先進(jìn)的數字隔離技術(shù)提高太陽(yáng)能逆變器可靠性

　　一百多年來(lái)火力發(fā)電設施已被證明是穩定和可靠的能量來(lái)源，但這些設施巨大而復雜，并且構建成本日益高漲。同時(shí)，以最小的碳排放和環(huán)境影響標準來(lái)運行這些設施也面臨著(zhù)極大挑戰和成本壓力。相比之下，現代光伏（PV）電力系統成為火力發(fā)電廠(chǎng)的合理替代方案，其可以提供更低的長(cháng)期運行成本、模塊化的可擴展性、更高效，同時(shí)碳排放比集中式發(fā)電設施低很多。

　　光伏發(fā)電系統由多個(gè)部分組成，例如把光能轉換成電能的光伏面板、機械、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)光轉換成直流電，而為了使線(xiàn)路損耗最小化，并且將電能傳輸更遠距離，直流電必須轉換成高壓交流電。太陽(yáng)能光伏逆變器可以實(shí)現上述直流電到交流電的轉換，是所有光伏發(fā)電系統中最關(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)電系統給未連接的公共服務(wù)系統提供電源；也就是說(shuō)，如果在電網(wǎng)斷開(kāi)期間，逆變器維持在線(xiàn)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)電系統饋電本地公共服務(wù)系統中的變壓器，并在公共服務(wù)系統電線(xiàn)上產(chǎn)生幾千伏電壓，將危及公共服務(wù)設備操作工人的安全。安全標準規范IEEE1547和UL1741規定：當交流電壓或頻率超過(guò)規范限度時(shí)，與電網(wǎng)連接的逆變器必須斷開(kāi)，或者當電網(wǎng)不再存在時(shí)，必須完全關(guān)閉。當重新連接后，逆變器不能立即傳輸電源，需要等到逆變器檢測到額定公共服務(wù)系統電壓和頻率超過(guò)五分鐘。當然，逆變器的職責不僅如此。

　　逆變器也用于補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于溫度和電池單位面積上光照強度（又稱(chēng)為“光強”）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，而電池電流與光強成正比關(guān)系。這些與其他關(guān)鍵參數的變化導致最佳逆變電壓/電流工作點(diǎn)顯著(zhù)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，因為在這個(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）傳導和輻射抑制、接地故障中斷、PC機兼容的通信接口和更多。逆變器被封裝在一個(gè)堅固耐用的盒子中，能夠在室外全功率運行25年以上。這真是不小的壯舉！

　　詳細介紹

　　如圖1所示，單相光伏逆變器采用一個(gè)數字電源控制器和一對高壓側/低壓側（high-side/low-side）門(mén)驅動(dòng)器來(lái)驅動(dòng)脈沖寬度調制（PWM）的全橋轉換器。全橋拓撲通常用于逆變器應用中，因為他是任何開(kāi)關(guān)模式拓撲結構中承載能力最高的。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，此變壓器有三項功能：1）進(jìn)一步平滑交流波形；2）調制電壓振幅以滿(mǎn)足特定電網(wǎng)需求；3）對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?、單相逆變器框圖

　　光伏逆變器設計需要充分權衡，如果權衡錯誤，可能使設計師備受煎熬。例如，光伏發(fā)電系統既要可靠運行，完全額定輸出達25年以上，同時(shí)價(jià)格具有競爭力，所以設計人員需進(jìn)行成本/可靠性權衡。光伏發(fā)電系統使用高效率的逆變器，因為高效率逆變器比低效率逆變器運行溫度更低，持續時(shí)間更長(cháng)，并且可以為光伏發(fā)電系統制造商和用戶(hù)節省更多費用。

　　永無(wú)止境的追求更高效率逆變器則需要更多的設計權衡，這將影響元器件的選擇（主要是門(mén)驅動(dòng)器、電源開(kāi)關(guān)和磁性元器件，例如變壓器）；PCB構造和逆變器封裝熱需求。光伏面板的輸出電壓也隨著(zhù)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)生更多的設計權衡，進(jìn)一步影響系統的復雜性、成本和效率，而這僅僅是硬件部分?，F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，通常是數字功率控制器（DPC）或數字信號處理器（DSP）。一般情況下，控制器的固件通過(guò)狀態(tài)機方式實(shí)現，這是實(shí)現非中斷（失?。┐a的最有效方法，可以防止執行無(wú)意中進(jìn)入一個(gè)無(wú)限循環(huán)。固件執行是分級的，服務(wù)高優(yōu)先級的功能比低優(yōu)先級的功能更加頻繁。在光伏逆變器中，通常隔離反饋回路補償和電源開(kāi)關(guān)調制有最高優(yōu)先級，然后是支持UL1741和 IEEE 1547安全標準的電路保護功能，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、監測系統運行以及支持系統通信任務(wù)。

　　光伏逆變器要在高溫和/或嚴寒中工作25年，我們在選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，直到停止運行。對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(cháng)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運行穩定性，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)有內在機械磨損。底層CMOS隔離單元是電容性、全差分和高度優(yōu)化的，這滿(mǎn)足嚴格的時(shí)序性能、低功耗，以及由外場(chǎng)和快速共模瞬變而造成數據錯誤的高免疫力。事實(shí)上，將CMOS工藝技術(shù)結合專(zhuān)有的硅產(chǎn)品設計，其帶來(lái)的優(yōu)勢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℃連續運行溫度范圍，大幅提高性能、降低功耗、節省電路板面積并提高易用性。

　　21世紀光伏逆變器元器件解決方案

　　如圖1所示，光伏逆變器的結構并非僅限于單相、基于變壓器的逆變器。其他常見(jiàn)類(lèi)型包括：高頻率、雙極型、三相無(wú)變壓器和電池供電逆變器。雖然其拓撲結構彼此不同，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。