【技术】先进的数字隔离技术提高太阳能逆变器的可靠性

时间： 2023-10-03 来源：先进光半导体官网

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一个多世纪以来，化石燃料电力设施已被证明是强大而可靠的能源，但这些久经考验的设施规模庞大、复杂且建造成本越来越高。以最小的碳足迹和环境影响清洁运营它们也具有挑战性且成本高昂。相比之下，现代光伏(PV)电力系统提供了化石燃料发电厂的可持续替代方案，与集中式发电设施相比，提供更低的长期运营成本、模块化可扩展性、更高的效率和显着降低的碳足迹。

光伏发电系统由多个组件组成，例如将太阳光转化为电力模块的光伏电池板、机械和电气连接和安装件，以及太阳能逆变器，它们对于将太阳能发电输送到电网至关重要。

什么是光伏太阳能逆变器？

光伏面板将太阳光转换为直流电压，必须将其转换为高压交流电，以最大限度地减少线路损耗并实现更长的电力传输距离。光伏太阳能逆变器执行这种直流到交流转换，是任何光伏发电系统中最关键的组件。然而，这只是光伏逆变器提供的一项关键功能。

光伏逆变器还提供电网断开功能，以防止光伏系统为断开的公用事业供电；也就是说，逆变器在电网断开期间保持在线或通过不可靠的连接供电可能会导致光伏系统反向馈电当地公用事业变压器，从而在电线杆上产生数千伏电压并危及公用事业工作人员。安全标准规范IEEE1547和UL1741规定，所有并网逆变器必须在交流线路电压或频率不在规定范围内时断开连接，或者在电网不存在时关闭。重新连接后，在逆变器在五分钟内检测到额定市电电压和频率之前，逆变器无法供电。但同样，这并不是逆变器职责的结束。

逆变器还可以补偿影响功率输出的环境条件。例如，光伏电池板的输出电压和电流极易受到温度和每电池单位面积光强（称为“辐照度”）的变化的影响。电池输出电压与电池温度成反比，电池电流与辐照度成正比。这些和其他关键参数的广泛变化导致最佳逆变器电压/电流工作点显着移动。逆变器通过使用闭环控制来解决这个问题，以维持在所谓的最大功率点(MPP)的运行，此时电压和电流的乘积处于最高值。

除了这些任务，逆变器还支持手动和自动输入/输出断开服务操作、EMI/RFI传导和辐射抑制、接地故障中断、PC兼容通信接口等。该逆变器采用坚固的封装，能够在户外全功率运行中保持25年以上。不小的壮举！

图所示的单相PV逆变器示例使用数字功率控制器和一对高侧/低侧栅极驱动器来驱动脉宽调制(PWM)全桥转换器。全桥拓扑通常用于逆变器应用，因为它具有所有开关模式拓扑中最高的功率承载能力。参见图1，PWM电压开关动作在全桥输出处合成离散（尽管有噪声）60Hz电流波形。高频噪声分量经过感应过滤，并产生适度低幅度的60Hz正弦波，如图1B所示。滤波后的波形然后通过一个输出变压器，该变压器执行三个功能：首先，它进一步平滑交流波形；其次，它校正电压幅度以满足特定的电网要求，第三，它将逆变器的直流输入与高压隔离。

光伏逆变器设计充满了设计妥协，如果做出错误的权衡，可能会给设计人员带来极大的痛苦。例如，光伏系统预计能够以满额定输出可靠运行至少25年，但它们需要具有竞争力的价格，迫使设计人员在成本/可靠性之间做出艰难的权衡。光伏系统需要高效的逆变器，因为与效率较低的逆变器相比，效率更高的逆变器运行温度更低且使用寿命更长，并且它们为光伏系统制造商和用户都节省了现金。

对高逆变器效率的永无止境的追求创造了更多的设计权衡，这些权衡可能会影响组件选择（主要是栅极驱动器、电源开关和磁性组件，例如变压器）、PCB结构和逆变器封装热要求。随着阳光照射的变化，光伏面板的输出电压也会严重漂移；因此，逆变器的输入电压范围与光伏电池板的输出电压范围相匹配是有益的。这会产生更多的设计权衡，进一步影响系统复杂性、成本和效率，而这仅仅是硬件。现在让我们看看问题的控制方面。

逆变器背后的“大脑”是其控制器，通常是数字电源控制器(DPC)或数字信号处理器(DSP)。通常，控制器的固件以状态机格式实现，以便使用非阻塞（直通）代码实现最有效的执行，从而防止执行意外进入无限循环。固件执行是分层的，通常比低阶函数更频繁地服务于最高优先级函数。在光伏逆变器案例中，隔离反馈环路补偿和功率开关调制通常是最高优先级，其次是支持UL1741和IEEE1547安全标准的关键保护功能，最后是效率控制(MPP)。其余固件任务主要涉及优化当前操作点的操作、监控系统操作和支持系统通信。

光伏逆变器暴露在炽热和/或冰冷的温度下长达25年，导致人们在考虑逆变器中使用的组件时暂停。显然，过滤纹波的电解电容器和提供电流隔离的光耦合器等组件具有没有“远行”的机会。电解电容干涸并死亡，光耦的LED亮度逐渐变暗，停止工作。这些精密组件的解决方法包括用高价值薄膜电容器替换电解电容器（更高的可靠性，但显然更高的成本）。最佳的长期解决方案是摒弃光耦合器，转而采用现代CMOS隔离组件。

光耦工艺技术具有高可靠性、成本效益、高速运行、小特征尺寸、低运行功率和在电压和极端温度下的运行稳定性以及许多其他理想属性的优势。此外，与砷化镓(Gas)不同用于光耦合器的工艺技术，CMOS制造的器件没有固有的磨损机制。底层cmos隔离单元是电容性的、全差分的，并针对紧密的时序性能、低功耗运行以及对由外部场和快速共模瞬变弓I起的数据错误的高抗扰度进行了高度优化。事实上，CMoS工艺技术与专有硅产品设计相结合所带来的优势，首次使稳健、“接近理想”的隔离器件成为可能。这些器件提供更高的全面功能集成、显着更高的可靠性(60年以上的隔离栅寿命)、40°c至+125°C在最大VDD下的连续运行，以及性能、功耗和电路板空间节省方面的显着改进和易用性。

21世纪光伏逆变器组件解决方案

光伏逆变器架构并不仅限于图1所示的基于变压器的单相逆变器。其他常见类型包括高频、双极、三相、无变压器和电池供电的逆变器。虽然这些拓扑彼此不同，但它们通常需要相同的组件解决方案。图2中的框图显示了在基于变压器的三相逆变器中使用的几个CMOS隔离器件。

光伏系统在能源生产领域相对较新。与其他新兴技术一样，随着技术的成熟，光伏系统将发生快速变化。因此，光伏系统无疑将继续发展，以满足市场对更高容量、更低成本和更高可靠性的需求。随着这种情况的发生，光伏逆变器的功能将扩展，设计人员将需要更多集成的、特定于应用的组件级设备，以进一步利用和推动CMOS隔离的创新。随着这些事件的发展，光伏发电系统将变得更加普遍，并最终成为公用事业主流的一个可行部分，从而显着减少我们对化石燃料的依赖。

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全部评论（1）

hghee Lv8. 研究员 2023-10-27

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