基于OpenHarmony的DC-AC逆变器

一.主方案设计

基于OpenHarmony的DC-AC逆变器作者：袁睿

1.1 拓扑图

（注：特地使用matlab的“蓝色”系列元件进行拓扑图的示例，没有用“黑色”系列的元件）

1.2 逆变器类型 单相逆变 DC-AC（直流-交流）

1.3 参数指标

1.3.1 最大负载：2kVA

注：逆变器需要提供一个240伏特均方根值（RMS）的单相交流电压输出，逆变器输出的交流电频率为60赫兹。

1.3.2 电压输入：< 40 in³

注：输入电源类型是几乎无纹波的电压源，连接方式是电源是浮动的。其正极端会连接到一个10Ω的线绕电阻，然后这个电阻再连接到逆变器的正极直流输入端。

1.3.3 电压输出：240±12VAC

注：输出电压是240V RMS（均方根值）的单相交流电，有±12V的变化范围。在负载发生瞬时变化后，电压在0.1秒内恢复到可接受范围内直到下一次负载变化前不应再次离开该范围。电压在逆变器输出端测量确保其保持在可接受的范围内。

1.3.4 功率密度：> 50 W/in³

注：达到每立方英寸体积能够输出超过50瓦特的功率。逆变器的功率密度越高，体积越小而提供的功率越大。

1.3.5 负载功率因数： 0.7-1

注：负载通过电子负载库提供，负载库能够以小于50VA的小增量切换一系列线性反应、电感和电容负载。功率因数将在0.7到1之间变化并包括超前与滞后的情况（什么是超前？当电路中主要是电容性负载时，电流相位会领先于电压相位，这种情况称为功率因数超前。什么是滞后？当电路中主要是电感性负载时，电流相位会落后于电压相位，这种情况下称为功率因数滞后）。负载变化模式类似于住宅环境中的情况（仅使用线性负载）。预期负载会在0到2kVA之间变化，单次负载跳跃可能高达500VA，并且负载变化频率可能达到每秒一次。

1.3.6 频率输出：60±0.3Hz

注：输出频率是60Hz单相交流电，允许变化范围在59.7至60.3Hz之间，在负载瞬时变化后如果频率发生变化，在0.1秒内恢复到可接受范围内并且直到下一次负载变化前不应再次离开该范围。频率将在逆变器输出端测量，确保其保持在规定的范围内。

1.3.7 电压输出THD+N: <5%

注：将THD与噪声合并考虑的综合指标。不仅考虑了输出中的谐波成分，还包括了非周期性的噪声成分。这个参数更全面地反映了输出波形与理想正弦波之间的偏差程度。这个参数指标无限的接近了理想交流电输出。

1.3.8 电流输出THD+N：<5%

注：输出电流信号需要非常接近理想正弦波，包含谐波和噪声成分不能超过基波幅度的5%。这确保了逆变器能够提供高质量交流电输出。

1.3.9 效率：>95%

注：通过CEC计算加权平均效率。输入纹波电流和电压限制取决于所使用电压源配置。参数将在逆变器侧正负直流输入端之间、10Ω线绕电阻之后测量。输入纹波电流要求是IRipple<20%，这个要求适用于所有负载水平。

1.3.10 输入波纹电流（120Hz）：<20%

注：为了模拟一定的负载条件，这个10欧姆的线绕电阻被连接在450V电源和逆变器的正极直流输入之间。这有助于限制可能流入逆变器的电流，并且可以用来监测流经逆变器的实际电流。在120Hz频率下，电流信号的最大峰值与最小峰值之间的差值。换句话说，它是电流波形从一个极端到另一个极端的最大变化幅度。

1.3.11 输入波纹电压（120Hz）：< 3%

注：输入纹波电压（VRipple）必须小于3%。这意味着，在任何负载水平下，120Hz频率下的电压峰-峰值不能超过电压平均值的3%。

二. 算法

2.1 鸿蒙兼容性移植

选用的处理器兼容OpenHarmony系统

2.2 功能算法

2.2.1 控制（暂时闭源）

2.2.1.1 PWM（功率半导体高频开关）

2.2.1.2 MPPT（输入）

2.2.1.3 PID（输出）

2.3 鸿蒙特性

2.3.1 鸿蒙特性服务

2.3.1.1 分布式通讯

2.3.1.1.1 智能家居场景（暂时闭源）

2.3.1.1.2 光伏发电场景（暂时闭源）

2.3.1.1.3 硬件损坏报错（暂时闭源）

2.3.1.2 分布式数据库

2.3.1.2.1 数据传输（一对一片控制）

2.3.2 软件升级迭代（OTA）（暂时闭源）

2.3.3 运行日志（暂时闭源）

三. 硬件开发设计

3.1 拓扑结构

3.1.1 桥臂设计

两个半桥（HB）用于生成中性点电压，另外两个半桥用于生成线电压，还有一个桥臂用作有源滤波器。

3.1.2 输入输出电压：

输入电压为450V直流，输出电压为240V交流。通过并行有源滤波器有效补偿120Hz的输入电流/电压波纹。

3.1.3 磁性元件设计与功率半导体的使用：

3.1.3.1 关于电感

共模电感的选择会涉及滤波效果的变化，对电磁干扰（EMI）有减少作用。电感值过小会无法有效过滤高频noise，较大的抗阻会导致信号衰减增加。在选型过后还要再次实证对于EMC的符合。

差模电感的选择会影响差模部分的noise减少效果，过低的电感值不可以减少差模部分的noise，这回导致EMC的降低。

3.1.3.2 关于电容

主要考虑滤波效果，电压稳定性与耐压等级。另外需要考虑ESR。

3.1.3.3 关于功率半导体

根据选择后选择了型号为RX65T125PS2A，TO-220封装的氮化镓。这个型号的氮化镓数据手册上的参数为：VDS为650V，id为23A，Rds(on)为120mΩ，Qg为21nC，Qrr为26nC。

3.1.4 并网设计

3.1.4.1 AC输出功率因数（PF）

因为逆变器的设计的桥臂拓扑结构会减少逆变器内部的传输消耗，可以得到效率与功率因数的提高。

3.1.4.2 AC输出电流THD

参考在文末的开放的辅助内容的算法公式。

3.1.5 前置技术解析

3.1.5.1 电压电流波纹分析

主动滤波器为满足输入电压/电流的波纹要求，采用了一个并联的主动滤波器。相比于使用大容量电容作为输入端的简单滤波，这种主动滤波器能更有效地补偿波纹。软件控制策略对减少输入波纹起到了关键作用。通过保持输入电压Vin稳定的同时允许有源滤波器上有更大的波动，利用机器学习进一步减少建模误差导致的波纹，达到了显著降低输入波纹的效果。

3.1.5.2 磁性兼容性分析

软切换操作开关和辅助电源的软切换操作有助于减少电磁noise，在调制方式上采用了可变频率和特定开展频谱调制方式以分散noise。屏蔽与滤波的设计提高了EMC的性能。

3.1.5.3 实现功率密度分析

参照功率半导体的硬件选型参数，这里不再赘述。

3.1.5.4 无源元件数量级值

参照电感与电容的硬件选型参数

3.1.5.5 数量级频率值，这里不再赘述

3.2 硬件选型

3.2.1 选型依据

（通过多目标优化评估——帕累托（Pareto）进行器件选型）

3.2.1.1 硬件输入输出接口兼容性

电气连接包括直流输入线，交流输出线，保护地线，通信线（用于逆变器级联，连接数据采集器，用于连接电表等设备，电网调度信号线，中性线等。

3.2.1.2 硬件输入输出兼容性

信号定义会涉及逆变器级联与连接数据采集器的差分信号，用于电网调度干接点的DIN信号，用于连接阔苏关断DI信号接口作为NS保护装置信号线接口的GND，用于屏蔽层接地的PE等。

3.2.2 BOM（主要器件）

另外的，如STM32f407兼容OpenHarmony，因为f4系列软合了dsp处理所以无需另外使用dsp从处理器。考虑到尽量减少直流侧输入电流纹波，输出的正弦波尽可能的平滑与减小总谐波失真，设计了一种并联有源滤波器，它比在输入端使用批量电容更有效地补偿纹波。

关于电流与电压的总谐波失真等：有源滤波器工作在更高的电压变化下将相应的能量存储在陶瓷电容器中，陶瓷电容器的电容随着电压的降低而增加。通过算法保持Vin稳定同时允许有源滤波器产生大的波纹。输出电流结合电磁屏蔽的开环霍尔传感器形成非常紧凑的测量装置提供电流解耦并降低对共模和寄生感应噪声的敏感性。特定的GaN控制调制降低了滤波器电感中的电流可以在不达到饱和水平的情况下降低其核心尺寸。

如果要对元件有国产化要求，所以在半导体选材选择国产的半导体RX65T123PS2A,电源IC选材可以选用国产的IC芯片ID7s625等。

3.2.3 执行标准

3.2.3.1 有害物质控制

根据对应元件的数据手册进行统计

3.2.3.2 噪音控制

关于噪音的控制在上述的技术文档已经描述，这里不再赘述

3.2.3.3 恶劣天气时的控制

具体在仿真部分进行介绍

3.2.4 保险机制

3.2.4.1 设备内外的温度

具体在仿真部分介绍

3.2.4.2 散热方案与材料

根据元件的静态与动态功耗与三维机械建模的热仿真选择散热方案，测试是使用的是半导体制冷片散热。

3.2.4.3 隔热阻燃方案

具体在仿真部分介绍

3.2.4.4 防雨防尘方案

3.2.5 接地设计配置

3.2.5.1 接地方案与接地规则

按照接地配置完成，使用TN-S系统。

3.3 开关机与指示灯延迟

具体在仿真部分进行介绍

3.4 紧急情况（保险丝到达温度熔断，温度正常就恢复）

3.5 电磁合规性（EMC）

主要的拓扑结构与电容的使用方式会在仿真解析里体现EMC

附：如何学硬件开发？（学习方法）

1. 什么是电路

1.1 电路包括两大类：

• ①是信号的产生和处理电路，物理量测量电路，信号放大电路和信息处理电路等。
• ②是功率能量的产生和处理电路，交直流转换电路和直流变换电路等。

1.2 从组成上分，电路一般由散步分组成：电源，负载，中间环节。

• ①电源：提供能源
• ②负载：能量转换
• ③中间环节：将电源与负载连接成闭合电路的导线，开关等部件，也常接有测量仪表或测量设备。

1.3 电路模型：将实际电路中的元器件抽象成只有一种主要电磁特性的理想化元器件，使之能用紧缺的数学定义和数学表达式描述。

2. 电路的物理量

2.1 电流：电荷在电场力的作用下定向运动形成电流。

电流的大小用电流强度表示，其定义是单位时间内通过半导体横截面的电荷量，或者说电流i是电荷q对时间t的变化率：

电流强度简称电流，用字母I或i表示。I表示不随时间变化的直流电；i表示随时间变化的交流电流和直流电流。

公式中各部分的意思：
①dq表示电荷量的微小变化
②dt表示时间的微小变化
③I ：是电流强度（单位通常是安培，A）；
④𝑞 ：是电荷量（单位通常是库仑，C）；
⑤𝑡：是时间（单位通常是秒，s）。
补充：常用的电流单位还有 毫安mA（10 ⁻ ³A），微安：μA（10 ⁻ ⁶A）。

2.2 电压：电荷在电场力的作用下定向运动形成电流，在过程中，电场力移动电荷而做功，做功的能里用电压着一物理量表示。

电路中a和b两点之间的电压定义为把单位正电荷从a点经仍以路径移动到b点时电场里所做的功。

公式中各部分的意思：
①公式左边：表示a和b两点之间的电压（单位通常是伏特，V）
②dw 表示移动电荷dq时电场力做的功。
电压用字母u或U表示。U表示不随时间变化的直流电压；u表示随时间变化的交流电压和直流电压。
关于公式左边的计算所得判断：
①如果电场力运动电荷所做的功为正值，单位正电荷失去能量或称该段电路吸收能量，单位正电荷失去能量或称该段电路吸收能量，此时u ab就称为电压降。
②如果电场力运动电荷所做的功为负值，单位正电荷获得能量或称该段电路发初能量，u ab称为电压升。

2.3 电位：选择电路中的某一个电作为参考点，也称接地点，用符号 ⏚ 表示（实际画图中是土少一横），参考点的电位规定为0（v）。电路中其他各点与参考点之间的电压称为相应点电压。

电位用带下标的字母V表示，下标表示电位所在的点，如a点的电位用Vₐ表示。电路中任意两点a和b之间的电压差就等于这两点之间的电位差（两点之间的电压就是两点之间的电位差）：

规定电压的真实极性或方称方向是从高电位指向地点为点的，即电位降低的方向。
电路图中表示时，用“+”号表示高电位点（“+”极），用“-”号表示低电位点或称“-”极；或用箭头表示高电位点指向低电位点。
上面的公式的左边的下标左边字母是高电位点（a），右边子母（b）是低电位点。

按设定的参考极性进行电路分析计算，若计算所得电压为正值（也就是上面那个u ab 计算出的结果），则表示电压的真实极性和所设定的参考极性一致；若计算所得电压为负值，则表示电压的真实极性和所设定的参考极性相反。
补充：u的意思是电压（单位是伏特，V），i的意思是电流（单位是安培，A）。

2.4 关联和非关联参考方向及功率：指定流过元件的电流参考方向是从标注电压“+”极的一段流入，从标注电压“-”极的一端流出，即电流的参考方向与电压的参考方向一致，这种参考方向称为关联电压参考方向。

当电压u和电流i为关联参考方向时，二端原件吸收的功率为

上面的长公式的意思从左到右分别是：
第一个：功率是单位时间内做的功。
第二个：功率是单位电荷所做的功乘以电流。
第三个：功率是电压（U）乘以电流（i）。
第四个：功率是单位时间内所做的功。
第五个：功率是电压的平方初一电阻（R）。
第六个：功率是电流的平方乘以电阻（R）。
当电压u和电流i为非关联参考方向时，二端原件吸收的功率为

P的意思是功率，u表示电压，i表示电流。
对于上面两个公式：
如果p >0（负载），则为吸收正功率，表示吸收功率；
若p <0（电源），则为吸收负功率，表示产生功率。
这就是功率正负的意义（算出正的为吸收，算出负的为产生）。
对于一个完整的电路，吸收功率之和等于产生功率之和，即能量守恒。

2.5 理想无源元件：包括电阻元件，电容元件，电感元件三种，表征着三种元件电压和电流关系的物理量分别是电阻，电容，电感，他们又称为元件的参数。

欧姆定律：V=IR（以下关于u=的公式也都属于欧姆定律）
其中V代表电压（伏特，V），I代表电流（安培，A），R代表电阻（欧姆，Ω）

下面表述电阻器行为的基本公式，
当电压u与电流i取关联参考方向时：

其中u代表着电压，R代表着电阻
当电压u与电流i取非关联参考方向时：

本篇开发文档由袁睿编写，内容主要是用来提供OpenHarmony的硬件行业解决方案案例，可以更好的帮助电气相关专业的学生接触学习与结合OpenHarmony进行软硬件开发。