【導(dǎo)讀】過去幾年，光伏(PV)產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，其動(dòng)力主要來自居高不下的油價(jià)和環(huán)境憂慮。然而，PV成本仍然是妨礙其進(jìn)一步擴(kuò)張的最大障礙，要與傳統(tǒng)的煤電相競(jìng)爭(zhēng)，必須進(jìn)一步降低成本。在太陽能電池板以外，電子元件(如PV逆變器)是導(dǎo)致高成本的主要元件。
出于安全和可行性考慮，并網(wǎng)PV轉(zhuǎn)換器把獲得的直流與交流網(wǎng)相隔離。隔離的作用通常是滿足安全法規(guī)的要求，防止直流注入交流網(wǎng)，因?yàn)榻Y(jié)果可能會(huì)影響配電變壓器和傳統(tǒng)的瓦特小時(shí)電表。諸如光耦合器一類的傳統(tǒng)隔離解決方案無法滿足PV電池板25年的典型擔(dān)保要求。
同時(shí)，微逆變器逐漸占據(jù)主流，因?yàn)檫@種器件不但可以提高系統(tǒng)可用性，而且能夠大幅提升遮光條件下的性能。在這些情況下，PV逆變器安裝在PV電池板的后部，那里的高溫可能加速光耦合器的性能下降。本文旨在討論P(yáng)V逆變器中的信號(hào)和電源隔離需求，探討如何利用微變壓器集成隔離功能以提高系統(tǒng)性能和可靠性、降低系統(tǒng)尺寸和成本。
市場(chǎng)上主要有兩類PV逆變器，即無變壓器逆變器和變壓器隔離逆變器。無變壓器逆變器可能會(huì)受到大接地漏電流和注入的直流的影響，因?yàn)镻V電池板與交流網(wǎng)之間存在很大的電池板電容而且缺少隔離，如圖1(a)所示。
如果有直流組分注入電網(wǎng)中的交流電流中，這種情況是應(yīng)該避免的，因?yàn)榻Y(jié)果可能導(dǎo)致配電變壓器飽和。許多安全標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電網(wǎng)中注入的直流電流量進(jìn)行了嚴(yán)格的規(guī)定，有些情況下，必須對(duì)變壓器進(jìn)行隔離。
在電池板與電網(wǎng)之間采用變壓器隔離技術(shù)可以消除因電池板相對(duì)于電網(wǎng)的電壓差而產(chǎn)生的直流注入路徑，如圖1(b)所示。除直流注入以外，并網(wǎng)逆變器還需滿足電網(wǎng)的其他要求，比如總諧波失真和單諧波電流水平、功率系數(shù)以及孤網(wǎng)運(yùn)行情況的檢測(cè)等。電網(wǎng)電壓和注入電網(wǎng)的電流必須精確監(jiān)控。
如果用于執(zhí)行MPPT和柵極驅(qū)動(dòng)功能的控制器位于電池板一端，則必須將這些測(cè)量值隔離開來。為了使PV電池板發(fā)揮最大效率，需要采用最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)算法。為了實(shí)現(xiàn)MPTT,還需監(jiān)控電池板電壓和電流。當(dāng)人們嘗試串聯(lián)多個(gè)PV逆變器以減少所需逆變器的數(shù)量時(shí)，電池板電壓可能變得非常高。從PV電池板高邊端進(jìn)行的電流測(cè)量也需要隔離。
圖1. (a) 非隔離逆變器下電網(wǎng)中的直流注入 (b) 通過隔離阻斷直流注入
除了隔離電流和電壓測(cè)量以外，還需要RS-485、RS-232和CAN等接口功能。RS-485或RS-232一般用于面向這些PV逆變器的通信，以獲得實(shí)時(shí)的性能數(shù)據(jù)，而通信總線則需要進(jìn)行隔離，因?yàn)榭偩€需要傳輸較長(zhǎng)的距離，同時(shí)也是出于安全考慮。對(duì)于通信距離較短時(shí)，也可使用隔離CAN.這些收發(fā)器也需要把隔離電源從電池板一端抽取至總線一端。
傳統(tǒng)上，隔離是由光耦合器實(shí)現(xiàn)的。然而，光耦合器的電流傳輸功能會(huì)隨著時(shí)間而下降，可能幾年后就無法運(yùn)行，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于許多太陽能電池板提供的20年壽命擔(dān)保。這里，我們建議使用基于微變壓器的信號(hào)和電源隔離法，這種方法可以滿足PV逆變器中存在的多種集成需求。
這種方法不但可以克服光耦合器的性能下降缺陷，而且允許集成ADC之類的檢測(cè)功能或者RS-485或RS-232收發(fā)器之類的接口功能。另外，該方法可以提供隔離電源用以驅(qū)動(dòng)這些檢測(cè)IC、隔離收發(fā)器或者隔離柵極驅(qū)動(dòng)器?；诠怦詈掀鞯臇艠O驅(qū)動(dòng)器則耗電量大，時(shí)序特性也非常不穩(wěn)定?；谖⒆儔浩鞯臇艠O驅(qū)動(dòng)器不但功耗更低，而且可以具有匹配性更好的柵極驅(qū)動(dòng)器時(shí)序特性，可以顯著提高系統(tǒng)的總功率轉(zhuǎn)換效率。隔離的信號(hào)和電源集成也可大幅減少元件數(shù)量，從而降低系統(tǒng)成本、提高可靠性。
用微變壓器實(shí)現(xiàn)信號(hào)和電源隔離
微變壓器可以用于提供集成的信號(hào)和電源隔離，最大額定值為5 kV rms [1].對(duì)于信號(hào)傳輸，輸入數(shù)據(jù)通常在編碼之后再傳輸給數(shù)據(jù)變壓器原邊。副邊則通過解碼來還原信號(hào)。輸入與輸出之間的隔離通過初級(jí)線圈與次級(jí)線圈之間的絕緣層來實(shí)現(xiàn)。為了在隔離之間實(shí)現(xiàn)高效的電源傳輸，用一個(gè)自振高頻振蕩器來驅(qū)動(dòng)電源變壓器的原邊，同時(shí)用高頻肖特基二極管來提供整流直流電壓。
調(diào)節(jié)由次級(jí)控制器產(chǎn)生的PWM完成，該P(yáng)WM通過一個(gè)反饋?zhàn)儔浩饕赃h(yuǎn)低于振蕩頻率的頻率來開啟和關(guān)閉振蕩器，如圖2(a)所示。通過反饋?zhàn)儔浩鞯姆答佇盘?hào)的工作方式與通過數(shù)據(jù)變壓器的其他數(shù)據(jù)通道信號(hào)相同。當(dāng)為能量轉(zhuǎn)換和反饋設(shè)置不同的控制路徑時(shí)，可以優(yōu)化能量轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)維持調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性。圖2(b)展示的是帶四個(gè)獨(dú)立的隔離數(shù)據(jù)通道的500 mW隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器。
圖2. (a) 隔離DC-DC逆變器原理圖 (b) 4通道隔離器、500 mW隔離電源下的封裝方案
在本例中，變壓器由兩個(gè)獨(dú)立的芯片構(gòu)成，一個(gè)是編碼器(即原邊芯片)，另一個(gè)是解碼器(即副邊芯片)。然而，這主要是出于成本原因考慮，而在理論上，變壓器是可以用其中一個(gè)IC芯片構(gòu)建的。柵極驅(qū)動(dòng)器、收發(fā)器、ADC等額外電路功能全部都可以集成進(jìn)來。
PV逆變器中的隔離集成
圖3所示為一個(gè)典型的3級(jí)并網(wǎng)PV逆變器。第1級(jí)是一個(gè)可選的升壓轉(zhuǎn)換器，用于提高電池板電壓，該電壓然后再通過隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器級(jí)。該隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器包括一個(gè)通過高頻變壓器的全橋dc-ac轉(zhuǎn)換功能。
該高頻變壓器具有尺寸小、效率高的優(yōu)勢(shì)。副邊的交流被整流成通常高于電網(wǎng)峰值電壓的直流電壓。整流形成的直流再通過第3逆變器級(jí)轉(zhuǎn)換成電網(wǎng)線路頻率。需要檢測(cè)電池板輸出電壓和電流，并將其饋入一個(gè)微控制器，以執(zhí)行最大功率傳輸跟蹤(MPTT)算法。
同時(shí)，該微控制器還負(fù)責(zé)控制隔離DC-DC和輸出逆變器的柵極驅(qū)動(dòng)器。輸出逆變器位于電網(wǎng)一端，其接地電壓與直流電池板接地電壓不同，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，但它們功耗較高，其較大的傳播延遲也可能影響柵極驅(qū)動(dòng)器的時(shí)序精度，從而影響到逆變器的效率，而且最重要的是，它們難以支持PV電池板20至25年的擔(dān)保壽命。
另一方面，基于微變壓器的隔離器[1, 2]功耗要低得多，傳播延遲要短得多，而且性能不會(huì)隨時(shí)間而下降。另外，多通道隔離器也可以與片上DC-DC轉(zhuǎn)換器集成，以便為柵極驅(qū)動(dòng)器提供隔離電源。
在逆變器輸出與并網(wǎng)之間用繼電器來確保逆變器輸出頻率和相位與市電電壓同步，同時(shí)，還能在電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)或者在市電電壓或頻率超過可接受限值時(shí)迅速斷開，從而實(shí)現(xiàn)防孤島保護(hù)。在電網(wǎng)一端需要電壓檢測(cè)功能以檢測(cè)零交越，同時(shí)也需要電流檢測(cè)功能，以確保負(fù)載中饋入的是正弦波電流。
檢測(cè)信息可以通過隔離ADC傳送給控制器。隔離ADC集成一個(gè)16位二階∑-△調(diào)制器和基于微變壓器的數(shù)字隔離功能，能夠?qū)崿F(xiàn)3.75 kV的隔離，是分流電流檢測(cè)的理想之選。電流變壓器也可用于電流檢測(cè)，但它們價(jià)格昂貴、體積龐大，而且可能對(duì)外部磁場(chǎng)非常敏感。
也可以使用霍爾效應(yīng)檢測(cè)器，但它們?cè)诜蔷€性度和失調(diào)方面先天不足，結(jié)果會(huì)影響到電流測(cè)量值的精度。分流與集成隔離ADC一起形成一種可靠的低成本替代方案。隔離ADC在電網(wǎng)一端也需要隔離電源以驅(qū)動(dòng)自己，同時(shí)，可以集成基于微變壓器的隔離DC-DC,從而省去使用分立式DC-DC轉(zhuǎn)換器的諸多麻煩。
當(dāng)需要PLC通信時(shí)，電網(wǎng)端的PLC芯片可以由隔離DC-DC來驅(qū)動(dòng)，而其與電池板一端的控制器的通信則通過一個(gè)多通道隔離器來實(shí)現(xiàn)。
圖3. 3級(jí)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(qū)動(dòng)器相集成，以形成全隔離半橋柵極驅(qū)動(dòng)器。圖4所示為一個(gè)并網(wǎng)PV逆變器的示例柵極驅(qū)動(dòng)方案。對(duì)于原邊的DC-AC全橋開關(guān)，通常沒有必要為低端柵極驅(qū)動(dòng)器(尤其是低功耗逆變器)設(shè)置隔離。對(duì)于兩個(gè)高端開關(guān)，具有4 A驅(qū)動(dòng)能力的2通道1 kV隔離驅(qū)動(dòng)器就能勝任工作。逆變器開關(guān)位于交流端，因此，低端和高端都需要隔離柵極驅(qū)動(dòng)器。
圖4. 3級(jí)PV逆變器的柵極驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)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(qū)動(dòng)器。低端柵極驅(qū)動(dòng)器可以由集成的DC-DC驅(qū)動(dòng)(其動(dòng)力來自電池板一端)，而高端電源則可通過自舉解決方案來提供。
每個(gè)半橋柵極驅(qū)動(dòng)器均由3向隔離構(gòu)成，即是說，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片上變壓器提供。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)器以三芯片單封裝實(shí)現(xiàn)，包括一個(gè)輸入芯片和兩個(gè)相同的柵極驅(qū)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(xiàn)，兩個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器輸出各一個(gè)。輸入與底部線圈相連，底部線圈與頂部線圈之間由2.64 μm厚的氧化物隔離，而頂部線圈相互之間則通過橫向氧化物來實(shí)現(xiàn)隔離。
這兩個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器芯片位于自己的分片焊盤上，并通過與[2]類似的芯片間焊線與輸入芯片處的頂部線圈相連。5 kV柵極驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)方法與此相似，只是頂部線圈與底部線圈之間是通過20 mm厚的聚酰亞胺材料進(jìn)行隔離的。
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
對(duì)于多逆變器并聯(lián)系統(tǒng)(如串式逆變器)，逆變器之間也需要通信，這一般是通過RS-485總線、RS-232總線或者CAN總線(需要隔離時(shí))實(shí)現(xiàn)的。自驅(qū)動(dòng)隔離收發(fā)器將能夠從電池板端獲得總線端所需要的電源。
微逆變器也開始受到人們的青睞，因?yàn)樗鼈冇兄谔嵘到y(tǒng)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(xiàn)卓越。微逆變器可以使用單級(jí)逆變器而非全三級(jí)逆變器，以降低系統(tǒng)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(tǒng)成本、提升系統(tǒng)可靠性帶來了許多系統(tǒng)集成機(jī)會(huì)。
結(jié)論
基于微變壓器的隔離集成方法是滿足并網(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(hào)和電源隔離能力可以大幅減少元件數(shù)量，提高系統(tǒng)可靠性和使用壽命，同時(shí)，其精密的柵極驅(qū)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(duì)電網(wǎng)電流和電壓進(jìn)行更加準(zhǔn)確的測(cè)量，結(jié)果給電網(wǎng)帶來高品質(zhì)的單位功率系數(shù)正弦電流。
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