如何利用微變壓器集成隔離功能

過去幾年，光伏(PV)產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，其動力主要來自居高不下的油價和環(huán)境憂慮。然而，PV成本仍然是妨礙其進一步擴張的最大障礙，要與傳統(tǒng)的煤電相競爭，必須進一步降低成本。在太陽能電池板以外，電子元件(如PV逆變器)是導(dǎo)致高成本的主要元件。出于安全和可行性考慮，并網(wǎng)PV轉(zhuǎn)換器把獲得的直流與交流網(wǎng)相隔離。隔離的作用通常是滿足安全法規(guī)的要求，防止直流注入交流網(wǎng)，因為結(jié)果可能會影響配電變壓器和傳統(tǒng)的瓦特小時電表。諸如光耦合器一類的傳統(tǒng)隔離解決方案無法滿足PV電池板25年的典型擔(dān)保要求。同時，微逆變器逐漸占據(jù)主流，因為這種器件不但可以提高系統(tǒng)可用性，而且能夠大幅提升遮光條件下的性能。在這些情況下，PV逆變器安裝在PV電池板的后部，那里的高溫可能加速光耦合器的性能下降。本文旨在討論PV逆變器中的信號和電源隔離需求，探討如何利用微變壓器集成隔離功能以提高系統(tǒng)性能和可靠性、降低系統(tǒng)尺寸和成本。

市場上主要有兩類PV逆變器，即無變壓器逆變器和變壓器隔離逆變器。無變壓器逆變器可能會受到大接地漏電流和注入的直流的影響，因為PV電池板與交流網(wǎng)之間存在很大的電池板電容而且缺少隔離，如圖1(a)所示。如果有直流組分注入電網(wǎng)中的交流電流中，這種情況是應(yīng)該避免的，因為結(jié)果可能導(dǎo)致配電變壓器飽和。許多安全標(biāo)準(zhǔn)對電網(wǎng)中注入的直流電流量進行了嚴(yán)格的規(guī)定，有些情況下，必須對變壓器進行隔離。在電池板與電網(wǎng)之間采用變壓器隔離技術(shù)可以消除因電池板相對于電網(wǎng)的電壓差而產(chǎn)生的直流注入路徑，如圖1(b)所示。除直流注入以外，并網(wǎng)逆變器還需滿足電網(wǎng)的其他要求，比如總諧波失真和單諧波電流水平、功率系數(shù)以及孤網(wǎng)運行情況的檢測等。電網(wǎng)電壓和注入電網(wǎng)的電流必須精確監(jiān)控。如果用于執(zhí)行MPPT和柵極驅(qū)動功能的控制器位于電池板一端，則必須將這些測量值隔離開來。為了使PV電池板發(fā)揮最大效率，需要采用最大功率點跟蹤(MPPT)算法。為了實現(xiàn)MPTT，還需監(jiān)控電池板電壓和電流。當(dāng)人們嘗試串聯(lián)多個PV逆變器以減少所需逆變器的數(shù)量時，電池板電壓可能變得非常高。從PV電池板高邊端進行的電流測量也需要隔離。

圖1. (a) 非隔離逆變器下電網(wǎng)中的直流注入 (b) 通過隔離阻斷直流注入

除了隔離電流和電壓測量以外，還需要RS-485、RS-232和CAN等接口功能。RS-485或RS-232一般用于面向這些PV逆變器的通信，以獲得實時的性能數(shù)據(jù)，而通信總線則需要進行隔離，因為總線需要傳輸較長的距離，同時也是出于安全考慮。對于通信距離較短時，也可使用隔離CAN。這些收發(fā)器也需要把隔離電源從電池板一端抽取至總線一端。

傳統(tǒng)上，隔離是由光耦合器實現(xiàn)的。然而，光耦合器的電流傳輸功能會隨著時間而下降，可能幾年后就無法運行，遠遠低于許多太陽能電池板提供的20年壽命擔(dān)保。這里，我們建議使用基于微變壓器的信號和電源隔離法，這種方法可以滿足PV逆變器中存在的多種集成需求。這種方法不但可以克服光耦合器的性能下降缺陷，而且允許集成ADC之類的檢測功能或者RS-485或RS-232收發(fā)器之類的接口功能。另外，該方法可以提供隔離電源用以驅(qū)動這些檢測IC、隔離收發(fā)器或者隔離柵極驅(qū)動器。基于光耦合器的柵極驅(qū)動器則耗電量大，時序特性也非常不穩(wěn)定?；谖⒆儔浩鞯臇艠O驅(qū)動器不但功耗更低，而且可以具有匹配性更好的柵極驅(qū)動器時序特性，可以顯著提高系統(tǒng)的總功率轉(zhuǎn)換效率。隔離的信號和電源集成也可大幅減少元件數(shù)量，從而降低系統(tǒng)成本、提高可靠性。

用微變壓器實現(xiàn)信號和電源隔離

微變壓器可以用于提供集成的信號和電源隔離，最大額定值為5 kV rms [1]。對于信號傳輸，輸入數(shù)據(jù)通常在編碼之后再傳輸給數(shù)據(jù)變壓器原邊。副邊則通過解碼來還原信號。輸入與輸出之間的隔離通過初級線圈與次級線圈之間的絕緣層來實現(xiàn)。為了在隔離之間實現(xiàn)高效的電源傳輸，用一個自振高頻振蕩器來驅(qū)動電源變壓器的原邊，同時用高頻肖特基二極管來提供整流直流電壓。調(diào)節(jié)由次級控制器產(chǎn)生的PWM完成，該PWM通過一個反饋變壓器以遠低于振蕩頻率的頻率來開啟和關(guān)閉振蕩器，如圖2(a)所示。通過反饋變壓器的反饋信號的工作方式與通過數(shù)據(jù)變壓器的其他數(shù)據(jù)通道信號相同。當(dāng)為能量轉(zhuǎn)換和反饋設(shè)置不同的控制路徑時，可以優(yōu)化能量轉(zhuǎn)換效率，同時維持調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性。圖2(b)展示的是帶四個獨立的隔離數(shù)據(jù)通道的500 mW隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器。

圖2. (a) 隔離DC-DC逆變器原理圖 (b) 4通道隔離器、500 mW隔離電源下的封裝方案

在本例中，變壓器由兩個獨立的芯片構(gòu)成，一個是編碼器(即原邊芯片)，另一個是解碼器(即副邊芯片)。然而，這主要是出于成本原因考慮，而在理論上，變壓器是可以用其中一個IC芯片構(gòu)建的。柵極驅(qū)動器、收發(fā)器、ADC等額外電路功能全部都可以集成進來。

PV逆變器中的隔離集成

圖3所示為一個典型的3級并網(wǎng)PV逆變器。第1級是一個可選的升壓轉(zhuǎn)換器，用于提高電池板電壓，該電壓然后再通過隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器級。該隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器包括一個通過高頻變壓器的全橋dc-ac轉(zhuǎn)換功能。該高頻變壓器具有尺寸小、效率高的優(yōu)勢。副邊的交流被整流成通常高于電網(wǎng)峰值電壓的直流電壓。整流形成的直流再通過第3逆變器級轉(zhuǎn)換成電網(wǎng)線路頻率。需要檢測電池板輸出電壓和電流，并將其饋入一個微控制器，以執(zhí)行最大功率傳輸跟蹤(MPTT)算法。同時，該微控制器還負責(zé)控制隔離DC-DC和輸出逆變器的柵極驅(qū)動器。輸出逆變器位于電網(wǎng)一端，其接地電壓與直流電池板接地電壓不同，從微控制器到逆變器驅(qū)動級的通信需要隔離。通常需要四個光耦合器，但它們功耗較高，其較大的傳播延遲也可能影響柵極驅(qū)動器的時序精度，從而影響到逆變器的效率，而且最重要的是，它們難以支持PV電池板20至25年的擔(dān)保壽命。另一方面，基于微變壓器的隔離器[1, 2]功耗要低得多，傳播延遲要短得多，而且性能不會隨時間而下降。另外，多通道隔離器也可以與片上DC-DC轉(zhuǎn)換器集成，以便為柵極驅(qū)動器提供隔離電源。在逆變器輸出與并網(wǎng)之間用繼電器來確

保逆變器輸出頻率和相位與市電電壓同步，同時，還能在電網(wǎng)發(fā)生故障時或者在市電電壓或頻率超過可接受限值時迅速斷開，從而實現(xiàn)防孤島保護。在電網(wǎng)一端需要電壓檢測功能以檢測零交越，同時也需要電流檢測功能，以確保負載中饋入的是正弦波電流。檢測信息可以通過隔離ADC傳送給控制器。隔離ADC集成一個16位二階∑-△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)3.75 kV的隔離，是分流電流檢測的理想之選。電流變壓器也可用于電流檢測，但它們價格昂貴、體積龐大，而且可能對外部磁場非常敏感。也可以使用霍爾效應(yīng)檢測器，但它們在非線性度和失調(diào)方面先天不足，結(jié)果會影響到電流測量值的精度。分流與集成隔離ADC一起形成一種可靠的低成本替代方案。隔離ADC在電網(wǎng)一端也需要隔離電源以驅(qū)動自己，同時，可以集成基于微變壓器的隔離DC-DC，從而省去使用分立式DC-DC轉(zhuǎn)換器的諸多麻煩。當(dāng)需要PLC通信時，電網(wǎng)端的PLC芯片可以由隔離DC-DC來驅(qū)動，而其與電池板一端的控制器的通信則通過一個多通道隔離器來實現(xiàn)。

圖3. 3級PV逆變器的隔離方案

基于微變壓器的隔離方法也可與高電流輸出柵極驅(qū)動器相集成，以形成全隔離半橋柵極驅(qū)動器。圖4所示為一個并網(wǎng)PV逆變器的示例柵極驅(qū)動方案。對于原邊的DC-AC全橋開關(guān)，通常沒有必要為低端柵極驅(qū)動器(尤其是低功耗逆變器)設(shè)置隔離。對于兩個高端開關(guān)，具有4 A驅(qū)動能力的2通道1 kV隔離驅(qū)動器就能勝任工作。逆變器開關(guān)位于交流端，因此，低端和高端都需要隔離柵極驅(qū)動器。

圖4. 3級PV逆變器的柵極驅(qū)動器實現(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2.5 kV或5 kV隔離柵極驅(qū)動器。低端柵極驅(qū)動器可以由集成的DC-DC驅(qū)動(其動力來自電池板一端)，而高端電源則可通過自舉解決方案來提供。

每個半橋柵極驅(qū)動器均由3向隔離構(gòu)成，即是說，輸入與輸出之間存在隔離，兩個輸出之間也有隔離。輸入到輸出的隔離通過片上變壓器提供。圖5(a)是1 kV柵極驅(qū)動器的變壓器結(jié)構(gòu)，圖5(b)是5 kV柵極驅(qū)動器的變壓器結(jié)構(gòu)。1 kV半橋柵極驅(qū)動器以三芯片單封裝實現(xiàn)，包括一個輸入芯片和兩個相同的柵極驅(qū)動器芯片。

兩個1 kV變壓器(如圖5(a)所示)在輸入芯片上實現(xiàn)，兩個柵極驅(qū)動器輸出各一個。輸入與底部線圈相連，底部線圈與頂部線圈之間由2.64 μm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現(xiàn)隔離。這兩個柵極驅(qū)動器芯片位于自己的分片焊盤上，并通過與[2]類似的芯片間焊線與輸入芯片處的頂部線圈相連。5 kV柵極驅(qū)動器實現(xiàn)方法與此相似，只是頂部線圈與底部線圈之間是通過20 mm厚的聚酰亞胺材料進行隔離的。

圖5. 變壓器結(jié)構(gòu) (a) 1 kV柵極驅(qū)動器 (b) 2.5 kV柵極驅(qū)動器

對于多逆變器并聯(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)實現(xiàn)的。自驅(qū)動隔離收發(fā)器將能夠從電池板端獲得總線端所需要的電源。

微逆變器也開始受到人們的青睞，因為它們有助于提升系統(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，其性能不會隨時間而下降，在這些極端條件下表現(xiàn)卓越。微逆變器可以使用單級逆變器而非全三級逆變器，以降低系統(tǒng)成本。每個微逆變器的功耗可能僅僅為兩三百瓦特，在這一功耗水平下，隔離集成法為降低系統(tǒng)成本、提升系統(tǒng)可靠性帶來了許多系統(tǒng)集成機會。

結(jié)論

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，其精密的柵極驅(qū)動時序特性則可能進一步提高逆變器的效率。利用基于微變壓器的隔離ADC，可以對電網(wǎng)電流和電壓進行更加準(zhǔn)確的測量，結(jié)果給電網(wǎng)帶來高品質(zhì)的單位功率系數(shù)正弦電流。