光伏逆變器的隔離需求及實(shí)現(xiàn)

　　隔離型ADC集成了一個(gè)16位二階Σ-Δ調(diào)制器和基于微變壓器的數(shù)字隔離功能，能夠?qū)崿F(xiàn)3.75kV的隔離，是分流電流檢測(cè)的理想之選。電流變壓器也可用于電流檢測(cè)，但它們價(jià)格昂貴、體積龐大，而且可能對(duì)外部磁場(chǎng)非常敏感。也可以使用霍爾器件，但它們?cè)诜蔷€性度和失調(diào)方面先天不足，這會(huì)影響到電流測(cè)量值的精度。將分流與集成隔離型ADC結(jié)合可提供一種可靠的低成本方案。隔離型ADC在電網(wǎng)一端也需要隔離的電源以驅(qū)動(dòng)自己，同時(shí)，可以集成基于微變壓器的隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器，從而免除使用分立式DC-DC轉(zhuǎn)換器的諸多麻煩。當(dāng)需要PLC通信時(shí)，電網(wǎng)端的PLC芯片可以由隔離式DC-DC來驅(qū)動(dòng)，而其與電池板一端控制器的通信則通過一個(gè)多通道隔離器來實(shí)現(xiàn)。

　　基于微變壓器的隔離方法也可與高電流輸出柵極驅(qū)動(dòng)器集成，以構(gòu)成全隔離半橋柵極驅(qū)動(dòng)器。圖4所示為一個(gè)并網(wǎng)PV逆變器的柵極驅(qū)動(dòng)方案的實(shí)例。對(duì)于原邊的DC-AC全橋開關(guān)，通常無需為低壓側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器（尤其是低功耗逆變器）設(shè)置隔離。對(duì)于兩個(gè)高壓側(cè)開關(guān)，具有4A驅(qū)動(dòng)能力的2通道1kV隔離式驅(qū)動(dòng)器就能勝任工作。逆變器開關(guān)位于交流端，因此，低壓側(cè)和高壓側(cè)都需要隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器。

　　圖4：三級(jí)PV逆變器的柵極驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)方案。

　　要使直流端的微控制器與交流端的逆變器直接通信，通常需要2.5kV或5kV的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器。低壓側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器可以由集成的DC-DC驅(qū)動(dòng)（其動(dòng)力來自電池板一端），而高壓側(cè)電源則可通過自舉方案來提供。

　　每個(gè)半橋柵極驅(qū)動(dòng)器均由三向隔離構(gòu)成，即輸入與輸出之間存在隔離，兩個(gè)輸出之間也有隔離。輸入到輸出的隔離通過片上變壓器提供。圖5a是1kV柵極驅(qū)動(dòng)器的變壓器結(jié)構(gòu)，圖5（b）是5kV柵極驅(qū)動(dòng)器的變壓器結(jié)構(gòu)。1kV半橋柵極驅(qū)動(dòng)器用三裸片單封裝實(shí)現(xiàn)，包括一塊輸入芯片和兩塊相同的柵極驅(qū)動(dòng)器芯片。

　　如圖5（a）所示兩個(gè)1kV變壓器在輸入芯片上實(shí)現(xiàn)，每個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器輸出端各一個(gè)。輸入與底部線圈相連，底部線圈與頂部線圈之間由2.64μm厚的氧化物隔離，而頂部線圈相互之間則通過橫向氧化物來實(shí)現(xiàn)隔離。這兩個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器芯片位于其相互分離的底盤上，并通過芯片間焊線與輸入芯片處的頂部線圈相連。5kV柵極驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)方法與此相似，只是頂部線圈與底部線圈之間是通過20mm厚的聚酰亞胺材料進(jìn)行隔離的。

　　圖5：變壓器結(jié)構(gòu)（a）1 kV柵極驅(qū)動(dòng)器；（b）2.5kV柵極驅(qū)動(dòng)器。

　　對(duì)于多逆變器并聯(lián)系統(tǒng)（如串式逆變器），逆變器之間也需要通信，這一般是通過RS-485總線、RS-232總線或者CAN總線（需要隔離時(shí)）實(shí)現(xiàn)的。自驅(qū)動(dòng)隔離收發(fā)器將能夠從電池板端獲得總線端所需的電源。

　　微逆變器也開始受到人們的青睞，因?yàn)樗鼈冇兄谔嵘到y(tǒng)的可靠性和性能。它們還有利于解決串式逆變器存在的潛在直流電弧問題。微逆變器一般安裝在樓頂電池板的下方，這種條件下的環(huán)境溫度可能非常高。高溫會(huì)加快光耦合器中LED性能的下降；另一方面，基于微變壓器的隔離方法，其性能不會(huì)隨時(shí)間而下降，在這些極端條件下表現(xiàn)卓越。微逆變器可以使用單級(jí)逆變器來取代全三級(jí)逆變器，以降低系統(tǒng)成本。每個(gè)微逆變器的功耗可能僅僅只有兩三百瓦，在這一功耗水平下，隔離集成方法為降低系統(tǒng)成本、提升系統(tǒng)可靠性帶來了許多系統(tǒng)集成的可能性。

　　本文小結(jié)

　　基于微變壓器的隔離集成方法是滿足并網(wǎng)PV逆變器、中央逆變器或微逆變器的隔離需求的理想解決方案。其集成式信號(hào)和電源隔離能力可以大幅減少元件數(shù)量，提高系統(tǒng)可靠性和使用壽命，同時(shí)，其精密的柵極驅(qū)動(dòng)時(shí)序特性則可能進(jìn)一步提高逆變器的效率。利用基于微變壓器的隔離型ADC，可以對(duì)電網(wǎng)電流和電壓進(jìn)行更加準(zhǔn)確的測(cè)量，最終給電網(wǎng)帶來高品質(zhì)的單位功率因數(shù)正弦電流。