dsPIC33F設(shè)計的連接電網(wǎng)的太陽能逆變器

本文介紹了dsPIC33F系列主要特性，系列產(chǎn)品方框圖以及連接電網(wǎng)的220W太陽能微型逆變器參考設(shè)計，包括主要特性和指標(biāo)，參考設(shè)計方框圖，設(shè)計板電路圖和材料清單（BOM）。

dsPIC33F系列是高性能16 位數(shù)字信號控制器（DSC），采用改進(jìn)型哈佛架構(gòu)和C 編譯器優(yōu)化指令集，具有16 位寬數(shù)據(jù)總線和24 位寬指令，3.0-3.6V 時的工作速度達(dá)40MIPS，適用于多回路開關(guān)電源（SMPS）和其它數(shù)字電源轉(zhuǎn)換器如AC/DC轉(zhuǎn)換器，DC/DC轉(zhuǎn)換器，功率因素修正（PFC），不間斷電源（UPS），逆變器，嵌入電源控制器和數(shù)字照明等。

高性能16 位數(shù)字信號控制器主要特性:

工作范圍：

? 最高40 MIPS 的工作速度（3.0-3.6V 時）：

- 工業(yè)級溫度范圍（-40℃ 至+85℃）

- 擴(kuò)展級溫度范圍（-40℃ 至+125℃）

高性能數(shù)字信號控制器（Digital Signal Controller，DSC）CPU：

? 改進(jìn)型哈佛架構(gòu)

? C 編譯器優(yōu)化指令集

? 16 位寬數(shù)據(jù)總線

? 24 位寬指令

? 可尋址最大4M 指令字的線性程序存儲空間

? 可尋址最大64 KB 的線性數(shù)據(jù)存儲空間

? 83 條基本指令：多為單字/ 單周期指令

? 兩個帶舍入和飽和選項的40 位累加器

? 靈活而強(qiáng)大的尋址模式：

- 間接尋址

- 模尋址

- 位反轉(zhuǎn)尋址

? 軟件堆棧

? 16 x 16 位小數(shù)/ 整數(shù)乘法運算

? 32/16 位和16/16 位除法運算

? 單周期乘- 累加運算：

- DSP運算的累加器回寫操作

- 雙數(shù)據(jù)取操作

? 可將最多40 位數(shù)據(jù)左移或右移最多16 位

數(shù)字I/O：

? 外設(shè)引腳選擇功能

? 最多35 個可編程數(shù)字I/O 引腳

? 最多30 個引腳上具有喚醒/ 電平變化中斷功能

? 輸出引腳可驅(qū)動3.0V 至3.6V 的電壓

? 漏極開路配置、最高5V 的輸出

? 數(shù)字輸入引腳可耐受5V 的電壓（RB5 除外）

? 所有PWM 引腳的拉/ 灌電流為16 mA片上閃存和SRAM：

? 閃存程序存儲器（最大16 KB）

? 數(shù)據(jù)SRAM （最大2 KB）

? 閃存程序存儲器的引導(dǎo)和通用安全性外設(shè)特性：

? 定時器/ 計數(shù)器，最多3 個16 位定時器

- 最多可以配對成1 個32 位定時器

? 輸入捕捉（最多2 路通道）：

- 上升沿捕捉、下降沿捕捉或上升/ 下降沿捕捉

- 16位捕捉輸入功能

- 每路捕捉通道都帶有4 級深度的FIFO 緩沖區(qū)

? 輸出比較（最多2 路通道）：

- 單次或兩次16 位比較模式

- 16位無毛刺PWM 模式

? 4 線SPI：

- 幀支持與簡單編解碼器的I/O 接口

- 1級深度FIFO 緩沖區(qū)

- 支持8 位和16 位數(shù)據(jù)

- 支持所有串行時鐘格式和采樣模式

? I2C?：

- 支持完全的多主機(jī)從模式

- 7位和10 位尋址

- 總線沖突檢測和仲裁

- 集成信號調(diào)理

- 從地址掩碼

? UART：

- 檢測到地址位時產(chǎn)生中斷

- 出現(xiàn)UART 錯誤時產(chǎn)生中斷

- 檢測到啟動位時將器件從休眠模式喚醒

- 4字符深的發(fā)送和接收FIFO 緩沖區(qū)

- LIN總線支持

- 硬件IrDA? 編碼和解碼

- 高速波特率模式

- 使用CTS 和RTS 的硬件流控制

中斷控制器：

? 中斷響應(yīng)延時為5 個周期

? 118 個中斷向量

? 最多35 個中斷源

? 最多3 個外部中斷

? 7 個可編程優(yōu)先級

? 4 個處理器異常

高速PWM 模塊特性：

? 最多支持4 個PWM 發(fā)生器，能提供4-8 路輸出

? 8 路PWM 輸出的每一路都具有獨立的時基和占空比

? 上升沿和下降沿死區(qū)

? 占空比分辨率為1.04 ns

? 死區(qū)分辨率為1.04 ns

? 相移分辨率為1.04 ns

? 頻率分辨率為1.04 ns

? 支持的PWM 模式：

- 標(biāo)準(zhǔn)邊沿對齊

- 真正獨立輸出

- 互補(bǔ)

- 中心對齊

- 推挽

- 多相

- 可變相位

- 固定關(guān)斷時間

- 電流復(fù)位

- 限流

? 用于8 路PWM 輸出的獨立故障/ 限流輸入

? 輸出改寫控制

? 特殊事件觸發(fā)器

? PWM 捕捉功能

? 輸入時鐘的預(yù)分頻器

? 由PWM 模塊送至ADC （analog-to-digital converter， ADC）的雙路觸發(fā)信號

? PWMxL 和PWMxH 輸出引腳交換

? PWM4H 和PWM4L 引腳可重映射

? 可在運行過程中更改PWM 頻率、占空比和相移

? 各獨立PWM 發(fā)生器的禁止

? 前沿消隱（Leading-Edge Blanking，LEB）功能高速模擬比較器

? 最多4 個模擬比較器：

- 20 ns 響應(yīng)時間

- 與每個模擬比較器相關(guān)的10 位DAC

- 提供DAC 輸出的DACOUT 引腳

- 可編程的輸出極性

- 可選擇輸入信號源

- ADC采樣和轉(zhuǎn)換功能

? 與PWM 模塊的接口：

- PWM占空比控制

- PWM周期控制

- PWM故障檢測

高速10 位ADC

? 10 位分辨率

? 最多12 路輸入通道可組成6 個轉(zhuǎn)換對

? 兩個內(nèi)部參考電壓監(jiān)控輸入組成一對內(nèi)部模擬輸入

? 用于并行轉(zhuǎn)換模擬輸入對的逐次逼近型（Successive Approximation Register， SAR）轉(zhuǎn)換器：

- 對于帶兩個SAR 的器件，轉(zhuǎn)換速率為4 Msps

- 對于帶一個SAR 的器件，轉(zhuǎn)換速率為2 Msps

? 用于每路模擬通道的專用結(jié)果緩沖區(qū)

? 用于每個模擬輸入轉(zhuǎn)換對的獨立觸發(fā)源

功耗管理：

? 片上2.5V 穩(wěn)壓器

? 實時時鐘源切換

? 可快速喚醒的空閑、休眠和打盹模式

CMOS 閃存技術(shù)：

? 低功耗高速閃存技術(shù)

? 全靜態(tài)設(shè)計

? 3.3V （±10%）工作電壓

? 工業(yè)級和擴(kuò)展級溫度

? 低功耗

系統(tǒng)管理：

? 靈活的時鐘選擇：

- 外部振蕩器、晶振、諧振器和內(nèi)部RC 振蕩器

- 帶120 MHz 壓控振蕩器（Voltage Controlled Oscillator，VCO）的鎖相環(huán)（Phase-Locked Loop，PLL）

- 3 MHz至40 MHz 范圍內(nèi)的主晶振

- 頻率為32 kHz 的內(nèi)部低功耗RC （Low-Power RC， LPRC）振蕩器

- 頻率為7.37 MHz 的內(nèi)部快速RC （Fast RC， FRC）振蕩器

? 上電復(fù)位（Power-on Reset， POR）

? 欠壓復(fù)位（Brown-out Reset， BOR）

? 上電延時定時器（Power-up Timer， PWRT）

? 振蕩器起振定時器（Oscillator Start-up Timer，OST）

? 自帶RC 振蕩器的看門狗定時器

? 故障保護(hù)時鐘監(jiān)視器（FSCM）
? 多個復(fù)位源

? 在線串行編程（In-Circuit Serial Programming? ， ICSP?）

封裝：

? 18 引腳SOIC

? 28 引腳SPDIP/SOIC/QFN-S

? 44 引腳TQFP/QFN


圖1。dsPIC33F系列產(chǎn)品方框圖

連接電網(wǎng)的太陽能微型逆變器參考設(shè)計

Grid-Connected Solar Micro Inverter Reference Design

This reference design demonstrates the flexibility and power of SMPS dsPIC? Digital Signal Controllers in Grid connected power conversion systems. This reference design works with any photovoltaic (PV) panel of maximum 220 Watts having open circuit voltage between 25V to 55V DC. This reference design ensures maximum power tracking for PV panel voltage between 25V to 45V DC. Two versions of this reference design is available to support 110V and 220V Grid.

圖2。連接電網(wǎng)的太陽能系列框圖

This reference design is implemented using a single dsPIC33F “GS” digital-power DSCs from Microchip that provides the full digital control of the power conversion and system management functions. As shown in this reference design the dsPIC33F ‘GS’ devices enable designers to easily and cost effectively create products using advanced switching techniques that lower switching losses and enable efficiencies as high as 95%. Grid-Connected Solar Micro Inverter Reference Design is royalty free when used in accordance with the licensing agreement.

連接電網(wǎng)的太陽能微型逆變器參考設(shè)計主要特性：

Peak efficiency of 95%

Output current THD < 5%

Power factor >0.95

Maximum power point tracking

Grid voltage and frequency tracking

Protection against various current and voltage faults

Night time power consumption <1W

System Islanding to detect grid failure

Full Digital Control

連接電網(wǎng)的太陽能微型逆變器參考設(shè)計指標(biāo)：

Micro Inverter for individual PV Module up to 220W

Wide PV Panel voltage : 25V to 55V DC

Maximum Power Point Tracking voltage: 25V to 45V

Maximum DC short circuit current : 10A

Grid Frequency range :

47 – 53 Hz for 220V systems

57 – 63 Hz for 110V systems

Grid voltage range :

90V – 140V for 110V systems

180V – 264V for 220V systems

230V太陽能微型逆變器系統(tǒng)指標(biāo)：

? Maximum output power = 185 watt

? Nominal output voltage = 230V

? Nominal output current = 0.8A

? Output voltage range = 180 VAC-264 VAC

? Output frequency nominal frequency = 50 Hz

? Output frequency range = 47 Hz-53 Hz

? Power factor = >0.95

? Total harmonic distortion = <5%

? Efficiency

- Peak efficiency = 95%

- Maximum Power Point tracking = 99.5%

- Minimum efficiency>0.8

110V太陽能微型逆變器系統(tǒng)指標(biāo)：

? Maximum output power = 185 watt

? Nominal output voltage = 110V

? Nominal output current = 1.7A

? Output voltage range = 90 VAC-140 VAC

? Output frequency nominal frequency = 60 Hz

? Output frequency range = 57 Hz-63 Hz

? Power factor = >0.95

? Total harmonic distortion = <2%

圖3。連接電網(wǎng)的太陽能微逆變器參考設(shè)計外形圖

圖4。連接電網(wǎng)的太陽能微逆變器參考設(shè)計方框圖（1）

圖5。連接電網(wǎng)的太陽能微逆變器參考設(shè)計方框圖（2）

圖6。連接電網(wǎng)的太陽能微逆變器參考設(shè)計板外形圖

圖7。連接電網(wǎng)的太陽能微逆變器參考設(shè)計板電路圖（1）

圖8。連接電網(wǎng)的太陽能微逆變器參考設(shè)計板電路圖（2）

圖9。連接電網(wǎng)的太陽能微逆變器參考設(shè)計板電路圖（3）

圖10。連接電網(wǎng)的太陽能微逆變器參考設(shè)計板電路圖（4）

圖11。連接電網(wǎng)的太陽能微逆變器參考設(shè)計板電路圖（5）