先進(jìn)的數(shù)字隔離技術(shù)提高太陽(yáng)能逆變器可靠性

　　一百多年來(lái)火力發(fā)電設(shè)施已被證明是穩(wěn)定和可靠的能量來(lái)源，但這些設(shè)施巨大而復(fù)雜，并且構(gòu)建成本日益高漲。同時(shí)，以最小的碳排放和環(huán)境影響標(biāo)準(zhǔn)來(lái)運(yùn)行這些設(shè)施也面臨著極大挑戰(zhàn)和成本壓力。相比之下，現(xiàn)代光伏（PV）電力系統(tǒng)成為火力發(fā)電廠的合理替代方案，其可以提供更低的長(zhǎng)期運(yùn)行成本、模塊化的可擴(kuò)展性、更高效，同時(shí)碳排放比集中式發(fā)電設(shè)施低很多。

　　光伏發(fā)電系統(tǒng)由多個(gè)部分組成，例如把光能轉(zhuǎn)換成電能的光伏面板、機(jī)械、電氣連接器、配件，以及把太陽(yáng)能產(chǎn)生的電輸送到電網(wǎng)過(guò)程中必不可少的太陽(yáng)能逆變器等。

　　什么是太陽(yáng)能光伏逆變器？

　　光伏面板把太陽(yáng)光轉(zhuǎn)換成直流電，而為了使線路損耗最小化，并且將電能傳輸更遠(yuǎn)距離，直流電必須轉(zhuǎn)換成高壓交流電。太陽(yáng)能光伏逆變器可以實(shí)現(xiàn)上述直流電到交流電的轉(zhuǎn)換，是所有光伏發(fā)電系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分。然而，這僅僅是光伏逆變器的關(guān)鍵功能之一。

　　光伏逆變器還具有電網(wǎng)斷開(kāi)能力，防止光伏發(fā)電系統(tǒng)給未連接的公共服務(wù)系統(tǒng)提供電源；也就是說(shuō)，如果在電網(wǎng)斷開(kāi)期間，逆變器維持在線狀態(tài)，或者在為不可靠的連接提供電源時(shí)，會(huì)引起光伏發(fā)電系統(tǒng)饋電本地公共服務(wù)系統(tǒng)中的變壓器，并在公共服務(wù)系統(tǒng)電線上產(chǎn)生幾千伏電壓，將危及公共服務(wù)設(shè)備操作工人的安全。安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范IEEE1547和UL1741規(guī)定：當(dāng)交流電壓或頻率超過(guò)規(guī)范限度時(shí)，與電網(wǎng)連接的逆變器必須斷開(kāi)，或者當(dāng)電網(wǎng)不再存在時(shí)，必須完全關(guān)閉。當(dāng)重新連接后，逆變器不能立即傳輸電源，需要等到逆變器檢測(cè)到額定公共服務(wù)系統(tǒng)電壓和頻率超過(guò)五分鐘。當(dāng)然，逆變器的職責(zé)不僅如此。

　　逆變器也用于補(bǔ)償影響電能輸出的環(huán)境因素。例如，光伏面板的輸出電壓和電流對(duì)于溫度和電池單位面積上光照強(qiáng)度（又稱為“光強(qiáng)”）的變化是高度敏感的。電池的輸出電壓與電池溫度成反比關(guān)系，而電池電流與光強(qiáng)成正比關(guān)系。這些與其他關(guān)鍵參數(shù)的變化導(dǎo)致最佳逆變電壓/電流工作點(diǎn)顯著移動(dòng)。變頻器通過(guò)采用閉環(huán)控制以維持在所謂的最大功率點(diǎn)（MPP）來(lái)解決上述問(wèn)題，因?yàn)樵谶@個(gè)點(diǎn)上電壓和電流的乘積最大。除此之外，逆變器還支持服務(wù)操作中手動(dòng)和自動(dòng)輸入/輸出斷開(kāi)、電磁干擾/射頻干擾（EMI/RFI）傳導(dǎo)和輻射抑制、接地故障中斷、PC機(jī)兼容的通信接口和更多。逆變器被封裝在一個(gè)堅(jiān)固耐用的盒子中，能夠在室外全功率運(yùn)行25年以上。這真是不小的壯舉！

　　詳細(xì)介紹

　　如圖1所示，單相光伏逆變器采用一個(gè)數(shù)字電源控制器和一對(duì)高壓側(cè)/低壓側(cè)（high-side/low-side）門驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)脈沖寬度調(diào)制（PWM）的全橋轉(zhuǎn)換器。全橋拓?fù)渫ǔＳ糜谀孀兤鲬?yīng)用中，因?yàn)樗侨魏伍_(kāi)關(guān)模式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中承載能力最高的。參考圖1A，PWM電壓開(kāi)關(guān)作用在全橋輸出上產(chǎn)生一個(gè)離散的（盡管有些噪聲）60Hz電流波形。高頻噪聲部分被濾波，并產(chǎn)生合適的低振幅60Hz正弦波，如圖1B所示。濾波后的波形通過(guò)輸出變壓器傳輸，此變壓器有三項(xiàng)功能：1）進(jìn)一步平滑交流波形；2）調(diào)制電壓振幅以滿足特定電網(wǎng)需求；3）對(duì)逆變器的直流輸入和高壓交流電網(wǎng)進(jìn)行電氣隔離。

　　圖1：?jiǎn)渭?jí)、單相逆變器框圖

　　光伏逆變器設(shè)計(jì)需要充分權(quán)衡，如果權(quán)衡錯(cuò)誤，可能使設(shè)計(jì)師備受煎熬。例如，光伏發(fā)電系統(tǒng)既要可靠運(yùn)行，完全額定輸出達(dá)25年以上，同時(shí)價(jià)格具有競(jìng)爭(zhēng)力，所以設(shè)計(jì)人員需進(jìn)行成本/可靠性權(quán)衡。光伏發(fā)電系統(tǒng)使用高效率的逆變器，因?yàn)楦咝誓孀兤鞅鹊托誓孀兤鬟\(yùn)行溫度更低，持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，并且可以為光伏發(fā)電系統(tǒng)制造商和用戶節(jié)省更多費(fèi)用。

　　永無(wú)止境的追求更高效率逆變器則需要更多的設(shè)計(jì)權(quán)衡，這將影響元器件的選擇（主要是門驅(qū)動(dòng)器、電源開(kāi)關(guān)和磁性元器件，例如變壓器）；PCB構(gòu)造和逆變器封裝熱需求。光伏面板的輸出電壓也隨著陽(yáng)光下的暴露程度不同而變化，因此使逆變器輸入電壓范圍適應(yīng)光伏面板的輸出電壓范圍將非常有用。這又將產(chǎn)生更多的設(shè)計(jì)權(quán)衡，進(jìn)一步影響系統(tǒng)的復(fù)雜性、成本和效率，而這僅僅是硬件部分?，F(xiàn)在讓我們來(lái)看看控制方面的問(wèn)題。

　　逆變器的“大腦”是控制器，通常是數(shù)字功率控制器（DPC）或數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）。一般情況下，控制器的固件通過(guò)狀態(tài)機(jī)方式實(shí)現(xiàn)，這是實(shí)現(xiàn)非中斷（失?。┐a的最有效方法，可以防止執(zhí)行無(wú)意中進(jìn)入一個(gè)無(wú)限循環(huán)。固件執(zhí)行是分級(jí)的，服務(wù)高優(yōu)先級(jí)的功能比低優(yōu)先級(jí)的功能更加頻繁。在光伏逆變器中，通常隔離反饋回路補(bǔ)償和電源開(kāi)關(guān)調(diào)制有最高優(yōu)先級(jí)，然后是支持UL1741和 IEEE 1547安全標(biāo)準(zhǔn)的電路保護(hù)功能，接下來(lái)是效率控制（MPP）。其余的固件大多為：在業(yè)務(wù)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化操作、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行以及支持系統(tǒng)通信任務(wù)。

　　光伏逆變器要在高溫和/或嚴(yán)寒中工作25年，我們?cè)谶x擇用于逆變器的元器件時(shí)要特別注意。很明顯，一些元器件，例如用于濾波的電解電容和用于光電隔離的光電耦合器，不可能有25年的壽命。電解電容會(huì)干涸并枯竭，光電耦合器的LED亮度會(huì)逐漸暗淡，直到停止運(yùn)行。對(duì)于這些脆弱元器件的解決方法是采用高質(zhì)量的薄膜電容器（有更高可靠性，但也需要更高成本）進(jìn)行替換。而最佳的長(zhǎng)期解決方案是放棄光電耦合器而采用先進(jìn)的CMOS工藝隔離元器件。

　　CMOS工藝技術(shù)提供高可靠性、低成本、高速率、小尺寸、低功耗、在極端電壓和溫度范圍內(nèi)運(yùn)行穩(wěn)定性，以及其他許多值得擁有的特性。與光電耦合器中所用的砷化鎵（GaAs）工藝技術(shù)不同，采用CMOS工藝制造的器件沒(méi)有內(nèi)在機(jī)械磨損。底層CMOS隔離單元是電容性、全差分和高度優(yōu)化的，這滿足嚴(yán)格的時(shí)序性能、低功耗，以及由外場(chǎng)和快速共模瞬變而造成數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的高免疫力。事實(shí)上，將CMOS工藝技術(shù)結(jié)合專有的硅產(chǎn)品設(shè)計(jì)，其帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)使隔離器件更加牢靠，更“接近理想”隔離器件。與以前大家看到的有所不同，這些器件提供更完整的功能集成度、大幅提高可靠性（60年以上的隔離柵壽命）；可在最大VDD下，支持-40℃到+125℃連續(xù)運(yùn)行溫度范圍，大幅提高性能、降低功耗、節(jié)省電路板面積并提高易用性。

　　21世紀(jì)光伏逆變器元器件解決方案

　　如圖1所示，光伏逆變器的結(jié)構(gòu)并非僅限于單相、基于變壓器的逆變器。其他常見(jiàn)類型包括：高頻率、雙極型、三相無(wú)變壓器和電池供電逆變器。雖然其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)彼此不同，但通常共用相同的元器件解決方案?？驁D2中顯示幾個(gè)使用在基于變壓器、三相逆變器的CMOS工藝隔離器件。

　　圖2：使用CMOS隔離器件的三相逆變器

　　這是一個(gè)典型的閉環(huán)結(jié)構(gòu)，數(shù)字控制器調(diào)節(jié)電源開(kāi)關(guān)的占空比，迫使光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓的幅值和相位與電網(wǎng)需求精確匹配。隔離門驅(qū)動(dòng)器在單一封裝中集成安全認(rèn)證過(guò)的電氣隔離（1kV、2.5kV或5kV等級(jí)）和高壓側(cè)（high-side）電平轉(zhuǎn)換功能，不需要外部隔離器件。每個(gè)驅(qū)動(dòng)器輸出與其他輸出隔離，使正負(fù)電壓輸出可以混合使用，而不會(huì)產(chǎn)生閉鎖效應(yīng)（latch-up）。

　　反饋到控制器的電流由一個(gè)4mm x 4mm x 1mm的CMOS隔離交流電流感應(yīng)器提供（其1kV隔離等級(jí)受限于封裝，更大封裝版本有高達(dá)5kVrms等級(jí)）。此單芯片感應(yīng)器具有比電流感應(yīng)變壓器更寬的溫度范圍、更高精度及可靠性。該傳感器在每個(gè)周期復(fù)位，由數(shù)字控制器產(chǎn)生的逆變器門控制信號(hào)產(chǎn)生周期信號(hào)，從而無(wú)需外部復(fù)位電路。電網(wǎng)反饋是系統(tǒng)反饋控制機(jī)制的重要組成部分。電阻衰減器用于降低電網(wǎng)電壓到PWM調(diào)制器兼容的范圍，把正弦波輸入轉(zhuǎn)換成一個(gè)離散的PWM波形，并且由CMOS數(shù)字隔離器安全隔離。

　　展望未來(lái)

　　光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)于發(fā)電領(lǐng)域來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)相對(duì)較新的技術(shù)。和其他新興技術(shù)一樣，光伏發(fā)電系統(tǒng)將隨著技術(shù)的成熟而迅速變化，其無(wú)疑將持續(xù)發(fā)展，以滿足市場(chǎng)對(duì)更高容量、更低成本和更高可靠性的需求。當(dāng)出現(xiàn)這些需求時(shí)，光伏逆變器將在功能性上進(jìn)一步擴(kuò)展，設(shè)計(jì)人員將需要更高集成度、特定應(yīng)用相關(guān)的元器件級(jí)裝置，這將進(jìn)一步促進(jìn)和推動(dòng)CMOS工藝隔離技術(shù)的創(chuàng)新。隨著不斷發(fā)展，光伏發(fā)電系統(tǒng)將變得更加普遍，最終成為公共服務(wù)設(shè)施中的主流，從而大大減少我們對(duì)火力發(fā)電的依賴。