光伏逆變器的隔離需求及實(shí)現(xiàn) - 全文

　　過去幾年，光伏（PV）產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，其動力主要來自居高不下的油價和環(huán)境憂慮。不過，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)的煤電相競爭，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)，因為結(jié)果可能會影響配電變壓器和傳統(tǒng)的瓦特小時電表。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年的典型壽命要求。同時，微逆變器逐漸占據(jù)主流，因為這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受到大的接地漏電流和注入的直流的影響，因為大的電池板電容以及PV電池板與交流網(wǎng)之間缺少隔離，如圖1（a）所示。如果注入的交流電流中的直流分量進(jìn)入電網(wǎng)中，這種情況是應(yīng)該避免的，因為結(jié)果可能導(dǎo)致配電變壓器飽和。許多安全標(biāo)準(zhǔn)對電網(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，必須用變壓器進(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。

　　圖1：（a）非隔離逆變器下電網(wǎng)的直流注入；（b） 通過隔離阻斷直流注入。

　　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、功率因數(shù)以及孤網(wǎng)運(yùn)行情況的檢測等。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)動功能的控制器位于電池板一端，則必須將這些測量隔離開來。為使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PV逆變器以減少所需逆變器的數(shù)量時，電池板電壓可能變得非常高。從PV電池板高壓側(cè)進(jìn)行的電流測量也需要隔離。

　　除了隔離電流和電壓測量以外，還需要諸如RS-485、RS-232和CAN等接口功能。RS-485或RS-232通常用于面向這些PV逆變器的通信，以獲得實(shí)時的性能數(shù)據(jù)，而通信總線則需要進(jìn)行隔離，因為總線需要傳輸較長的距離，同時也是出于安全考慮。對于通信距離較短時，也可使用隔離式CAN。這些收發(fā)器同樣需要隔離電源供電，隔離電源從電池板一側(cè)抽取至總線一側(cè)。

　　傳統(tǒng)上，隔離是由光耦合器實(shí)現(xiàn)的。不過，光耦合器的電流傳輸函數(shù)會隨著時間而下降，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之類的檢測功能以及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以給這些檢測IC、隔離收發(fā)器或者隔離式柵極驅(qū)動器供電。基于光耦合器的柵極驅(qū)動器則耗電量大，時序特性也非常不穩(wěn)定?；谖⒆儔浩鞯臇艠O驅(qū)動器不但功耗更低，而且可以提供匹配性更好的柵極驅(qū)動器時序特性，從而顯著提高系統(tǒng)的總功率轉(zhuǎn)換效率。隔離的信號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)信號和電源隔離

　　微變壓器可以用于提供集成的信號和電源隔離，最大額定值為5kV rms。對于信號傳輸，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。輸入與輸出之間的隔離通過初級線圈與次級線圈之間的絕緣層來實(shí)現(xiàn)。為了在隔離勢壘之間實(shí)現(xiàn)高效的電源傳輸，用一個自激高頻振蕩器來驅(qū)動電源變壓器的原邊，同時用高頻肖特基二極管提供整流直流電壓。調(diào)節(jié)由次級控制器產(chǎn)生的PWM完成，該P(yáng)WM通過一個反饋?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)儔浩鞯姆答佇盘柕墓ぷ鞣绞脚c通過數(shù)據(jù)變壓器的其他數(shù)據(jù)通道信號相同。分開控制能量轉(zhuǎn)換和反饋調(diào)節(jié)，可以優(yōu)化能量轉(zhuǎn)換效率，同時維持調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性。圖2（b）展示的是帶四個獨(dú)立的隔離數(shù)據(jù)通道的500mW隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器。

　　圖2：（a）隔離式DC-DC逆變器原理圖；（b）4通道隔離器、500mW隔離電源下的封裝方案。

　　在本例中，變壓器在單獨(dú)的芯片上構(gòu)建，與編碼器（即原邊芯片）以及解碼器（即副邊芯片）分離。但這主要是出于成本的考慮，而在理論上，變壓器是可以構(gòu)建在一個IC芯片上。柵極驅(qū)動器、收發(fā)器、ADC等額外的電路功能全都可以集成進(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(shí)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(fù)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(shí)現(xiàn)防孤島保護(hù)。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(fù)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(shí)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(shí)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(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2.5kV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(shí)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(shí)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(shí)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(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20mm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(shí)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(jìn)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(jìn)行更加準(zhǔn)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。