為太陽能逆變器應(yīng)用選擇合適的數(shù)字隔離器的六個簡單步驟

根據(jù)國際能源署 (IEA) 的數(shù)據(jù)，隨著太陽能逆變器市場快速增長，設(shè)計人員必須能夠更快地設(shè)計系統(tǒng)以滿足市場需求。但是這些類型系統(tǒng)的高電壓需要在組件選擇和系統(tǒng)設(shè)計方面格外小心，以開發(fā)安全運(yùn)行的設(shè)備。由于 1,000 V RMS 的系統(tǒng)電壓和 5 V 微控制器 (MCU) 在太陽能逆變器系統(tǒng)中共存，因此高低壓側(cè)之間的隔離是給定的。工程師選擇正確的數(shù)字隔離器有助于確保這些系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖 1 顯示了無變壓器并網(wǎng)太陽能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的簡化系統(tǒng)框圖。太陽能由光伏 (PV) 面板收集并由后級 DC/DC 和 DC/AC 轉(zhuǎn)換器處理。DC/DC 轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)太陽能的最大功率點(diǎn)跟蹤 (MPPT)。DC/AC 逆變器將 DC 電源轉(zhuǎn)換為 AC 電源以連接到公用電網(wǎng)。

圖 1：無變壓器太陽能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的典型系統(tǒng)框圖

控制模塊處理來自電壓和電流傳感器的反饋信號，并向絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)/碳化硅 (SiC) MOSFET 柵極驅(qū)動器提供正確序列和頻率的脈寬調(diào)制 (PWM) 控制信號以調(diào)節(jié)電源轉(zhuǎn)換器的電壓和電流。電壓和電流調(diào)節(jié)旨在實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)的 MPPT 和潮流控制?？刂颇K通過 RS-485、控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò) (CAN) 或工業(yè)以太網(wǎng)等標(biāo)準(zhǔn)通信接口與控制網(wǎng)絡(luò)的其余部分連接。

此外，控制模塊具有人類可以接觸到的部件；例如，通信接口的連接器。這些外露部件與高壓電路（連接到直流母線和公用電網(wǎng)的電路）之間需要足夠的安全隔離。隔離式柵極驅(qū)動器、隔離式電壓放大器和電流檢測放大器可以實(shí)現(xiàn)這種隔離。在圖 1 中，顯示了一個人類可訪問的控制模塊，隔離式柵極驅(qū)動器的輸入側(cè)和隔離式放大器的輸入側(cè)以接地為參考，與高壓系統(tǒng)安全隔離。圖 2 顯示了如何在控制模塊和通信接口之間引入額外的隔離。

圖 2：無變壓器太陽能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的替代系統(tǒng)框圖

國際電工委員會 (IEC) 62109-1 是太陽能轉(zhuǎn)換器的安全標(biāo)準(zhǔn)。本標(biāo)準(zhǔn)定義了設(shè)計和制造電力轉(zhuǎn)換設(shè)備 (PCE) 的最低要求，以防止電擊、能量、火災(zāi)、機(jī)械和其他危險。我們如何選擇合適的隔離器來滿足 IEC62109-1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的隔離要求？這是我們可以遵循的簡單六步流程。

步驟 1：確定系統(tǒng)中存在的隔離器，并確定每個隔離器是否需要功能性、基本或增強(qiáng)型隔離。可以通過兩個串聯(lián)的基本隔離器或一個增強(qiáng)型隔離器來實(shí)現(xiàn)安全隔離。在圖 1 中，隔離式柵極驅(qū)動器以及隔離式電壓和電流檢測電路都需要支持增強(qiáng)隔離。在圖 2 中，數(shù)字隔離器需要支持增強(qiáng)隔離，因?yàn)楦綦x的柵極驅(qū)動器和放大器以 DC– 為參考，并且僅實(shí)現(xiàn)了功能隔離。

第 2 步：確定系統(tǒng)電壓。PV 和并網(wǎng)電路的系統(tǒng)電壓分別定義。對于光伏電路，系統(tǒng)電壓是光伏電池板的開路電壓。對于并網(wǎng)電路，系統(tǒng)電壓取決于接地方案。中性接地的三相 400 V RMS Terra Neutral (TN) 電網(wǎng)電壓具有 230 V RMS的系統(tǒng)電壓。并網(wǎng)電路不允許插值系統(tǒng)電壓；因此，我們將需要使用下一個更高的系統(tǒng)電壓。例如，根據(jù) IEC62109-1，230V RMS的系統(tǒng)電壓被視為 300V RMS。三相480V RMS角接地系統(tǒng)的系統(tǒng)電壓為480V有效值。

步驟3：根據(jù)IEC62109-1標(biāo)準(zhǔn)確定每個隔離器對臨時過電壓和沖擊/浪涌電壓的要求。我們可以根據(jù)預(yù)先確定的系統(tǒng)電壓和過電壓類別確定臨時電壓和脈沖電壓要求，同時遵守 IEC62109-1 中定義的規(guī)則。對于增強(qiáng)隔離，我們將需要使用下一個更高級別的脈沖電壓，同時將臨時過壓要求加倍。

第4 步：確定設(shè)計中使用的每個隔離器所需的間隙。我們可以根據(jù)步驟 4 中確定的脈沖電壓和暫時過電壓以及污染程度，同時遵循 IEC62109-1 中定義的規(guī)則來推導(dǎo)出間隙。對于增強(qiáng)隔離，我們將需要使用下一個更高的脈沖電壓和 1.6 倍的過電壓。

第五步：根據(jù)隔離器的實(shí)際工作情況確定工作電壓（峰值和有效值）。確定工作電壓并不簡單，取決于系統(tǒng)電壓、系統(tǒng)配置和操作模式。例如，DC/AC逆變器的工作電壓取決于調(diào)制指數(shù)。更高的調(diào)制指數(shù)意味著更高的工作電壓。我們可以將直流母線電壓視為最壞情況下的工作電壓。

第 6 步：根據(jù) IEC62109-1 根據(jù)工作電壓確定爬電距離。我們可以按照 IEC 62109-1 中定義的規(guī)則，根據(jù)工作電壓、污染程度和封裝模塑料材料確定爬電距離。對于增強(qiáng)隔離，我們需要將爬電距離要求加倍。

選擇隔離器時，請確保其滿足上述步驟中獲得的浪涌電壓、暫時過電壓、工作電壓、爬電距離和間隙要求。勾選完這六個步驟后，我們就可以很好地設(shè)計一個強(qiáng)大的太陽能逆變器系統(tǒng)。