如何利用微變壓器集成隔離功能

過(guò)去幾年，光伏(PV)產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，其動(dòng)力主要來(lái)自居高不下的油價(jià)和環(huán)境憂(yōu)慮。然而，PV成本仍然是妨礙其進(jìn)一步擴張的最大障礙，要與傳統的煤電相競爭，必須進(jìn)一步降低成本。在太陽(yáng)能電池板以外，電子元件(如PV逆變器)是導致高成本的主要元件。出于安全和可行性考慮，并網(wǎng)PV轉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(mǎn)足安全法規的要求，防止直流注入交流網(wǎng)，因為結果可能會(huì )影響配電變壓器和傳統的瓦特小時(shí)電表。諸如光耦合器一類(lèi)的傳統隔離解決方案無(wú)法滿(mǎn)足PV電池板25年的典型擔保要求。同時(shí)，微逆變器逐漸占據主流，因為這種器件不但可以提高系統可用性，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性能和可靠性、降低系統尺寸和成本。

市場(chǎng)上主要有兩類(lèi)PV逆變器，即無(wú)變壓器逆變器和變壓器隔離逆變器。無(wú)變壓器逆變器可能會(huì )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，這種情況是應該避免的，因為結果可能導致配電變壓器飽和。許多安全標準對電網(wǎng)中注入的直流電流量進(jìn)行了嚴格的規定，有些情況下，必須對變壓器進(jìn)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(mǎn)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)的電流必須精確監控。如果用于執行MPPT和柵極驅動(dòng)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(kāi)來(lái)。為了使PV電池板發(fā)揮最大效率，需要采用最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)算法。為了實(shí)現MPTT，還需監控電池板電壓和電流。當人們嘗試串聯(lián)多個(gè)PV逆變器以減少所需逆變器的數量時(shí)，電池板電壓可能變得非常高。從PV電池板高邊端進(jìn)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(guò)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(shí)時(shí)的性能數據，而通信總線(xiàn)則需要進(jìn)行隔離，因為總線(xiàn)需要傳輸較長(cháng)的距離，同時(shí)也是出于安全考慮。對于通信距離較短時(shí)，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(xiàn)一端。

傳統上，隔離是由光耦合器實(shí)現的。然而，光耦合器的電流傳輸功能會(huì )隨著(zhù)時(shí)間而下降，可能幾年后就無(wú)法運行，遠遠低于許多太陽(yáng)能電池板提供的20年壽命擔保。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(mǎn)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(lèi)的檢測功能或者RS-485或RS-232收發(fā)器之類(lèi)的接口功能。另外，該方法可以提供隔離電源用以驅動(dòng)這些檢測IC、隔離收發(fā)器或者隔離柵極驅動(dòng)器?；诠怦詈掀鞯臇艠O驅動(dòng)器則耗電量大，時(shí)序特性也非常不穩定?；?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/微變壓器">微變壓器的柵極驅動(dòng)器不但功耗更低，而且可以具有匹配性更好的柵極驅動(dòng)器時(shí)序特性，可以顯著(zhù)提高系統的總功率轉換效率。隔離的信號和電源集成也可大幅減少元件數量，從而降低系統成本、提高可靠性。

用微變壓器實(shí)現信號和電源隔離

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，輸入數據通常在編碼之后再傳輸給數據變壓器原邊。副邊則通過(guò)解碼來(lái)還原信號。輸入與輸出之間的隔離通過(guò)初級線(xiàn)圈與次級線(xiàn)圈之間的絕緣層來(lái)實(shí)現。為了在隔離之間實(shí)現高效的電源傳輸，用一個(gè)自振高頻振蕩器來(lái)驅動(dòng)電源變壓器的原邊，同時(shí)用高頻肖特基二極管來(lái)提供整流直流電壓。調節由次級控制器產(chǎn)生的PWM完成，該PWM通過(guò)一個(gè)反饋變壓器以遠低于振蕩頻率的頻率來(lái)開(kāi)啟和關(guān)閉振蕩器，如圖2(a)所示。通過(guò)反饋變壓器的反饋信號的工作方式與通過(guò)數據變壓器的其他數據通道信號相同。當為能量轉換和反饋設置不同的控制路徑時(shí)，可以?xún)?yōu)化能量轉換效率，同時(shí)維持調節的穩定性。圖2(b)展示的是帶四個(gè)獨立的隔離數據通道的500 mW隔離DC-DC轉換器。

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(gè)獨立的芯片構成，一個(gè)是編碼器(即原邊芯片)，另一個(gè)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(gè)IC芯片構建的。柵極驅動(dòng)器、收發(fā)器、ADC等額外電路功能全部都可以集成進(jìn)來(lái)。

PV逆變器中的隔離集成

圖3所示為一個(gè)典型的3級并網(wǎng)PV逆變器。第1級是一個(gè)可選的升壓轉換器，用于提高電池板電壓，該電壓然后再通過(guò)隔離DC-DC轉換器級。該隔離DC-DC轉換器包括一個(gè)通過(guò)高頻變壓器的全橋dc-ac轉換功能。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(guò)第3逆變器級轉換成電網(wǎng)線(xiàn)路頻率。需要檢測電池板輸出電壓和電流，并將其饋入一個(gè)微控制器，以執行最大功率傳輸跟蹤(MPTT)算法。同時(shí)，該微控制器還負責控制隔離DC-DC和輸出逆變器的柵極驅動(dòng)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動(dòng)級的通信需要隔離。通常需要四個(gè)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動(dòng)器的時(shí)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(huì )隨時(shí)間而下降。另外，多通道隔離器也可以與片上DC-DC轉換器集成，以便為柵極驅動(dòng)器提供隔離電源。在逆變器輸出與并網(wǎng)之間用繼電器來(lái)確

保逆變器輸出頻率和相位與市電電壓同步，同時(shí)，還能在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)或者在市電電壓或頻率超過(guò)可接受限值時(shí)迅速斷開(kāi)，從而實(shí)現防孤島保護。在電網(wǎng)一端需要電壓檢測功能以檢測零交越，同時(shí)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(guò)隔離ADC傳送給控制器。隔離ADC集成一個(gè)16位二階∑-△調制器和基于微變壓器的數字隔離功能，能夠實(shí)現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(jià)格昂貴、體積龐大，而且可能對外部磁場(chǎng)非常敏感。也可以使用霍爾效應檢測器，但它們在非線(xiàn)性度和失調方面先天不足，結果會(huì )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動(dòng)自己，同時(shí)，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轉換器的諸多麻煩。當需要PLC通信時(shí)，電網(wǎng)端的PLC芯片可以由隔離DC-DC來(lái)驅動(dòng)，而其與電池板一端的控制器的通信則通過(guò)一個(gè)多通道隔離器來(lái)實(shí)現。