基于集成的MCU實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比微型逆變器設(shè)計(jì)

微逆變通過提供電力轉(zhuǎn)換在各個(gè)面板水平提供了有效的解決方案，以太陽能收獲。高度集成的MCU的出現(xiàn)提供了一個(gè)有吸引力的方法，以微型逆變器的設(shè)計(jì)，提供了一個(gè)選項(xiàng)，降低了復(fù)雜性成本這限制了廣泛采用微逆變器的過去。現(xiàn)在，設(shè)計(jì)人員可以利用現(xiàn)有的MCU的半導(dǎo)體制造商，包括飛思卡爾半導(dǎo)體，英飛凌，Microchip的技術(shù)，Spansion公司和德州儀器，以及其他搭建高效微型逆變器的設(shè)計(jì)。太陽能收集系統(tǒng)繼續(xù)演變遠(yuǎn)離傳統(tǒng)的集中式的解決方案（圖1）。不像基于單個(gè)中央逆變器甚至多個(gè)串逆變器系統(tǒng)，微逆變轉(zhuǎn)換功率從一個(gè)單一的面板。反過來，由微逆變每個(gè)面板上產(chǎn)生的AC電源組合對(duì)輸出到負(fù)載。

圖1：太陽能能量采集方法繼續(xù)從中央逆變器系統(tǒng)（左）至演進(jìn)到更多分布式串逆變器系統(tǒng)（中），和最后微逆變（右）內(nèi)置于單獨(dú)面板。（飛思卡爾半導(dǎo)體公司提供）通過產(chǎn)生交流電力的每個(gè)太陽能電池板，所述微逆變方法減少或消除了昂貴的布線，冷卻，并與中央 - 或甚至串逆變器系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的其他設(shè)施要求相關(guān)的成本。設(shè)施級(jí)，在總轉(zhuǎn)換效率，由于在照明，底紋，污垢，或面板的年齡差異損失大大降低。雖然使用微逆變的增加個(gè)體面板的成本，太陽能裝置整體通常具有更低的成本和更高的轉(zhuǎn)換效率。

高性價(jià)比的解決方案

對(duì)于所有的優(yōu)勢(shì)明顯，微逆變器卻遲遲沒有出現(xiàn)，以傳統(tǒng)的逆變器系統(tǒng)的成本效益的替代品。在過去，太陽能逆變器設(shè)計(jì)的復(fù)雜的功能增加了這些系統(tǒng)足以抵消集中-太陽能能源解決方案的缺點(diǎn)的成本。事實(shí)上，有必要響應(yīng)變化的環(huán)境條件，以最大限度地提高太陽能轉(zhuǎn)換需要復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，是很難達(dá)到在需要在單個(gè)太陽能電池板的使用成本和有效性。在理想的情況下，太陽能電池板產(chǎn)生其最大功率輸出在它的IV曲線的特定點(diǎn)的環(huán)境的特性和面板本身（圖2，左圖）所決定的。在實(shí)踐中，這種最大功率點(diǎn)（MPP）可以是難以捉摸的，轉(zhuǎn)移到不同的點(diǎn)功率曲線上進(jìn)行陰影通過橫跨面板從云或碎片收集在面板上（圖2中，右）。復(fù)雜的太陽能系統(tǒng)使用最大功率點(diǎn)追蹤（MPPT）的方法修改面板的工作電壓，以確保面板產(chǎn)生其最大功率輸出，盡管不斷變化的條件。

圖2：從在充足的陽光（左）和在部分遮蔭（右）72小區(qū)180瓦太陽能板輸出功率達(dá)到最大的功率曲線上的特定點(diǎn)，但發(fā)現(xiàn)，最大功率點(diǎn)可代表一個(gè)顯著挑戰(zhàn)。（凌力爾特提供）熱門MPPT的方法，如擾亂和觀察（P＆O）使用的周期性調(diào)整面板的漸進(jìn)步驟的工作電壓，尋求任何增加或減少面板的工作電壓，可以提高面板電源簡(jiǎn)單的權(quán)宜之計(jì)輸出。如果在工作電壓的逐步增加導(dǎo)致了低功率輸出時(shí)，P＆O算法將逐漸降低工作電壓在下一個(gè)調(diào)整步驟 - 重復(fù)這個(gè)過程，直到工作電壓增量的變化在兩個(gè)方向上會(huì)導(dǎo)致較低的面板輸出功率。在實(shí)踐中，然而，在電源輸出曲線的局部最大值的外觀（參見圖2，右側(cè)）通常需要比簡(jiǎn)單步驟增量的更復(fù)雜的方法。

基于MCU的解決方案

在過去，建立一個(gè)有效的MPPT系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的任務(wù)，可能迅速增加成本和延長(zhǎng)的明細(xì)表工程師處理角落例如局部最大值或其他因素。如今，工程師們可以找到各種各樣的能夠提供完整的解決方案，用最少的附加組件可用設(shè)備。事實(shí)上，集成的MCU提供片上功能能夠處理的測(cè)量和分析的要求，經(jīng)常需要僅僅互補(bǔ)模擬電路的電壓和電流檢測(cè)上的輸出的輸入和功率調(diào)節(jié)（圖3）。單片機(jī)制造商通常提供相關(guān)聯(lián)的軟件庫，包括準(zhǔn)備使用的MPPT算法，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過程微逆變?cè)O(shè)計(jì)者。

圖3：集成微控制器，如Microchip的PIC16F690提供了一套完整的功能和需要的微逆變器的數(shù)字控制的片上外設(shè)。（Microchip的技術(shù)提供）對(duì)于MPPT實(shí)現(xiàn)，適合的MCU如在Microchip Technology的PIC 16F系列，Spansion的FM3 MB9B520M系列，以及英飛凌XMC4000系列結(jié)合了處理器核心，內(nèi)存模擬外設(shè)的全面補(bǔ)充。至少，這些MCU提供一種模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），用于測(cè)量面板電壓與電流，電壓參考和模擬比較器，用于精確的模擬處理，并且脈沖寬度調(diào)制（PWM）輸出需要在電壓轉(zhuǎn)換器級(jí)。例如，Microchip Technology的PIC MCU 16F系列器件結(jié)合了8位CMOS微控制器核心，閃存和所需的模擬外設(shè)集。該P(yáng)IC16F690 MCU集成了一個(gè)12通道10位ADC，兩個(gè)模擬比較器，可編程片上電壓參考，并捕捉/比較/ PWM，提供16位捕捉，分辨率下降到12.5 NS和16位分辨率比較下來以200納秒。對(duì)PIC MCU 16F系列的其他成員擴(kuò)展這些功能與需要提供進(jìn)一步的增強(qiáng)了微型逆變器設(shè)計(jì)的其他外圍設(shè)備。例如，Microchip的PIC16F913 MCU擴(kuò)充基座周邊設(shè)置了一臺(tái)液晶控制模塊，使設(shè)計(jì)人員能夠直接在面板上提供用戶反饋。飛思卡爾半導(dǎo)體公司的MC56F82xx數(shù)字信號(hào)控制器（DSC）系列提供針對(duì)微型逆變器設(shè)計(jì)的32位DSP內(nèi)核和片上外設(shè)。它的特點(diǎn)，該MC56F82xx系列是基于60 MIPS 32位56800E內(nèi)核。該系列的哈佛建筑風(fēng)格融合了并行操作的三個(gè)執(zhí)行單元，允許每個(gè)指令周期多達(dá)六個(gè)操作。與此同時(shí)，這些裝置提供一個(gè)MCU式編程模型和優(yōu)化的指令集。在他們的外圍設(shè)備，這些設(shè)備包括兩個(gè)12位8通道ADC，三個(gè)模擬比較器，集成ADC和飛思卡爾的增強(qiáng)型FlexPWM（eFlexPWM）與對(duì)照，邊安置浩如煙海，和觸發(fā)功能。德州儀器解決了需要與C2000 MCU的產(chǎn)品線，包括32位Piccolo MCU的32位多核德爾菲諾MCU，32位定點(diǎn)DSC，以及16位DSP微控制器系列的實(shí)時(shí)性能。專為實(shí)時(shí)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，C2000 MCU系列提供了能夠快速采集的模擬數(shù)據(jù)，執(zhí)行所需的計(jì)算，并在單個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)調(diào)節(jié)PWM輸出的高度集成的器件廣泛的價(jià)格/性能點(diǎn)。除了為MCU需要用片上外設(shè)和實(shí)時(shí)性能，工程師開發(fā)的太陽能能量采集也能發(fā)現(xiàn)自己面臨的安全要求，如IEC 61508 SIL-3安全標(biāo)準(zhǔn)的高電壓應(yīng)用的必要補(bǔ)充。為了滿足這一新興需求，德州儀器（TI）提供了大力神RM系列安全微控制器中。圍繞著一對(duì)鎖步操作的ARM Cortex-R4F內(nèi)核，這些器件結(jié)合的ADC，用的PWM設(shè)計(jì)，不斷監(jiān)視自己的操作，并提供近乎實(shí)時(shí)的故障檢測(cè)，而不影響性能的功能。

結(jié)論

放置每個(gè)單獨(dú)的太陽能電池板，微逆變可以提供高效率的太陽能轉(zhuǎn)換，降低成本。在過去，但是，需要能夠從太陽能電池陣列中提取最大功率復(fù)雜的設(shè)計(jì)排除廣泛使用這種分散的方法。如今，工程師們可以利用廣泛的MCU陣列集成到執(zhí)行有效的能量收集所需要的外圍設(shè)備的優(yōu)勢(shì)。這樣一來，工程師可以快速實(shí)現(xiàn)基于能夠滿足廣泛的應(yīng)用性能需求和功能能力的MCU的高性價(jià)比微逆變器的設(shè)計(jì)。