PV逆變器中的隔離集成 - 光伏逆變器的隔離需求及實現(xiàn)

　　PV逆變器中的隔離集成

　　圖3所示為一個典型的三級并網(wǎng)PV逆變器。第一級是一個可選的升壓轉(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。該隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器包括一個通過高頻變壓器實現(xiàn)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。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三逆變器級轉(zhuǎn)換成電網(wǎng)線路頻率。需要檢測電池板輸出電壓和電流，并將其饋入一個微控制器，以執(zhí)行最大功率傳輸跟蹤（MPTT）算法。同時，該微控制器還負責(zé)控制隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器和輸出逆變器的柵極驅(qū)動器。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，而且從微控制器到逆變器驅(qū)動級的通信需要隔離。通常需要四個光耦合器，但它們功耗較高，其較長的傳播延遲也可能影響柵極驅(qū)動器的時序精度，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年的使用壽命。

　　圖3：三級PV逆變器的隔離方案。

　　另一方面，基于微變壓器的隔離器功耗要低得多，傳播延遲要短得多，而且性能不會隨時間而下降。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，還能夠在電網(wǎng)發(fā)生故障時或者市電電壓或頻率超過可接受限值時迅速斷開，從而實現(xiàn)防孤島保護。在電網(wǎng)一端需要電壓檢測功能以檢測零交越，同時也需要電流檢測功能，以確保負載中饋入的是正弦波電流。檢測信息可以通過隔離型ADC傳送給控制器。

　　隔離型ADC集成了一個16位二階Σ-Δ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)3.75kV的隔離，是分流電流檢測的理想之選。電流變壓器也可用于電流檢測，但它們價格昂貴、體積龐大，而且可能對外部磁場非常敏感。也可以使用霍爾器件，但它們在非線性度和失調(diào)方面先天不足，這會影響到電流測量值的精度。將分流與集成隔離型ADC結(jié)合可提供一種可靠的低成本方案。隔離型ADC在電網(wǎng)一端也需要隔離的電源以驅(qū)動自己，同時，可以集成基于微變壓器的隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器，從而免除使用分立式DC-DC轉(zhuǎn)換器的諸多麻煩。當(dāng)需要PLC通信時，電網(wǎng)端的PLC芯片可以由隔離式DC-DC來驅(qū)動，而其與電池板一端控制器的通信則通過一個多通道隔離器來實現(xiàn)。

　　基于微變壓器的隔離方法也可與高電流輸出柵極驅(qū)動器集成，以構(gòu)成全隔離半橋柵極驅(qū)動器。圖4所示為一個并網(wǎng)PV逆變器的柵極驅(qū)動方案的實例。對于原邊的DC-AC全橋開關(guān)，通常無需為低壓側(cè)柵極驅(qū)動器（尤其是低功耗逆變器）設(shè)置隔離。對于兩個高壓側(cè)開關(guān)，具有4A驅(qū)動能力的2通道1kV隔離式驅(qū)動器就能勝任工作。逆變器開關(guān)位于交流端，因此，低壓側(cè)和高壓側(cè)都需要隔離式柵極驅(qū)動器。

　　圖4：三級PV逆變器的柵極驅(qū)動器實現(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2.5kV或5kV的隔離式柵極驅(qū)動器。低壓側(cè)柵極驅(qū)動器可以由集成的DC-DC驅(qū)動（其動力來自電池板一端），而高壓側(cè)電源則可通過自舉方案來提供。

　　每個半橋柵極驅(qū)動器均由三向隔離構(gòu)成，即輸入與輸出之間存在隔離，兩個輸出之間也有隔離。輸入到輸出的隔離通過片上變壓器提供。圖5a是1kV柵極驅(qū)動器的變壓器結(jié)構(gòu)，圖5（b）是5kV柵極驅(qū)動器的變壓器結(jié)構(gòu)。1kV半橋柵極驅(qū)動器用三裸片單封裝實現(xiàn)，包括一塊輸入芯片和兩塊相同的柵極驅(qū)動器芯片。

　　如圖5（a）所示兩個1kV變壓器在輸入芯片上實現(xiàn)，每個柵極驅(qū)動器輸出端各一個。輸入與底部線圈相連，底部線圈與頂部線圈之間由2.64μm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現(xiàn)隔離。這兩個柵極驅(qū)動器芯片位于其相互分離的底盤上，并通過芯片間焊線與輸入芯片處的頂部線圈相連。5kV柵極驅(qū)動器實現(xiàn)方法與此相似，只是頂部線圈與底部線圈之間是通過20mm厚的聚酰亞胺材料進行隔離的。

　　圖5：變壓器結(jié)構(gòu)（a）1 kV柵極驅(qū)動器；（b）2.5kV柵極驅(qū)動器。

　　對于多逆變器并聯(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）實現(xiàn)的。自驅(qū)動隔離收發(fā)器將能夠從電池板端獲得總線端所需的電源。

　　微逆變器也開始受到人們的青睞，因為它們有助于提升系統(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，其性能不會隨時間而下降，在這些極端條件下表現(xiàn)卓越。微逆變器可以使用單級逆變器來取代全三級逆變器，以降低系統(tǒng)成本。每個微逆變器的功耗可能僅僅只有兩三百瓦，在這一功耗水平下，隔離集成方法為降低系統(tǒng)成本、提升系統(tǒng)可靠性帶來了許多系統(tǒng)集成的可能性。

　　本文小結(jié)

　　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，其精密的柵極驅(qū)動時序特性則可能進一步提高逆變器的效率。利用基于微變壓器的隔離型ADC，可以對電網(wǎng)電流和電壓進行更加準確的測量，最終給電網(wǎng)帶來高品質(zhì)的單位功率因數(shù)正弦電流。