并網(wǎng)光伏逆變器的隔離集成

光伏（PV）行業(yè)在過去幾年中一直享有巨大的增長(zhǎng)，主要是由于高油價(jià)和環(huán)境問題。然而，光伏成本仍然是進(jìn)一步擴(kuò)張的最大障礙，需要進(jìn)一步降低才能與傳統(tǒng)的煤基電網(wǎng)電力競(jìng)爭(zhēng)。除太陽(yáng)能電池板外，光伏逆變器等電子元件是主要的成本組件。出于安全和操作考慮，并網(wǎng)光伏轉(zhuǎn)換器需要將收集的直流與交流電網(wǎng)隔離。通常需要隔離以滿足安全法規(guī)，以防止直流注入交流電網(wǎng)，從而影響配電變壓器和傳統(tǒng)電表。光耦合器等傳統(tǒng)隔離解決方案無法滿足光伏電池板典型的25年保修。微型逆變器也成為提高系統(tǒng)可用性和遮陽(yáng)條件下性能顯著提高的趨勢(shì)。在這些情況下，PV逆變器安裝在PV面板的背面，那里的高溫會(huì)加速光耦合器的退化。本文討論了光伏逆變器的信號(hào)和電源隔離需求，以及使用微變壓器集成隔離功能如何提高系統(tǒng)性能和可靠性，并減小系統(tǒng)尺寸和成本。

光伏逆變器有兩種主要類型，無變壓器和變壓器隔離逆變器。無變壓器逆變器可能會(huì)遭受大接地漏電流和注入直流電流的影響，因?yàn)槊姘?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/電容/" target="_blank">電容大，光伏板和交流電網(wǎng)之間缺乏隔離，如圖1（a）所示。注入電網(wǎng)的交流電流中的直流分量不太理想，因?yàn)樗赡軙?huì)使配電變壓器飽和。許多安全標(biāo)準(zhǔn)對(duì)直流注入量有嚴(yán)格的電網(wǎng)要求，在某些情況下，變壓器隔離是強(qiáng)制性的。面板和電網(wǎng)之間的變壓器隔離將消除由面板相對(duì)于電網(wǎng)的電壓變化引起的直流注入路徑，如圖1（b）所示。除直流注入外，并網(wǎng)逆變器還需要滿足其他電網(wǎng)要求，例如總諧波失真和單個(gè)諧波電流水平、功率因數(shù)和孤島運(yùn)行檢測(cè)。需要準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)電網(wǎng)電壓和注入電網(wǎng)的電流。如果執(zhí)行MPPT的控制器和柵極驅(qū)動(dòng)功能位于面板側(cè)，則需要隔離這些測(cè)量。為了操作光伏電池板以獲得最大效率，需要使用最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）算法。為了實(shí)現(xiàn)MPTT，還需要監(jiān)控面板電壓和電流。當(dāng)人們嘗試串聯(lián)許多光伏逆變器以最大限度地減少所需的逆變器數(shù)量時(shí)，面板電壓可能會(huì)變得相當(dāng)高。來自光伏電池板高壓側(cè)端子的電流測(cè)量也需要隔離。

圖1.（a） 非隔離逆變器的直流注入電網(wǎng) （b） 通過隔離中斷直流注入

除了隔離的電流和電壓測(cè)量外，還需要一些接口功能，如RS-485、RS-232和CAN。RS-485或RS-232通常用于與這些光伏逆變器通信以獲取實(shí)時(shí)性能數(shù)據(jù)，并且由于行程距離大且出于安全原因，需要隔離通信總線。隔離CAN也可用于距離不遠(yuǎn)的通信。這些收發(fā)器還需要將隔離電源從面板側(cè)提取到總線側(cè)。

傳統(tǒng)上，隔離由光耦合器提供。然而，其當(dāng)前的傳遞函數(shù)會(huì)隨著時(shí)間的推移而退化，并且可能會(huì)在幾年內(nèi)變得無法運(yùn)行，比為許多這些太陽(yáng)能電池板提供的20年終身保修要短得多。在這里，我們提出了基于微變壓器的信號(hào)和電源隔離，可以滿足光伏逆變器中的各種集成需求。它不僅可以消除光耦合器的壽命退化限制，還可以集成ADC等檢測(cè)功能或柵極驅(qū)動(dòng)器和RS-485或RS-232收發(fā)器等接口功能。此外，它還提供隔離電源，為這些檢測(cè)IC、隔離式收發(fā)器或隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器供電?；诠怦詈掀鞯臇艠O驅(qū)動(dòng)器也非常耗電，柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)序變化很大?；谖⒆儔浩鞯臇艠O驅(qū)動(dòng)器不僅消耗更少的功率，而且還提供更好的匹配柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)序，以提高系統(tǒng)總功率轉(zhuǎn)換效率。隔離信號(hào)和電源集成顯著減少了元件數(shù)量，從而降低了系統(tǒng)成本并提高了可靠性。

使用微變壓器的信號(hào)和電源隔離

微變壓器可用于提供高達(dá) 5 kV rms 的集成信號(hào)和電源隔離 [1]。對(duì)于信號(hào)傳輸，輸入數(shù)據(jù)通常在傳輸?shù)綌?shù)據(jù)變壓器的初級(jí)設(shè)備之前進(jìn)行編碼。次級(jí)端使用解碼來恢復(fù)信號(hào)。輸入和輸出之間的隔離由初級(jí)線圈和次級(jí)線圈之間的絕緣層提供。為了實(shí)現(xiàn)跨隔離的高效功率傳輸，使用自振蕩高頻振蕩器驅(qū)動(dòng)電源變壓器的初級(jí)，并使用高頻肖特基二極管提供整流直流電壓。調(diào)節(jié)由次級(jí)控制器產(chǎn)生的PWM完成，PWM通過反饋?zhàn)儔浩饕赃h(yuǎn)低于振蕩頻率的頻率打開和關(guān)閉振蕩器，如圖2（a）所示。通過反饋?zhàn)儔浩鱾鬏數(shù)姆答佇盘?hào)的工作方式與通過數(shù)據(jù)變壓器傳輸?shù)钠渌麛?shù)據(jù)通道信號(hào)的工作方式相同。通過獨(dú)立的能量轉(zhuǎn)換和反饋控制路徑，優(yōu)化能量轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)保持穩(wěn)定的調(diào)節(jié)。圖2（b）顯示了一個(gè)具有四個(gè)獨(dú)立隔離數(shù)據(jù)通道的500 mW隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器示例。

圖2.（a） 隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器原理圖 （b） 具有500 mW隔離電源的4通道隔離器的封裝實(shí)現(xiàn)

在本例中，變壓器構(gòu)建在與編碼器或主芯片以及解碼器或次級(jí)芯片不同的芯片上。然而，這主要是出于成本原因，變壓器原則上可以構(gòu)建在其中一個(gè)IC芯片之上。柵極驅(qū)動(dòng)器、收發(fā)器和ADC等其他電路功能均可集成。

光伏逆變器中的隔離集成

圖3所示為典型的3級(jí)并網(wǎng)光伏逆變器。第一級(jí)是可選的升壓轉(zhuǎn)換器，用于在面板電壓通過隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器級(jí)之前對(duì)其進(jìn)行升壓。隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器包括通過高頻變壓器進(jìn)行全橋DC-AC轉(zhuǎn)換。高頻變壓器具有體積小、效率高的優(yōu)點(diǎn)。次級(jí)處的交流整流至通常高于電網(wǎng)峰值電壓的直流電壓。整流后的直流通過第三逆變器級(jí)轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)線路頻率。需要檢測(cè)面板輸出電壓和電流并將其饋入微控制器，以執(zhí)行最大功率傳輸跟蹤（MPTT）算法。微控制器還負(fù)責(zé)隔離式DC-DC和輸出逆變器的柵極驅(qū)動(dòng)器控制。輸出逆變器位于電網(wǎng)側(cè)，接地與直流面板接地不同，從微控制器到逆變器驅(qū)動(dòng)級(jí)的通信需要隔離。通常需要四個(gè)光耦合器，但它們耗電大，其較大的傳播延遲可能會(huì)影響柵極驅(qū)動(dòng)器的定時(shí)精度，從而影響逆變器效率，最重要的是，它們支持光伏電池板20至25年保修的能力值得懷疑。另一方面，基于微變壓器的隔離器[1，2]消耗的功率要少得多，傳播延遲要短得多，并且性能不會(huì)隨著時(shí)間的推移而下降。此外，多通道隔離器還可以與片內(nèi)DC-DC轉(zhuǎn)換器集成，為柵極驅(qū)動(dòng)器提供隔離電源。逆變器輸出和并網(wǎng)之間的繼電器用于確保逆變器輸出頻率和相位與市電電壓同步，并通過能夠快速斷開電網(wǎng)故障或當(dāng)市電電壓或頻率超出可接受限制來實(shí)現(xiàn)防孤島保護(hù)。電網(wǎng)側(cè)需要電壓檢測(cè)以檢測(cè)過零，電流檢測(cè)需要確保正弦波電流饋入負(fù)載。檢測(cè)信息可以通過隔離式ADC傳送到控制器。隔離式ADC集成了一個(gè)16位二階Σ-Δ調(diào)制器，具有基于微變壓器的數(shù)字隔離，能夠?qū)崿F(xiàn)3.75 kV隔離，非常適合基于分流的電流檢測(cè)。電流互感器可用于電流檢測(cè)，但它們價(jià)格昂貴、體積龐大，并且對(duì)外部磁場(chǎng)敏感。也可以使用霍爾效應(yīng)傳感器，但它們存在非線性和偏移，會(huì)影響電流測(cè)量的精度。分流器與集成隔離式ADC相結(jié)合，提供了一種可靠且低成本的替代方案。隔離式ADC還需要電網(wǎng)側(cè)的隔離電源才能自供電，并且可以集成使用微變壓器的隔離式DC-DC，以節(jié)省對(duì)分立DC-DC轉(zhuǎn)換器的需求。在需要PLC通信的情況下，電網(wǎng)側(cè)的PLC芯片可以由隔離的DC-DC供電，而其與面板側(cè)控制器的通信則通過多通道隔離器進(jìn)行。

圖3.三級(jí)光伏逆變器中的隔離實(shí)現(xiàn)

基于微變壓器的隔離還可以與大電流輸出柵極驅(qū)動(dòng)器集成，以提供完全隔離的半橋柵極驅(qū)動(dòng)器。圖4是并網(wǎng)光伏逆變器的柵極驅(qū)動(dòng)方案示例。對(duì)于初級(jí)側(cè)DC-AC全橋開關(guān)，通常不需要對(duì)低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行隔離，特別是對(duì)于低功耗逆變器。具有4 A驅(qū)動(dòng)能力的2通道1 kV隔離驅(qū)動(dòng)器適用于兩個(gè)高端開關(guān)。逆變器的開關(guān)位于交流側(cè)，因此低壓側(cè)和高側(cè)都需要隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器。

圖4.三級(jí)光伏逆變器中的柵極驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)

直流側(cè)的微控制器通常需要2.5 kV或5 kV隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器，以便直接與交流側(cè)逆變器通信。低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器可由集成的DC-DC供電，該電源從面板側(cè)獲得電源，而高端柵極驅(qū)動(dòng)器可由自舉解決方案提供。

每個(gè)半橋柵極驅(qū)動(dòng)器由3路隔離組成，即輸入和輸出之間有隔離，兩個(gè)輸出之間有隔離。輸入至輸出隔離通過片內(nèi)變壓器提供。圖5（a）是1 kV柵極驅(qū)動(dòng)器的變壓器結(jié)構(gòu)，圖5（b）是5 kV柵極驅(qū)動(dòng)器的變壓器結(jié)構(gòu)。1 kV半橋柵極驅(qū)動(dòng)器采用封裝中的三個(gè)芯片、一個(gè)輸入芯片和兩個(gè)相同的柵極驅(qū)動(dòng)器芯片。

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

如圖5（a）所示，在輸入芯片上實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)1 kV變壓器，每個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器輸出一個(gè)。輸入連接到底部線圈，底部線圈由 2.64 μm 厚的氧化物與頂部線圈隔離，每個(gè)頂部線圈通過橫向氧化物隔離相互隔離。兩個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器芯片位于各自的分離焊盤上，并通過類似于[2]所示的芯片到芯片鍵合線連接到輸入芯片的頂部線圈。5 kV柵極驅(qū)動(dòng)器的實(shí)現(xiàn)方式類似，不同之處在于頂部線圈通過20 mm厚的聚酰亞胺與底部線圈隔離。

對(duì)于多逆變器并聯(lián)系統(tǒng)（如組串式逆變器），逆變器之間也需要通信，通常通過需要隔離的RS-485總線、RS-232總線或CAN總線實(shí)現(xiàn)。自供電隔離式收發(fā)器能夠從面板側(cè)獲取總線側(cè)的電源。

微型逆變器也開始獲得牽引力，以提高系統(tǒng)的可靠性和性能。它們還解決了組串式逆變器遭受的潛在直流電弧問題。微型逆變器通常安裝在環(huán)境溫度可能很高的屋頂面板下方。高溫會(huì)加速光耦合器內(nèi)部的LED退化;另一方面，基于微變壓器的隔離不會(huì)隨著時(shí)間的推移而降低性能，并且在這些極端條件下工作良好。單級(jí)逆變器可用于微型逆變器，而不是全三級(jí)逆變器，以降低系統(tǒng)成本。每個(gè)微型逆變器只能達(dá)到幾百瓦左右，在這個(gè)功率水平下，隔離集成提供了許多系統(tǒng)集成的可能性，以降低系統(tǒng)成本并提高系統(tǒng)可靠性。

結(jié)論

基于微變壓器的隔離集成是滿足并網(wǎng)光伏逆變器、集中式逆變器或微型逆變器隔離需求的理想解決方案。其集成的信號(hào)和電源隔離功能可顯著減少元件數(shù)量，提高系統(tǒng)可靠性和使用壽命，其精確的柵極驅(qū)動(dòng)時(shí)序可提高逆變器效率。使用微變壓器的隔離式ADC可實(shí)現(xiàn)更精確的電網(wǎng)電流和電壓測(cè)量，從而為電網(wǎng)提供高質(zhì)量、單位功率因數(shù)的正弦電流。

審核編輯：郭婷