DC-AC逆变器
一.主方案设计
1.1 拓扑图
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（一对一片的控制）
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
| 元件类型 | 选型依据 | 选型建议 | 注意事项 |
|---|---|---|---|
| Diode | 高频检波电路 | 锗检波二极管 | 配对二极管不要混组 |
| 小型化 | 微型化和片状化 | 1、建议最大电流+△I要求小于电感饱和电流的80% 2、使用DC-DC-Designer软件计算电感值 |
|
| Inductor | 标称电感值 | 参考供应商产品目录的参数 | |
| 自共振频率 | |||
| 直流电阻 | |||
| 额定电流 | |||
| 直流重叠允许电流 | |||
| 温度上升允许电流 | |||
| Resistor | 贴片电阻 | 根据成本和稳定性需求选择薄膜or厚膜 | |
| SPICE NMOS | 封装尺寸 | 基本上封装越大，能承受的电流就越大 | |
| 导通电压Vgs | 尽量选择比实际电路中可提供的控制电压小的 | ||
| 导通电阻Rds | 越小越好相应的导通电阻越小、分压越小、发热也越小 | ||
| 寄生电容Cgs | 会影响mos的打开速度。寄生电容太大，方波会失真Rds越小，Cgs越大 |
（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）
| 理论取值范围 | 选型 | 名称 | 参数 |
|---|---|---|---|
| 处理器 | ICTCAST-HI3861或STM32f4系列（例） | / | |
| 10μh-50μh | 共模 | 共模滤波器 | 22uH@100kHz 310mA |
| 200μh-1mh | 共模 | 共模滤波器 | 300Ω@100MHz 5A |
| 10μh-20μh | 差模 | 卧式差模电感 | 15μh |
| <15μF | |||
| <150μF | |||
| 1μF-5μF | 电容 | 贴片电容（MLCC） | 4.7μF±10% 100V |
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
四. 开放的辅助内容