淺談如何利用光耦合器提高PV逆變器的性能

　　太陽能（PV）逆變器將太陽能板產(chǎn)生的直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓，可用于公共電網(wǎng)和商用電器。光耦合器為此一過程重要組成部分，因其能防止轉(zhuǎn)換過程中因元件損壞或傳輸失真造成的高電壓和瞬變電壓。本文將探討提高光耦合器功率緩衝，使其不易受到雜訊干擾的設(shè)計技術(shù)。

　　光耦合器助臂力　太陽能逆變器可靠度大增

　　將太陽光轉(zhuǎn)化成能量的過程中，太陽能面板通常會產(chǎn)生高電壓的直流輸出。將直流輸出轉(zhuǎn)換成高電壓的交流輸出，可將線路損耗降至最低，并讓輸出的電力進(jìn)行長距離傳輸，既可傳輸?shù)诫娏?a target="_blank">公司電網(wǎng)，亦可傳輸?shù)桨惭b太陽能板的建筑物內(nèi)部電網(wǎng)。直流對交流（DC-AC）的轉(zhuǎn)換，係由稱為太陽能逆變器的子系統(tǒng)所完成，其既可設(shè)計成單一的太陽能面板，亦可用作對太陽能面板陣列進(jìn)行轉(zhuǎn)換的中央單元。

　　如果太陽能逆變器安裝于單一的太陽能面板，此稱為微型逆變器（圖1），此為較小型的解決方案，適用于住宅和一般建筑物，其太陽能板的電力可直接用于建筑物的內(nèi)部網(wǎng)路和商用電器。此種情況下，通常逆變器工作功率小于300瓦（W）。

　　圖1 安裝于單一PV板上的微型逆變器架構(gòu)

　　當(dāng)太陽能逆變器作為支援?dāng)?shù)個PV板的獨(dú)立單元時，稱為中央逆變器（Central Inverter）（圖2），其塊狀圖式本質(zhì)上與微型逆變器相同，只是多一個電池系統(tǒng)，可存儲多個太陽能板的能量，然后輸送到公用電網(wǎng)。中央逆變器的工作電壓，一般均在1千瓦（kW）或者以上。

　　圖2 支援PV板陣列的中央逆變器架構(gòu)

　　當(dāng)光耦合器整合到驅(qū)動直流對直流（DC-DC）和DC-AC轉(zhuǎn)換器的模組中，如圖1和圖2所示。在此兩種類型的太陽能逆變器中，光耦合器皆為系統(tǒng)的重要組成部分，可防止線路一端的高電壓和瞬變電壓造成另一端的元件損壞或傳輸失真。

　　當(dāng)用于隔離高雜訊、高電壓和高電流的電路與低電壓控制電路時，光耦合器可提高性能，讓印刷電路板（PCB）尺寸變得更小，且電路設(shè)計更容易。將高電壓元件與低電壓控制電路隔離，亦有助于保護(hù)安裝、操作或修理太陽能逆變器的電網(wǎng)員工或維修人員。

　　適用于太陽能逆變器的閘極驅(qū)動光耦合器，可驅(qū)動高速金屬氧化物半導(dǎo)體場效電晶體（MOSFET）和絕緣閘雙極電晶體（IGBT），并能優(yōu)化啟動性能、提高雜訊免疫力。

　　能驅(qū)動1，200伏特（V）/20安培（A）IGBT和MOSFET的閘極驅(qū)動光耦合器，其高等級的共模抑制（CMR），使抗噪能力更強(qiáng)；100奈秒（ns）的脈寬失真（PWD）可提高電源效率，讓設(shè)計人員使用更小的濾波器，從而減小設(shè)計尺寸，降低成本；PWD級支援1，414V工作電壓峰值，從而滿足1，200V IGBT切換。

　　簡述光耦合器操作方式

　　可做為控制功率MOSFET或IGBT閘極的功率緩衝器（Power Buffer）的光耦合器，以正電壓（VOH）形式，為功率半導(dǎo)體的閘極提供峰值充電電流，從而開啟設(shè)備。光耦合器將驅(qū)動設(shè)備的閘極拉至零電壓（VOL）或更低，以便關(guān)閉閘極。

　　MOSFET或IGBT通常以半橋拓?fù)渑渲门帕?。每個高壓側(cè)N通道MOSFET/IGBT的泄極連接到電源的正電極端，而每個源極連接到低壓側(cè)電晶體。低壓側(cè)電晶體的源極連接到系統(tǒng)電源的負(fù)電極。

　　圖3為光耦合器的內(nèi)部方塊圖。驅(qū)動器每一部分，皆由一個普通電源或偏壓電源供電。啟動過程中，第一次打開電源時，電路的復(fù)雜性會造成延遲，這會造成閘極輸出隨著VDD電源而不斷提高；它會不斷上升，直到電源穩(wěn)定。然后，一旦偏置電壓正確，閘極驅(qū)動器輸出就返回由發(fā)光二極體（LED）控制的正確狀態(tài)。

　　圖3 光耦合器方塊圖

　　設(shè)定好電源開啟的順序，可儘量減小等待光耦合器偏壓電源穩(wěn)定所造成的影響。太陽能逆變器通常有叁個電源，一個邏輯電源（3.3、5或10V）、光耦合器電源，以及一個高壓電源對MOSFET/IGBT供電。按照電源排列順序依次開啟，首先邏輯電源，然后光耦合器電源，最后是MOSFET/IGBT電源。如此一來，有助于抵消穩(wěn)定偏壓電源造成的影響。這樣的開啟順序，亦滿足邏輯控制的上電復(fù)位（Power-on Reset）和隔離驅(qū)動器電源的靴帶式（Boostrap）充電時間。

　　對于LED驅(qū)動器，正向電流峰值IF《1A（1微秒（μs），300pps）。建議的工作電流是10？16毫安培（mA）。電流上升時間小于250奈秒（ns），這樣的特性可儘量降低傳輸延時，并減少輸出開關(guān)抖動。

　　高增益（23dB）、高功率輸出的光學(xué)放大器，需要一個超過直流範(fàn)圍，高達(dá)40MHz的低阻抗電源；使用低ESR旁路電容和訊號地平面，可協(xié)助降低自發(fā)電源雜訊，并防止輸出上升和下降時間的消煺。

　　共模抑制為衡量雜訊指標(biāo)

　　高頻瞬變?yōu)殡s訊的一種，可能會損壞光耦合器的隔離屏障的資料傳輸。CMR係對光耦合器抵御瞬變雜訊能力的衡量標(biāo)準(zhǔn)。CMR為衡量光耦合器性能的最重要指標(biāo)之一，其他指標(biāo)還有隔離等級和工作電壓等。

　　八接腳DIP共面（Coplanar）結(jié)構(gòu)的光耦合器，可提供輸出電容高電介質(zhì)（Dielectric）絕緣和低輸入。八接腳DIP封裝允許大于8毫米（mm）的沿面和間隙距離及0.5mm絕緣距離，以實(shí)現(xiàn)可靠的高電壓絕緣。

　　因此，閘極驅(qū)動器光耦合器解決方案，可提供更多的絕緣安全緩衝區(qū)，而電容性或電感式解決方案的絕緣距離不到0.1mm。如此一來，優(yōu)化安全并降低雜訊耦合。這裝置採用共面光學(xué)耦合技術(shù)，以阻擋由負(fù)載切換產(chǎn)生的電子雜訊所引起的干擾。而且還有一個特殊電光學(xué)遮罩，可降低開關(guān)瞬態(tài)和光耦合器的主動電路之間發(fā)生電容耦合的機(jī)率。

　　一般240V交流電源轉(zhuǎn)換器會產(chǎn)生800V開關(guān)瞬態(tài)，以及大于6kV/μs的轉(zhuǎn)動率。此大幅度的瞬態(tài)，會導(dǎo)致3mA峰值電流于輸入和輸出之間流動（用于CIO只有0.5皮法（pF）的隔離設(shè)備時）。圖4顯示一則範(fàn)例，一個電容耦合了耦合器的輸入和輸出之間的雜訊電流。

　　圖4 電流模式抑制LED「OFF」

　　共模瞬變具有負(fù)的電壓擺動率，與耦合器的輸出接地（GND2）引用一樣；該瞬態(tài)可將耦合器的輸出牽引到輸出；包電容（Package Capacitance）即CIO，提供輸入和輸出之間的主要耦合阻抗；當(dāng)LED關(guān)閉時，閘極的輸出為低狀態(tài)；如果有充裕的共模電流iCM從輸入端牽引到光學(xué)放大器，放大器則會開啟。

　　雜訊電流iCM為極小，因為有特殊共模遮罩可阻擋電子遮罩變化造成的影響，該遮罩會最小化流入或流出光學(xué)放大器的耦合，將有效的共模耦合電容限制到小于50pF。如此一來，光耦合器能輕鬆抑制最大幅度為1.5kV放入正或負(fù)的共模瞬變，以及超過15kV/μs的轉(zhuǎn)動率。

　　當(dāng)通過LED，IF的控制電流等于10mA時，驅(qū)動器輸出電流為高，源電流流向負(fù)載。正dv/dt會從放大器中牽引出電流，增強(qiáng)光電流；負(fù)dv/dt會將電流引向放大器，抵銷光電流，并可能導(dǎo)致放大器因而從高過渡到低。

　　當(dāng)IF等于0mA時，驅(qū)動器輸入為低，會從負(fù)載汲入電流。正dv/dt會從放大器拉出電流，并可能導(dǎo)致放大器從低過渡到高。負(fù)dv/dt會將電流引入放大器，并協(xié)助維持放大器維持輸出為低狀態(tài)。

　　一般情況下，儘量減少邏輯控制和功率半導(dǎo)體之間的耦合電容，可大幅度降低共模雜訊瞬變成為正常模式脈衝雜訊的能力。于驅(qū)動點(diǎn)使用低且平衡的阻抗，可提高抗干擾能力，使用電化隔離（Galvanic Isolated）驅(qū)動器進(jìn)行功率MOSFET控制，可將共模雜訊耦合降至最低。

　　分流LED提升半橋配置效能

　　半橋拓?fù)渑渲弥?，共模瞬變抑制尤其重要，因為正常電流工作狀態(tài)下的開關(guān)瞬變，可能導(dǎo)致關(guān)閉的閘極驅(qū)動打開。分流（Shunt）LED即可派上用場，可提升半橋配置的抗電流模式瞬變能力，并將包電容的負(fù)載dv/dt耦合維持于低阻抗--對于正在運(yùn)行的LED或正在運(yùn)行的BJT或邏輯閘的開態(tài)電阻。但此作法的缺點(diǎn)是，增加分流LED驅(qū)動會降低效率，因為無論LED開啟還是關(guān)閉，此電路皆會消耗電量。圖5為一個配置樣本。

　　圖5 帶有分流LED驅(qū)動的光耦合器架構(gòu)

　　LED與驅(qū)動開關(guān)并聯(lián)，以形成電流分流驅(qū)動。U1是一個開路洩極邏輯閘，做為一個驅(qū)動器。當(dāng)開關(guān)關(guān)閉且U1為高時，會有LED電流經(jīng)過。若要關(guān)閉LED，須將閘強(qiáng)制變?yōu)榈蜖顟B(tài)，這會將經(jīng)過LED的電壓降低至小于所需的正向電壓值。它還能提供低阻抗，降低共模傳導(dǎo)電流對LED運(yùn)行的影響。

　　了解光耦合器最大開關(guān)頻率

　　使用光耦合器時，了解設(shè)計的最大開關(guān)頻率會非常有用，此項計算涉及兩個基本步驟，首先必須確定于最大工作結(jié)溫125℃和室溫100℃下，光耦合器輸出驅(qū)動器MOSFET可擴(kuò)散的最大功率。其次，確定于給定MOSFET閘極的充電和放電電流情況下，輸出電晶體的擴(kuò)散RMS功率，以及整個光耦合器電晶體的RDS（ON）壓降。

　　太陽能逆變器在產(chǎn)生和傳輸乾凈與永續(xù)能源方面，發(fā)揮重要作用。執(zhí)行DC-AC轉(zhuǎn)換時，須對高壓電流進(jìn)行謹(jǐn)慎、有效的隔離，而光耦合器正適用于此種功率緩衝。如果特別注意啟動要求和使用相關(guān)技術(shù)提高抗干擾能力，則可協(xié)助優(yōu)化光耦合器的性能。

　　本文文中描述的閘極驅(qū)動光耦合器，與離散式功率MOSFET和IGBT的產(chǎn)品相容，因此，設(shè)計人員可統(tǒng)一設(shè)計電力轉(zhuǎn)換電路的邏輯、隔離和MOSFET部分。該解決方案可將毫瓦（mW）轉(zhuǎn)換成kW，并同時提供初級和次級電路之間的隔離。