變交流的問(wèn)題，有效地利用能源，讓電源輸出最大功率，設(shè)計(jì)了高性能的基于IR2101最大功率跟蹤逆變器，并以SPMC75F2413A單片機(jī)作為主控制器。高電壓、高速功率的MOSFET或IGBT驅(qū)動(dòng)器IR2101采用高度集成的電平轉(zhuǎn)換技術(shù)，同時(shí)上管采用外部自舉電容上電，能夠穩(wěn)定高效地驅(qū)動(dòng)MOS管。該逆變器可以實(shí)現(xiàn)DC/AC的轉(zhuǎn)換，最大功率點(diǎn)的跟蹤等功能。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，該逆變器系統(tǒng)具有跟蹤能力強(qiáng)，穩(wěn)定性高，反應(yīng)靈敏等特點(diǎn)，該逆變器不僅可應(yīng)用于普通的電源逆變系統(tǒng)，而且可應(yīng)用于光伏并網(wǎng)發(fā)電的逆變系統(tǒng)，具有廣泛的市場(chǎng)前景。

　　隨著工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)電能質(zhì)量的要求將越來(lái)越高，包括市電電網(wǎng)在內(nèi)的原始電能的質(zhì)量可能滿足不了設(shè)備要求，必須經(jīng)過(guò)電力電子裝置變換后才能使用，而DC／AC逆變技術(shù)在這種變換中將起到重要的作用。根據(jù)市場(chǎng)趨勢(shì)，逆變器的選型安裝越來(lái)越傾向于小型化、智能化、模塊化等方向發(fā)展，其控制電路主要采用數(shù)字控制，系統(tǒng)的安全性，可靠性以及擴(kuò)展性，同時(shí)將各個(gè)完善的保護(hù)電路考慮其中。因此，這里提出一種基于IR2101的最大功率跟蹤逆變器設(shè)計(jì)方案。

　　1 IR2101簡(jiǎn)介

　　IR2101是雙通道、柵極驅(qū)動(dòng)、高壓高速功率驅(qū)動(dòng)器，該器件采用了高度集成的電平轉(zhuǎn)換技術(shù)，大大簡(jiǎn)化了邏輯電路對(duì)功率器件的控制要求，同時(shí)提高了驅(qū)動(dòng)電路的可靠性。同時(shí)上管采用外部自舉電容上電，使驅(qū)動(dòng)電源數(shù)目較其他IC驅(qū)動(dòng)大大減少，在工程上減少了控制變壓器體積和電源數(shù)目，降低了產(chǎn)品成本，提高了系統(tǒng)可靠性。

　　IR2101采用HVIC和閂鎖抗干擾制造工藝，集成DIP、SOIC封裝。其主要特性包括：懸浮通道電源采用自舉電路；功率器件柵極驅(qū)動(dòng)電壓范圍10～20 V；邏輯電源范圍5～20 V，而且邏輯電源地和功率地之間允許+5 V的偏移量；帶有下拉電阻的CNOS施密特輸入端，方便與LSTTL和CMOS電平匹配；獨(dú)立的低端和高端輸入通道。IR2101的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

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圖1 IR2101的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

　　圖1中，HIN為邏輯輸入高；LIN為邏輯輸入低；VB為高端浮動(dòng)供應(yīng)；HO為高邊柵極驅(qū)動(dòng)器輸出；Vs為高端浮動(dòng)供應(yīng)返回；Voc為電源；LO為低邊柵極驅(qū)動(dòng)器輸出；COM為公共端。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能需求，其硬件組成框圖如圖2所示。該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)是由SPMC75F2413A單片機(jī)主控制器模塊、外部供能系統(tǒng)(普通或光伏)、斬波電路模塊、IR2101逆變電路模塊和最大功率跟蹤外部電路模塊組成。通過(guò)最大功率跟蹤外部電路模塊檢測(cè)外部電壓，將檢測(cè)值返回到SPMC75F2413A主控制器中。斬波電路模塊通過(guò)主控制器對(duì)其控制，實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。外部供能系統(tǒng)是為各個(gè)模塊提供電源。IR2101逆變電路模塊主要實(shí)現(xiàn)DC／AC的轉(zhuǎn)換，并由斬波電路為其提供最大功率點(diǎn)的電能。

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圖2 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)框圖

　　圖2中的SPMC75F2413A單片機(jī)正常工作電壓為5 V。但是其他模塊所加的電壓不同，斬波電路模塊與IR2101逆變電路模塊所加的電壓為15 V。因?yàn)镮R2101的正常工作電壓為10～20V。

　　2．1 IR2101逆變電路

　　IR2101逆變電路原理圖如圖3所示，H1、H2為IR2101集成驅(qū)動(dòng)芯片，VQ1、VQ2、VQ3、VQ4為MOS管，Up、Un、Vp、Vn是SPMC75F2413A單片機(jī)中輸出的兩相四路PWM波。其中Up、Un是一相PWM波的上下臂，Vp、Vn為另一相PWM波的上下臂，由于單片機(jī)中輸出的PWM波不能驅(qū)動(dòng)大功率MOS管，因此利用IR2101的電容自舉功能，通過(guò)二極管VD1、VD2(采用肖特基管所具有的快恢復(fù)功能，提升電容充電電壓，關(guān)斷過(guò)程減少消耗能量)對(duì)自舉電容C1、C2進(jìn)行充電，以此提升驅(qū)動(dòng)MOS管的信號(hào)電壓，使其具有擴(kuò)大信號(hào)輸出的功能，擴(kuò)大后的信號(hào)PWM波就能有序地控制VQ-1、VQ2、VQ3、VQ4的通斷，在逆變電路中同一相的上下臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是互補(bǔ)。

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圖3 　IR2101逆變電路原理圖

　　當(dāng)Up輸入高時(shí)，HO輸出也為高，通過(guò)IR2101的電容自舉功能，就能控制VQ1導(dǎo)通，此時(shí)由于LO輸出為低，不能驅(qū)動(dòng)VQ2，因此VQ2處于關(guān)斷狀態(tài)，同時(shí)Vp也輸入一個(gè)高電平，即HO為高，使VQ4處于導(dǎo)通狀態(tài)，而此時(shí)VQ3處于關(guān)斷狀態(tài)，因此T1→VQ1→R5(負(fù)載)→VQ4→GND形成一個(gè)通路。反之，當(dāng)Up、Vp為低電平，Un、Vn為高電平時(shí)，即電流的主要流向?yàn)門1→VQ3→R5(負(fù)載)→VQ2→GND，4個(gè)MOS管開(kāi)關(guān)器件有序地交替通斷，進(jìn)而在R5(負(fù)載)處形成了交流電。在實(shí)際應(yīng)用中為了防止上下臂同時(shí)導(dǎo)通而造成短路，在軟件設(shè)計(jì)的過(guò)程中，添加了死區(qū)時(shí)間，來(lái)保護(hù)整個(gè)電路。