先進的數字隔離技術提高了太陽能逆變器的可靠性v

介紹

一個多世紀以來，化石燃料發(fā)電設施一直被證明是堅固可靠的能源，但這些久經考驗的電力設施規(guī)模大、復雜，而且建造成本越來越高。以最小的碳足跡和環(huán)境影響清潔地操作它們也具有挑戰(zhàn)性和成本高昂。相比之下，現代光伏（PV）電力系統為化石燃料發(fā)電廠提供了一種可持續(xù)的替代方案，與集中式發(fā)電設施相比，它提供了更低的長期運營成本、模塊化的可擴展性、更高的效率和顯著更低的碳足跡。

光伏電力系統由多個組件組成，如將太陽光轉換為電力組件的光伏板、機械和電氣連接和安裝，以及太陽能逆變器，這對向電網輸送太陽能發(fā)電至關重要。

光伏板將陽光轉換為直流電壓，直流電壓必須轉換為高壓交流，以減少線路損耗，使更長的電力傳輸距離。光伏太陽能逆變器執(zhí)行這種直流-toac轉換，是任何光伏發(fā)電系統中最關鍵的組件。然而，這只是光伏逆變器提供的一個關鍵功能。

光伏逆變器還提供了電網斷開能力，以防止光伏系統為斷開的公用事業(yè)供電；也就是說，在電網斷開或通過不可靠的連接提供電力時，一個逆變器會導致光伏系統反饋本地公用事業(yè)變壓器，在電線桿上產生數千伏特，危及公用事業(yè)工人。安全標準規(guī)范IEEE 1547和UL 1741規(guī)定，當交流線路電壓或頻率不在規(guī)定的范圍內時，所有并網連接的逆變器必須斷開，如果電網不再存在，則必須關閉。在重新連接時，逆變器不能提供電力，直到逆變器檢測到額定公用電壓和頻率超過5分鐘的周期。但是，這并不是逆變器職責的終結。

該逆變器還可以補償影響功率輸出的環(huán)境條件。例如，光伏面板的輸出電壓和電流非常容易受到每個單元單位面積的溫度和光強度變化的影響（稱為“輻照度”）。電池輸出電壓與電池溫度成反比，電池電流與輻照度成正比。

這些和其他關鍵參數的廣泛變化導致最佳的逆變器電壓/電流運行點顯著移動。逆變器通過使用閉環(huán)控制來維持所謂的最大功率點（MPP）來解決這個問題，其中電壓和電流的乘積在其最高值。除了這些任務，逆變器還支持手動和自動輸入/輸出斷開的服務操作、EMI/RFI傳導和輻射抑制、接地故障中斷、PC兼容的通信接口等。封裝在一個堅固的包裝中，該逆變器能夠保持在全功率的戶外運

行超過25年。不小的壯舉！

圖1中所示的單相光伏逆變器示例使用了一個數字功率控制器和一對高側/低側柵極驅動器來驅動一個脈寬調制（PWM）全橋轉換器。全橋拓撲通常用于逆變器應用，因為它具有任何開關模式拓撲中最高的功率承載能力。參照圖1A，PWM電壓開關動作在全橋輸出處合成了一個離散的（盡管是有噪聲的）60Hz電流波形。對高頻噪聲分量進行電感濾波，產生圖1B所示的中低振幅的60 Hz正弦波。

圖1。單級、單相逆變器方框圖

濾波后的波形通過一個執(zhí)行三種功能的輸出變壓器：首先，它進一步平滑交流波形；第二，它校正電壓振幅值以滿足指定的電網要求，第三，它電隔離逆變器的直流輸入從高壓交流電網。

光伏逆變器的設計充滿了設計妥協，如果錯誤的權衡，可能會引起設計師的悲傷。例如，光伏系統預計至少在25年內可靠運行和全額定輸出，但它們需要價格具有競爭力，迫使設計師做出艱難的成本/可靠性權衡。光伏系統需要高效的逆變器，因為效率較高的逆變器比效率較低的逆變器運行得更冷，壽命更長，而且它們?yōu)楣夥到y制造商和用戶節(jié)省了現金。

對高逆變器效率的不斷追求創(chuàng)造了更多的設計權衡，可以影響組件的選擇（主要是門驅動器、電源開關和磁性組件，如變壓器）、PCB結構和逆變器封裝的熱要求。光伏面板的輸出電壓也會隨著陽光照射的變化而嚴重變化；因此，使逆變器的輸入電壓范圍與光伏面板的輸出電壓范圍相匹配是有益的。

這創(chuàng)造了更多的設計權衡，進一步影響了系統的復雜性、成本和效率，而這只是硬件?，F在讓我們來看看這個問題的控制方面。

逆變器背后的“大腦”是它的控制器，通常是一個數字功率控制器（DPC）或數字信號處理器（DSP）。通常，控制器的固件以狀態(tài)機格式實現，以便使用非阻塞（跌落）代碼實現最有效的執(zhí)行，從而防止執(zhí)行無意中進入一個無盡的循環(huán)。

固件執(zhí)行是層次結構的，通常比最高優(yōu)先級的函數更頻繁地服務于低階函數。在光伏逆變器的情況下，隔離反饋回路補償和電源開關調制通常是最高優(yōu)先級的，其次 是支持UL 1741和IEEE 1547安全標準的關鍵保護功能，最后是效率控制（MPP）。其余的固件任務主要涉及當前操作點的優(yōu)化操作、監(jiān)控系統運行和支持系統通信。

光伏逆變器暴露在高溫和/或冷低溫下25年，導致人們在考慮逆變器中使用的組件時暫停。顯然，諸 如過濾波紋的電解電容器和提供電流隔離的電耦合器等組件，沒有機會“走這個距離”。電解電容器干燥和死亡，光耦合器的LED亮度逐漸減弱為微弱的輝光，停止工作。這些精密組件的解決方案包括用高價值的薄膜電容器替換電解電容器（可靠性更高，但成本明顯更高）。最佳的長期解決方案是摒棄光耦合器，轉而支持現代CMOS隔離組件。

CMOS工藝技術具有高可靠性、成本效益、高速運行、小特性尺寸、低運行功率、在極端電壓和溫度下的運行穩(wěn)定性以及許多其他理想特性等優(yōu)點。此外，與光耦合器中使用的砷化鎵（砷化鎵）工藝技術不同，在CMOS中制造的器件沒有固有的磨損機制。底層的CMOS隔離單元是電容性、完全差分和高度優(yōu)化的，具有緊密的定時性能、低功耗操作和對外部場和快速共模瞬態(tài)引起的數據錯誤的高抗擾性。

事實上，CMOS工藝技術與專有的硅產品設計相結合所帶來的優(yōu)勢，首次使健壯的、“接近理想的”的隔離設備成為可能。這些設備提供了更大的全面功能集成，更高的可靠性（60+年隔離屏障壽命），40°C到+125°C的最大VDD連續(xù)運行，以及在性能、功耗、板空間節(jié)省和易用性方面的顯著改進。

21世紀光伏逆變器組件解決方案 

光伏逆變器架構不以圖1所示的單相變壓器逆變器結束。其他常見的類型包括高頻、雙極、三相、無變壓器和電池供電的逆變器。雖然這些拓撲彼此不同，但它們通常都需要相同的組件解決方案。圖2中的框圖顯示了基于變壓器的三相相變器中使用的幾種CMOS隔離裝置。

圖2。使用CMOS隔離組件的三相逆變器

這是一個經典的閉環(huán)架構，其中數字控制器調制功率開關的占空比，以迫使光伏系統輸出電壓的幅值和相位與電網的完全匹配。這些隔離門驅動器將安全認證的電隔離（額定功率為1 kV、2.5 kV或5 kV）和高側電平移動功能集成在一個封裝中，消除了外部隔離設備的需要。每個驅動器輸出與下一個輸出隔離，可以在不閉鎖的情況下使用正電壓。

控制器的電流反饋由單個4mmx4mmx1mm1mmCMOS隔離交流電流傳感器提供（其1 kV隔離額定值受封裝尺寸的限制——較大的封裝版本額定值高達5 kVrms）。與電流傳感傳感器相比，這些單片傳感器具有更寬的溫度范圍、更高的精度和更高的可靠性。使用數字控制器產生的逆變器門控制信號對傳感器進行

循環(huán)復位，消除了外部復位電路的需要。電網反饋是系統反饋控制機制的重要組成部分。電阻式衰減器用于將電網電壓降低到與PWM調制器兼容的范圍，PWM調制器將正弦波輸入轉換為離散的PWM波形，并由CMOS數字隔離器進行安全隔離。

結論

光伏系統相對來是能源生產領域的新手。與其他新興技術一樣，光伏系統隨著技術的成熟將發(fā)生快速變化。因此，光伏系統無疑將繼續(xù)發(fā)展，以滿足市場對更高容量、更低成本和更高可靠性的需求。隨著這種情況，PV逆變器的功能將擴大，設計師將需要更集成的、特定于應用的組件級設備，以進一步利用和推動CMOS隔離的創(chuàng)新。隨著這些事件的發(fā)展，光伏發(fā)電系統將變得更加廣泛，并最終成為公用事業(yè)主流的一個可行部分，大大減少了我們對化石燃料的依賴。