如何利用微變壓器集成隔離功能

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動(dòng)器相集成，以形成全隔離半橋柵極驅動(dòng)器。圖4所示為一個(gè)并網(wǎng)PV逆變器的示例柵極驅動(dòng)方案。對于原邊的DC-AC全橋開(kāi)關(guān)，通常沒(méi)有必要為低端柵極驅動(dòng)器(尤其是低功耗逆變器)設置隔離。對于兩個(gè)高端開(kāi)關(guān)，具有4 A驅動(dòng)能力的2通道1 kV隔離驅動(dòng)器就能勝任工作。逆變器開(kāi)關(guān)位于交流端，因此，低端和高端都需要隔離柵極驅動(dòng)器。

圖4. 3級PV逆變器的柵極驅動(dòng)器實(shí)現方案

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隔離柵極驅動(dòng)器。低端柵極驅動(dòng)器可以由集成的DC-DC驅動(dòng)(其動(dòng)力來(lái)自電池板一端)，而高端電源則可通過(guò)自舉解決方案來(lái)提供。

每個(gè)半橋柵極驅動(dòng)器均由3向隔離構成，即是說(shuō)，輸入與輸出之間存在隔離，兩個(gè)輸出之間也有隔離。輸入到輸出的隔離通過(guò)片上變壓器提供。圖5(a)是1 kV柵極驅動(dòng)器的變壓器結構，圖5(b)是5 kV柵極驅動(dòng)器的變壓器結構。1 kV半橋柵極驅動(dòng)器以三芯片單封裝實(shí)現，包括一個(gè)輸入芯片和兩個(gè)相同的柵極驅動(dòng)器芯片。

兩個(gè)1 kV變壓器(如圖5(a)所示)在輸入芯片上實(shí)現，兩個(gè)柵極驅動(dòng)器輸出各一個(gè)。輸入與底部線(xiàn)圈相連，底部線(xiàn)圈與頂部線(xiàn)圈之間由2.64 μm厚的氧化物隔離，而頂部線(xiàn)圈相互之間則通過(guò)橫向氧化物來(lái)實(shí)現隔離。這兩個(gè)柵極驅動(dòng)器芯片位于自己的分片焊盤(pán)上，并通過(guò)與[2]類(lèi)似的芯片間焊線(xiàn)與輸入芯片處的頂部線(xiàn)圈相連。5 kV柵極驅動(dòng)器實(shí)現方法與此相似，只是頂部線(xiàn)圈與底部線(xiàn)圈之間是通過(guò)20 mm厚的聚酰亞胺材料進(jìn)行隔離的。

圖5. 變壓器結構 (a) 1 kV柵極驅動(dòng)器 (b) 2.5 kV柵極驅動(dòng)器

對于多逆變器并聯(lián)系統(如串式逆變器)，逆變器之間也需要通信，這一般是通過(guò)RS-485總線(xiàn)、RS-232總線(xiàn)或者CAN總線(xiàn)(需要隔離時(shí))實(shí)現的。自驅動(dòng)隔離收發(fā)器將能夠從電池板端獲得總線(xiàn)端所需要的電源。

微逆變器也開(kāi)始受到人們的青睞，因為它們有助于提升系統的可靠性和性能。它們還有利于解決串式逆變器存在的潛在直流電弧問(wèn)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(huì )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(huì )隨時(shí)間而下降，在這些極端條件下表現卓越。微逆變器可以使用單級逆變器而非全三級逆變器，以降低系統成本。每個(gè)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成本、提升系統可靠性帶來(lái)了許多系統集成機會(huì )。

結論

基于微變壓器的隔離集成方法是滿(mǎn)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量，提高系統可靠性和使用壽命，同時(shí)，其精密的柵極驅動(dòng)時(shí)序特性則可能進(jìn)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(jìn)行更加準確的測量，結果給電網(wǎng)帶來(lái)高品質(zhì)的單位功率系數正弦電流。