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Design of Inverter Power Supply for Household Solar Power Generation in Pastoral Area

YANG Xiao	ZHAI Yu-wen, AI Xue-zhong
College of Information amp; Control Engineering	College of Information amp; Control Engineering
Jilin Institute of Chemical Technology	Jilin Institute of Chemical Technology
Jilin City132022, China	Jilin City132022, China
Email: chunyuxiao@163.com	Email: yuwenzhai@126.com

Abstract—The inverter power supply for pastoral area household solar power generation is developed in this paper. Based on SPWM technology, after passive filtering, the power supply with inverter can produce low-distortion high-efficiency sinusoidal AC power supply. When the power of loads is less than 300W and the DC input power supply is within 10V to 14V, the inverter can give the output of sinusoidal voltage 220VACplusmn;10%. It has the functions of under-voltage input protection and over-current output protection, and can automatically recover the normal operation state after elimination of under-voltage and over-current.

Keywords—solar power generation; power supply with inverter; single-chip computer; SPWN; efficiency

1. INTRODUCTION

Under the situation of energy shortage nowadays, the PV power generation has been intensively developed all over the world.

US Solar Power Pilot Project aims at decreasing the cost of solar PV power generation so as to commercial competition in 2015. Japan also proposes the expecting amount of 28GW power generation in 2020. The study SET FOR 2020 conducted by EPIA sketches out that European PV would reach the commercial competition by 2020. Widespread awareness of PV electricity pushes our national government promoted the policies for developing PV power generation in 2009. And the target amount of PV power generation by 2020 has been become 20GW instead of 1.6GW. With the reduction of cost decreasingly, PV power generation will get more widespread application [1].

The style of production and live in pastoral area determines the distribution of power consumption. It is the specific characteristic that brings great potential development prospect of household solar power generation in pastoral area.

As the key technique of solar power generation, inverter power supply has confused designers all the time by its high-efficiency and low-noise characteristic. In this case, this paper developed the inverter power supply for household solar power generation in pastoral area.

II. SYSTEM FRAMEWORK

___________________________________

978-1-4244-9690-7/11/$26.00 copy;2011 IEEE

The framework of the household solar power generation system is shown in Fig.1, including solar battery pack, solar charge controller, storage battery, inverter, lighting and other AC loads [2].

Generally, the main application of solar power generation in pastoral area is illumination. So allowing for cost, 500W solar battery pack or below is selected. Charge controller is used to control the charging amount of storage battery in case of overcharge. Suppose that the storage battery with 12V voltage need to continuously provide power supply 100W for 6 hours, the 60A storage battery is selected here. The inverter power supply with 300W design power is selected, for it can enough meet the power demands of lamps and TVs for a short time.

This paper introduces the design method and key technique of the inverter power supply.

Figure 1. Framework of household solar power generation system

III. INVERTER POWER SUPPLY CIRCUIT

DESIGN

1. SPWM wave generation

SPWM wave is generated by the combination of C8051F410 PCA module and logic circuit [3], including the basic peripheral circuit of C8051F410 system-on-chip and SPWM control logic circuit. The principle diagram is shown in Fig.2 [4].

Figure 2. SPWM wave generation circuit

The control logic circuit transforms the sinusoidal PWM signal (generated by PCA module) and the direction control signals (DIR and DIR-) into SPWM signal (including positive semi-cycle control signal PWM and negative semi-cycle control signal PWM-) to serve for the control signal in power driver circuit. In order to achieve the input under-voltage and output over-current protection, the A/D converter circuit of C8051F410 performs monitoring the input voltage and output current.

Fig. 3 illustrates the waves of signals in SPWM wave generation circuit, including PWM, DIR and DIR-, PWM and PWM-.

including voltage level converter, half-bridge control and power driver circuit [5].

The control circuit produces SPWM signal which includes positive semi-cycle control signal PWM and negative semi-cycle control signal PWM-. The voltage level converter circuit consists of triode Q5 and Q6, and converts the SPWM signal into the voltage level from 5V to 12V then sends the voltage level to IR2111 (U4 and U5) in half-bridge control circuit. U4 serves for driving switch Q1, Q2, Q5, Q6 to realize SPWM positive semi-cycle power output; U5 serves for driving switch Q3, Q4, Q7, Q8 to realize SPWM negative semi-cycle power output.

In order to improve the driving capability, parallel connection is adopted between each switch in every couple (Q1 and Q5, Q2 and Q7, Q3 and Q7, Q4 and Q8). Restricted by power componentsrsquo; speed, the SPWM frequency can not be too high. So the design frequency of SPWM is abo

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为牧区提供家用太阳能发电的逆变电源的设计

杨晓	翟玉文 艾学忠
信息与控制工程学院	信息与控制工程学院
吉林化工学院	吉林化工学院
中国 吉林	中国 吉林
电子邮件: chunyuxiao@163.com	电子邮件: yuwenzhai@126.com

摘要

为牧区提供家用太阳能发电的逆变电源是基于SPWM技术发展的。在无源滤波电路中，逆变电源能产生高效率低失真的正弦交流电源。当负载的功率小于300W、直流输入电源在10V-14V时，逆变器可以输出正弦电压220VACplusmn;10%。它具有输入欠电压保护和过电流输出保护，能自动消除欠电压和过流，恢复正常运行状态。

关键词：太阳能发电；逆变电源；单片机；SPWM；效率

1 引言

在能源短缺的严峻形势下，光伏发电已经在全世界广泛发展。2015年为了更具有商业竞争，美国光伏发电试点项目宗旨在于减小太阳能发电的成本。日本也提出了在2020实现28GW发电量。由EPIA(业协会)推行的2020计划勾勒出欧洲光伏发电到2020年将形成商业竞争规模。人们对光伏发电的普遍认识，推动了我国政府在2009年内发展光伏发电的政策。到2020年，我国光伏发电量将达到20GW，取代原先1.6GW。随着成本的降低逐渐减少，光伏发电将得到更广泛的应用[ 1 ]。牧区的生产和生活方式决定功耗的分布。这个具体特点将为牧区太阳能发电带来巨大的潜在发展前景。作为太阳能发电的关键技术，变频电源一直困扰设计者的是它高效低噪声的特点。在这种情况下，本文开发了逆变电源，为牧区家庭提供光伏发电。

2 系统框架

家用太阳能发电系统的框架如图1所示，包括太阳能电池、太阳能充电控制器、蓄电池、逆变器、照明等交流负载[ 2 ]。一般来说，太阳能发电在牧区的主要应用是照明。所以考虑成本，人们选择用500W或以下的太阳能电池。充电控制器是用来控制蓄电池在过度充电的情况下存储量。假如用12V蓄电池需要连续6小时提供功率为100W的电池充电，这里选择60A的蓄电池。选择设计300W的逆变电源，是因为它可以足够满足灯和电视进行短时间的电力需求。本文介绍了逆变电源的设计方法和关键技术。

图1家用太阳能发电系统结构

3 逆变电源电路设计

1. SPWM波产生

SPWM波以芯片C8051F410、PCA模块和逻辑电路的组合生成的[3]，包括芯片和SPWM控制逻辑电路内部系统的外围电路。原理图如图2所示。[4]

图2 SPWM波生成电路

控制逻辑电路将正弦脉宽调制信号（PCA模块生成）和方向控制信号（DIR and DIR-）转换为SPWM信号(包括正半周期控制信号PWM 和负半周期控制信号PWM-）SPWM信号为功率驱动电路的控制信号。为了实现输入欠电压和输出过电流保护、基于C8051F410 的A/D转换电路完成监测输入电压、输出电流。图3为在SPWM波生成电路下生成的波形，包括PWM、DIR 和DIR-，PWM 和PWM-。

图3 SPWM波生成电路的信号波

B.输出功率驱动电路

输出功率驱动电路如图4所示，包括变压电路，半桥逆变电路和功率驱动电路[ 5 ]。控制电路产生的SPWM信号包括正半周期脉宽调制信号PWM 和负半周期脉宽调制信号PWM-。变压电路由三极管Q5、Q6组成，并调节SPWM信号，将输出电压从5V升到12V,然后将输出电压送到半桥控制电路中的IR2111（U4、U5)。U4用于驱动开关Q1、Q2、Q5、Q6,实现SPWM的正半周期的输出功率；U5用于驱动开关Q3、Q4、Q7、Q8,实现SPWM的负半周期的功率输出。为了提高驱动能力，采用每对开关实行并行连接作为一个开关（Q1和Q5 Q2和Q3，Q7和Q7、Q4、Q8）。通过对功率器件速度的限制，SPWM频率不能太高。因此，SPWM的设计频率为24.5 kHz。

图4 功率输出驱动电路

C 滤波电路

在图4的转换和功率放大后的H桥电路、SPWM信号通过OUT 和OUT-输出，输出电压的波形如图5所示。图5的SPWM信号可以通过图6的无源滤波器滤波。

图5 SPWM信号波形

图6 滤波电路原理图

在LC滤波原理的基础上，滤波器的截止频率可以计算为(2）[ 6 ]：

较低的截止频率会引起微弱正弦谐波电压，谐波失真小但高消耗；高截止频率会引发强烈的正弦谐波电压，谐波失真大但消耗小。在被允许的失真和消耗的平衡下，截止频率可以近似计算为（2）：= (2)

让电感L2 =220uH，则电容可以得到（1）：C8 = C9=100uf。为了得到基本的SPWM波形，衰减48dB。电感器和电容器的值选择与输出电压和电流有关：输出电压越高，则电容越小，电感越大；输出电压越低，电容值越大，电感值越小。

D 升压变压器

无源LC滤波后的正弦电压峰峰值为12V，通过boost升压电路变为220VAC。boost升压变压器起到隔离12V和220V的作用，逆变电源的安全得到有效保护。功率为300W、输入电压为7.5V、输出电压为220V的工频变压可作为升压变压器。输出电压检测电路负责检测负载变化和反馈信号到C8051F410进行PID调节，控制SPWM信号的脉冲宽度，以稳定输出电压。

4 供能的实验测试

A 测试方案和条件

测试方案的原理图如图7所示。

图7 测试方案原理框图

实验测试选择额定电压为12V和24V的开关电源作为直流稳压源。输入电压的有效值为12.4V。滑动电阻片（0-510Omega;/ 500W）作为负载RL。电流表分别串联在I1和I0的线路中，电压表分别并联在Ui和U0两端。同时，谐波失真（THD)检测器与UO并联。

B 测试数据

表1测试数据

表1		试验数据
Ui (V)			12.4
频率	f (Hz)		50.03
Ii (A)		32	21.7	11.1
RL( )		161	242	484
UO (V)		219.4	220.2	221.0
Pi (W)		392.2	268.8	137.4
Po (W)		298.9	200.3	100.9
效率		76.2%	74.5%	73.4%
谐波		4.86%	4.12%	3.78%

5 分析测试结果

1）当电源运行在50Hz稳定电压输出和负载电阻从484到161变化，测试数据结果表明，输出正弦波失真度略有升高，一般不超过5%。

2）MOSFET元件电阻值很小，上升和下降的输出信号从驱动桥IR2111速度快到足以确保DC-AC变换器的效率高于70%，包括消耗的工频变压器。

3）由于高工作电流的MOSFET，整个工作范围需要散热片[7]。

参考文献

[1]崔淑卿, 陈娟, 杨苏荣. 我国太阳能发电前景分析[J]. 内蒙古科技与经济, 2009(17):77-78.

[2]崔容强 赵春江 吴达成. 并网型太阳能光伏发电系统[J]. 热能动力工程, 2007(6):595-595.

[3]潘周晋，数据ISP闪存微控制器的混合信号C8051F410/1/2/3手册。

[4]艾学忠,纪慧超,张玉良，基于C8051F410片上系统的逆变电源设计，化工自动化及仪表,2010,37(8):63~65

[5]翟玉文、梁伟、艾学忠、施云贵，电子设计与实践。北京：中国电力出版社，2005。

[6](美)普莱斯曼，开关电源设计（第二版），电子工业出版社。2005年

[7]Sanjaya Maniktala，精通开关电源设计，人民邮电出版社，2008。

基于模型的逆变电源的设计

Mona Abo El Dahb1?Shintaro Iino1?Yoichi Shiraishi1 and MichioTatsuno2

1生产科学与技术，群马大学，群马县，日本

（monadahb@yahoo.com）

2东京精电有限公司，东京，日本

摘要

由于嵌入式系统技术的进步，嵌入式系统软件领域成为最具竞争力的领域之一。本文涉及面对嵌入式软件开发人员面临的挑战。硬件建模（虚拟设备）直流/交流逆变器使用统一建模语言（UML）和C 语言来验证控制软件，它已经被提出。与实际的原型仿真相比，嵌入的软件仿真的硬件建模已经被研究。一种介于具有建议性方法的输出和已获得的数据之间的协议是可以通过使用实际模型即可观察得知这是一种好的协议。

关键词：嵌入式系统，硬件仿真，嵌入式软件

1 概述

目前，嵌入式系统已经成为一种主要的解决方案，因为它的稳定性高，经济消耗和实用性，广泛应用于我们生活的一系列应用中。嵌入式系统可以定义为内置于一个产物为目，例如控制，监控和通信，无需人工干预的硬件（微处理器）和软件的组合[ 5，8 ]。它被认为是技术最困难和最具有商业环境的之一，因为许多关键系统是由嵌入式计算机系统控制的。这些措施包括通信系统、交通导航系统、医疗系统和金融系统，这样的系统的故障或妥协，可能会产生重大的后果，包括关键服务器中断，财产和生活损失。因此，嵌入式系统的质量和性能都是考虑的重要问题。嵌入式系统的开发人员面临打开一个广泛的研究领域许多挑战。

2 嵌入式系统开发的挑战

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