【技术】好的隔离器让你的光伏逆变器更可靠

基于化石燃料的电力设施在一个多世纪以来被证明是强大和可靠的能源，但这些设施带来的是大型，复杂和越来越昂贵的建设。为了最小化碳足迹和环境影响，无污染地运行它们是很具有挑战性和成本的。
 
光伏太阳能（PV）电力系统由多个组件组成，例如将阳光转换成电力模块的面板，机械和电气连接和安装，以及太阳能发电逆变器，这对于将太阳能发电送到电网是至关重要的。对此，SILICON LABS（芯科科技）特别针对光伏逆变器的设计架构及隔离应用需求进行详细的分析，并提出最符合成本效益及性能要求的CMOS隔离解决方案。

什么是光伏太阳能逆变器
太阳能电池板将阳光转换为直流电压，必须将其转换为高压交流电，以最大程度减少线路损耗并实现更长的电力传输距离。PV太阳能逆变器就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部件。但是，这只是PV逆变器提供的关键功能之一。
 
光伏逆变器还提供电网断开功能，以防止光伏系统为断开连接的电力供电; 也就是说，在电网断开期间保持在线的逆变器，或通过不可靠的连接传递电力，可能导致PV系统逆向变压器，在电线杆处产生数千伏特并危及工人。安全标准规范IEEE 1547和UL 1741规定，当交流线路电压或频率不在规定限值内时，所有并网逆变器均断开，如果电网不再存在则关闭。在重新连接后，变频器在五分钟内检测到额定的公用电压和频率之前，不能输出电力。但这不是逆变器的职责的结束。
 
逆变器还补偿影响功率输出的环境条件。例如，PV面板的输出电压和电流对每个单元单位面积的温度和光强度的变化非常敏感（称为"辐照度"）。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。变频器通过使用闭环控制来维持最大功率点（MPP）的工作，从而解决了这个问题，其中电压和电流的乘积处于最高值。
 
除了这些任务外，变频器还支持手动和自动输入/输出断开连接，用于维修操作，EMI/RFI传导和辐射抑制，接地故障中断，PC兼容通信接口等。该变频器采用坚固耐用的封装，能够在全电动户外运行25年以上。

光伏太阳能设计架构分析
以下所示的单相光伏逆变器示例，使用数字功率控制器和一对高边/低边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中，因为它具有任何开关模式拓扑的最高功率承载能力。参考下图，PWM电压开关在全桥输出端合成了一个离散的（尽管噪声较大）的60Hz电流波形。高频噪声分量进行电感滤波，产生中等幅度60Hz的正弦波。滤波后的波形然后通过一个输出变压器，它执行三个功能：首先进一步平滑交流波形; 第二，它校正电压幅度以满足规定的电网要求，第三，将逆变器的直流输入与高压交流电网进行电流隔离。

光伏逆变器设计充满了设计妥协，如果做出错误的权衡，可能会使设计师感到悲伤。例如，光伏系统预计将以完整额定输出可靠运行至少25年，但是它们需要具有竞争力的价格，迫使设计师做出艰难的成本/可靠性的折中。光伏系统需要高效率的逆变器，因为更高效率的逆变器比其低效率的同类产品持续时间更长，并且为光伏系统制造商和用户节约投入。
 
高变频器效率的永无止境的追求创造了更多的设计权衡，可以影响元件选择（主要是栅极驱动器，电源开关和磁性元件，如变压器），PCB结构和变频器封装散热要求。随着阳光的变化，光伏组件的输出电压也会不稳定地流失; 因此，对于变频器的输入电压范围与PV面板的输出相匹配是有益的。这产生了更多的设计权衡，进一步影响系统的复杂性，成本和效率，这只是硬件。现在我们来看看控制的问题。
 
逆变器后面的"大脑"是其控制器，通常是数字功率控制器（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）代码进行最有效的执行，从而防止执行无意中进入无限循环。固件执行是层次化的，通常比低阶功能更频繁地服务于最高优先级的功能。在PV逆变器情况下，隔离反馈环路补偿和功率开关调制通常是最高优先级，其次是关键保护功能，以支持UL 1741和IEEE 1547安全标准，最后采用效率控制（MPP）。剩余的固件任务主要是为了优化当前操作点的操作，监控系统运行和支持系统通信。
 
需要考虑，光伏逆变器暴露在高温和/或冷冻的寒冷温度下25年，会导致在逆变器中使用的组件暂停使用。显然，过滤纹波的电解电容器，提供电流隔离的光电耦合器等组件，没有机会"走远"。电解电容器干燥掉电，光耦合器的LED亮度逐渐变淡，发光，停止运转。这些精巧组件的解决方案包括用高价值薄膜电容器替换电解电容器（更高的可靠性，但成本更高）。最佳的长期解决方案是关闭光耦合器，这有利于现代CMOS隔离元件。
 
高性能模拟与混合信号IC领导厂商Silicon Labs推出一系列基于Silicon Labs专利的CMOS数字隔离技术的可提供最高通道数量、性能、可靠性和数据传输率的数字隔离器产品。CMOS工艺技术具有高可靠性，成本效益，高速运行，小特征尺寸，低工作功率和工作稳定性，电压和温度极限，以及许多其他的优点。此外，与光耦合器中使用的砷化镓（GaAs）工艺技术不同，CMOS制造的器件没有固有的磨损机制。底层CMOS隔离单元是电容式，全差分和高度优化的，用于紧凑的定时性能，低功耗操作，以及对外部场和快速共模瞬态引起的数据错误的高抗扰度。事实上，CMOS工艺技术带来的优势与专有的硅产品设计相结合，首次成为可靠的"接近理想"隔离器件。这些器件具有更高的全面功能集成度，更高的可靠性（60年以上的隔离屏蔽寿命），最高VDD的40°C至+ 125°C的连续工作，以及性能，功耗，电路板空间节省和易用性。

21世纪的光伏逆变器组件解决方案
光伏逆变器架构不以上述单相，变压器为基础的变频器结束。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。虽然这些拓扑结构彼此不同，但它们通常需要相同的组件解决方案。下图显示了基于变压器的三相逆变器中使用的几种CMOS隔离器件。

这是一种经典的闭环架构，其中数字控制器调制电源开关占空比，以强制PV系统的输出电压幅度和相位与电网的输出电压幅度和相位精确匹配。这些隔离栅极驱动器在单个封装中集成了安全认证的电隔离（额定电压为1kV，2.5kV或5kV）和高侧电平转换功能，无需外部隔离器件。每个驱动器输出与下一个驱动器输出隔离，可以在不锁定的情况下使用负电压和正电压轨电压混合。
 
通过单个4mm x 4mm x 1mm CMOS隔离交流电流传感器（其1kV隔离额定值受封装尺寸限制 - 较大封装版本额定值高达5kVrms），可为控制器提供反馈电流。与电流检测变压器相比，这些单片传感器具有更宽的温度范围，更高的精度和更高的可靠性。使用数字控制器产生的逆变器门控制信号，逐个循环复位传感器，无需外部复位电路。电网反馈是系统反馈控制机制的关键部分。电阻衰减器用于将电网电压降低到与PWM调制器兼容的范围，PWM调制器将正弦波输入转换为离散PWM波形，并由CMOS数字隔离器进行安全隔离。

设计展望
光伏系统是能源生产领域的新兴技术。与其他新兴技术一样，随着技术的成熟，光伏系统也将迅速发生变化。因此，光伏系统无疑将继续发展，以满足更高容量，更低成本和更高可靠性的市场需求。在这种情况下，光伏逆变器的功能将会扩大，设计人员将需要更加集成的，特定于应用的组件级设备，以进一步利用和推动CMOS隔离技术的创新。随着这些事件的展开，光伏发电系统将变得越来越广泛，最终代表实用主流的可行部分，显著降低对化石燃料的依赖。

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