生活中，小功率电源装置常常成为我们的需求，特别是在停电或户外旅行等情境下，它显得尤为重要。小功率电源（常被称为户外电源）的架构涵盖了光伏发电、电池充电管理、USB/Type-C充电接口，以及逆变单元等多个组件。其中，逆变单元作为核心部件，负责将电池包中储存的低压直流电能高效转换为市电AC220V，从而为交流负载提供稳定电力。在选择电池输出电压时，通常考虑12V、24V和48V等选项，具体取决于设计需求。本文将围绕输入DC24V、输出AC220V的硬件方案展开讨论。接下来，我们将深入了解户外电源的结构，如图1所示。
在电源网，我们曾深入探讨了《两级式单相并网逆变器研究与建模》的专题，该专题共包含13节内容，详尽地剖析了由推挽谐振变换器和全桥逆变电路所构成的逆变器的工作原理，并介绍了模型搭建的方法。
图1中所示的逆变单元拓扑结构如图2所描绘。为了设计成小功率逆变器，前级选用了谐振型推挽拓扑来进行升压，将电池包中的低压有效地转换为满足逆变标准的直流高压。在前级推挽拓扑的变压器副边加入了电容元件，以确保高压侧能处于谐振状态，从而实现原边开关管的零电流（ZCS）关断。软开关技术的应用能够提升变换器的工作频率，降低开关过程中的损耗，进而提高变换器的功率密度并减小其体积。后级则采用了全桥逆变电路的拓扑结构，将直流电能高效地逆变为交流电能，以供交流负载使用。在逆变过程中，我们采用了SPWM调制方式，将直流电压逆变为幅值为311V、频率为50Hz的正弦波。同时，后级逆变器通过单极性等效双极性SPWM调制方式，进一步优化了正弦波的电能质量。
控制电路由两部分组成：前级谐振型推挽变换器采用SG3525型PWM控制器进行控制，而后级全桥逆变器则由单片机进行调控。SG3525脉宽调制器是一种模拟方式实现的调制方式，其设计中的PWM占空比被设定为0.5，且工作频率与谐振频率保持一致。推挽电路在开环模式下运作，旨在确保在负载发生变化时，电源仍能维持在其最佳工作点。后级逆变电路则采用双PI调制，将前级变换得到的高压直流电高效逆变为满足用电器需求的交流电。此外，本文所提出的功率级架构实现了软开关功能，兼具高效率和功率密度，因而具有广泛的实用性。
基于上述工作原理，我们构建了两级式逆变单元的仿真模型，如图3所示。该模型涵盖了推挽谐振变换器、推挽控制器、单相逆变器以及双PI闭环调节器等核心组件。
在阻性负载条件下，我们设定输出功率为200W，并选择仿真步长为1×10e-7，仿真时间持续0.2s。经过仿真，我们获得了如图4所示的波形图。
图4展示了仿真波形图，其中a图描绘了Q2的漏源电压Vds、门极驱动电压Vgs以及漏源电流Ids的变化情况。b图则显示了推挽变换器的输出电压Vo和高压侧谐振电流Ir的波形。c图进一步展示了逆变器的输出电压Vo_ac和输出电流Io_ac。
在谐振频率点处工作的推挽谐振变换器，其开关管Q1和Q2均能实现软开关，从而确保了变换器的高效率。我们的仿真结果验证了所设定参数的合理性。接下来，我们着手进行样机的设计，并成功构建了两级式逆变器，如图5所示。
(1) 在100W负载条件下，输入电压为24V时，逆变器的工作波形如图6所示。
图6展示了在100W负载条件下，输入电压为24V时，逆变器的工作波形细节。其中，a图描绘了直流输入电流iin的波形，b图则显示了流过Q2漏源的电流ids及其对应的Q2漏源极电压Vds，c图描绘了推挽变换器的谐振电流ir与直流母线电压Vbus，而d图则展示了输出电流io与输出电压Vo的波形。
接下来，我们测试了200W负载条件下的逆变器工作情况，输入电压仍为24V，其工作波形如图7所示。
图7展示了在200W负载条件下，输入电压同样为24V时，逆变器的工作波形细节。其中，a图描绘了直流输入电流iin的波形，b图则显示了流过Q2漏源的电流ids及其对应的Q2漏源极电压Vds，c图描绘了推挽变换器的谐振电流ir与直流母线电压Vbus，而d图则展示了输出电流io与输出电压Vo的波形。
基本参数：该逆变器配备了2个USB充电接口，每个接口的最大输出功率均达到18W，支持多种电压和电流规格，包括5V3.4A、9V2A和12V1.5A。此外，它还兼容BC1.2、Apple、三星等充电协议，以及高通QC2.0、OC3.0、华为FCP和三星AFC等快充技术。
2个Type-C接口，其中接口1的最大输出功率达到30W，支持多种电压和电流规格，包括5V、9V、12V、15V和20V。该接口还兼容PD2.0/PD3.0(PPS)输出协议，以及QC2.0、QC3.0、MTK PE、华为FCP、SCP、三星AFC和展讯SFCP等多种快充技术。接口2的最大输出功率更是高达60W(20V3A)，同样支持PD2.0/PD3.0/PPS/QC4+/QC4/QC3.0/QC2.0/AFC等快充协议。此外，该逆变器还具备DC输入功能，可接受18V/3.5A的外部电源输入，并支持外接太阳能充电板(MPPT)进行充电。同时，AC输出端提供500W/220V的稳定电压输出。
在安全性方面，该逆变器采用了完备的保护功能，如输入输出过压、过流、短路保护等，并通过软/硬件多重保护机制确保电源安全。