基于RA6T2的1KW逆變器核心模塊參考實現

2022年底，瑞薩舉行了基于RA6T2的1KW inverter方案在線研討會，在此將材料和大家做分享。

參考設計指標概覽

設計指標：48V直流輸入，經過boost升壓到340V，再逆變成220V交流輸出 -- 50Hz，60Hz可選。輸出功率1KW。

整機效率、諧波畸變率等參數請參看下表：

數字電源是各個拓撲結構組成的，比如這次的逆變器使用boost升壓拓撲，再加上一個DC/AC的逆變拓撲實現。

系統結構

主功率部分

交錯Boost + 單極性逆變

采用單極性SPWM控制方法，PID閉環算法實現48VDC倒220VAC的1KW逆變

驅動電路

電流電壓采樣電路

最小控制系統：OLED屏和用戶按鍵，選擇系統輸出模式，顯示輸入輸出電壓電流參數

溫度采集和散熱

溫敏電阻，MOS管控制風扇開關

這個方案是一個交錯boost，加DC/AC的拓撲。為什么用交錯呢，因為電壓比較低，48V升1KW的話，電流會比較大。電流大，用交錯比較好，把電流分攤了，一路就600W。如果不分攤，首先電感會比較大，MOS管選擇的電流也會大，都會比較難選，也會影響整機的效率。分開電流小很多，包括輸入端紋波電流。交錯boost加上后面的DC/AC。DC/AC是一個圖騰柱的架構，這個產品把D1，D2二極管換成MOS管，就是雙向AC/DC了。只要改代碼，拓撲都不用改，就可以逆向過來工作了。

下面是驅動，電壓電流采樣。還有一個最小控制系統，由OLED顯示屏，用戶按鍵組成。

開關頻率設置在30K，因為是硬開關，它的損耗主要就是來自開關損耗，所以頻率越低越好，但是不能太低，太低了電流就大了，被動器件的尺寸就大了，一般設置在30K左右，對MOS管是一個比較好的開關頻率范圍。

這個設計是非隔離的，最可靠，硬件成本也最低。硬開關相對軟開關效率低，主要體現在開關損耗上，但是開關頻率低嘛，整體損耗還是可以接受。軟開關，一般都是在流行的LLC拓撲中：它帶隔離，第一需要變壓器，尺寸也就不會小，成本也會高；當前設計中驅動都是非隔離的，那還要改成隔離驅動芯片。所以取決于設計目標是怎樣的？如果必須隔離，優先選擇LLC，軟開關的諧振拓撲。簡而言之，在隔離的情況下，用軟開關的效率就會比較高，用硬開關效率就會低。做硬開關，開關頻率不能做太高，做太高，效率就低了，被開關損耗給浪費了。這是設計時，相互妥協的一個考量。

這個方案分為DCDC升壓和DCAC逆變兩級拓撲。全拓撲可以應用于戶外電源逆變器，離網UPS逆變控制等

RA6T2資源使用

Flash：~5K

RAM：~3K

OLED：I1C x1

LED：GPIO x1

用戶按鍵：GPIO x4

電壓電流溫度監測：ADC x8

MOS管驅動：PWM x6

RA6T2性能很強，但是這個方案用到的資源比較少。Flash，ram的使用都很省，因為是一個比較簡單的控制算法和拓撲。

外設方面，用了8路ADC，采樣電流，電壓，溫度。

用了6個PWM通道，驅動6個開關管。沒有用到RA6T2里的高精度PWM通道，因為逆變器不需要太高精度的PWM，就算是DC輸出時，也要看使用場景，比如服務器電源、電池化成，高精度PWM通道非常有幫助。一般的對電池充電，也是DC輸出，精度要求一般就可以了。

環路控制方面，目前是電壓環控制。當然也可以加電流環控制進去，加進去呢，動態響應會好一點：輸出電流，輸出負載切換時，響應會更快一點。

系統保護功能

輸入軟啟動

輸入欠壓，輸入過壓保護

Boost輸出過壓保護

逆變器欠壓保護

輸出短路保護

輸出過流保護

溫度保護

系統保護方面，支持軟啟動。比如輸入電壓太低，20V，30V剛起來，這個占空比要慢慢增加，電壓慢慢抬升，不要一來就很高，會過沖。同時判斷有沒有過壓，輸入電壓大于52V。更新占空比，更新boost兩個管子的占空比。

達到標稱電壓40V時才啟動，占空比也是緩慢上升，軟啟動時間大概0.6秒，一般電源就夠了。包括戶外儲能，0.6秒對客戶也無感。

其他保護，也主要為了保護硬件。Boost輸出過壓，比如突然卸載，重載突然卸輕載，電壓可能會過沖，要保住400V時不要把MOS管打壞了。大于400V，關閉MOS管功能，小于350V，恢復工作。

母線太低，低于300V，就沒有辦法輸出一個標準正弦波了，所以進入欠壓保護。正常情況下，是不會低于300V的，只是為了防止異常，比如干擾，或者MOS管壞掉了。電流很大，電壓很小的時候，判斷短路事件。過流，逆變器功率1100W持續一分鐘，就認為過流了。

測試評估板

這個是該測試評估板的照片。如您感興趣，可以點擊公眾號菜單欄“樣片申請”獲取瑞薩代理商/銷售聯系方式。

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測試演示

測試電源：變頻柜輸出48V供給逆變板，輸出功率在1KW以上；施加在電阻負載（可變電阻）上進行測試

示波器：查看輸入電源，輸出電壓（高壓差分探頭）、電流（電流鉗）

功率分析儀：查看效率，諧波含量

電源輸出：15V逐漸加到48V，板子開始運行

示波器查看

通道1：電流輸入48V DC

通道2：交流電壓，峰峰值1295mV，經過高壓差分探頭換算得到220V；頻率50Hz

通道3（紫色）：輸入48V DC

系統介紹視頻

測試演示視頻

測試演示