廣芯微發(fā)布基于自研主芯片的光伏微型逆變器參考設(shè)計(jì)平臺(tái)

概述

光伏逆變器是將光伏（PV）太陽(yáng)能板產(chǎn)生的可變直流電壓轉(zhuǎn)換為市電頻率交流電（AC）的逆變器，并網(wǎng)輸入到電網(wǎng)輸電系統(tǒng)。光伏逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)中重要的組成部分，可以配合一般交流供電的設(shè)備使用。為給客戶(hù)提供一個(gè)穩(wěn)定高效、安全可靠、支持快速驗(yàn)證與二次開(kāi)發(fā)的光伏微型并網(wǎng)逆變器的參考設(shè)計(jì)方案，廣芯微電子（廣州）股份有限公司采用自研UM3243F主芯片，設(shè)計(jì)了一套2-in-1光伏微型并網(wǎng)逆變器方案平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)單級(jí)變壓拓?fù)?，單板尺寸僅為175mm x 155mm，單板高度為23mm。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可用于AC-DC開(kāi)關(guān)電源等數(shù)字電源領(lǐng)域，有助于提升效率、縮減尺寸、減少BOM和降低功耗。

本光伏微型逆變器參考設(shè)計(jì)平臺(tái)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1. 高效率：市面主流的光伏逆變器采用雙級(jí)功率轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，本方案采用單級(jí)變壓結(jié)構(gòu)，減少功率轉(zhuǎn)換帶來(lái)的損耗，提高率轉(zhuǎn)效率；

2. 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)精益：采用單級(jí)變壓結(jié)構(gòu)，有效減少功率零件和信號(hào)采樣數(shù)量，功耗更低、發(fā)熱更少；

3. 緊湊尺寸: 采用自研Cortex-M4微處理器UM3243F芯片以及精益拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)一步精簡(jiǎn)單板尺寸與元器件成本；

4. 保護(hù)：輸入過(guò)壓過(guò)流保護(hù)、輸出過(guò)流保護(hù)、電網(wǎng)電壓和頻率檢測(cè)及保護(hù)；

5.無(wú)線(xiàn)通信：基于互聯(lián)網(wǎng)的WiFi無(wú)線(xiàn)通訊，可實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)和電量，并可搭配廣芯微自研的Sub-GHz無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以支持公里級(jí)戶(hù)外數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸，提供更加靈活的應(yīng)用場(chǎng)景。

硬件方案介紹

在光伏微型逆變器控制模塊中，主要組成部分包括廣芯微自研主控高性能數(shù)字電源MCU UM3243F、功率半導(dǎo)體、無(wú)源元件和柵極驅(qū)動(dòng)電路等。通過(guò)獨(dú)立UM3243F控制，實(shí)現(xiàn)兩路光伏電流輸入，一路交流電流輸出的2-in-1光伏微型逆變器方案。UM3243F以其高性能指標(biāo)與數(shù)字電源控制算法，可以完全取代以往基于DSP的實(shí)現(xiàn)方案。

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光伏微型逆變器方案

軟件方案介紹

對(duì)光伏板和交流網(wǎng)進(jìn)行電壓、電流采樣，通過(guò)“調(diào)頻移相”控制方法實(shí)時(shí)計(jì)算出需要的開(kāi)關(guān)頻率和移相角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入到220V/50Hz、220V /60Hz電網(wǎng)的交流電流的精確控制，同時(shí)獲得高質(zhì)量的輸出電流和最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）。

光伏微型逆變器方案系統(tǒng)框圖

保護(hù)方案介紹

輸入過(guò)壓保護(hù)：當(dāng)直流側(cè)輸入電壓高于逆變器允許的最大值時(shí)，逆變器不會(huì)啟動(dòng)或停止運(yùn)行(當(dāng)正在運(yùn)行時(shí))，同時(shí)會(huì)通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信上送報(bào)警信息。直到直流側(cè)電壓恢復(fù)到逆變器允許的工作范圍后，逆變器將會(huì)再自動(dòng)正常啟動(dòng)運(yùn)行。

輸入過(guò)流保護(hù)：當(dāng)微型逆變器運(yùn)行時(shí)，其輸入電流高于允許的最大值時(shí)，逆變器(當(dāng)正在運(yùn)行時(shí)) 會(huì)止運(yùn)行并通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信上送報(bào)警信息。

輸出過(guò)流保護(hù):當(dāng)微型逆變器運(yùn)行時(shí)，其輸出電流峰值高于允許的最大輸值時(shí)，逆變器會(huì)止運(yùn)行并通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信上送報(bào)警信息。

輸出過(guò)/欠壓，過(guò)/欠頻保護(hù)：逆變器會(huì)實(shí)時(shí)測(cè)量交流電網(wǎng)的電壓和頻率，如果發(fā)現(xiàn)過(guò)/欠壓，過(guò)/欠頻等異常狀態(tài)，逆變器會(huì)止運(yùn)行并通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信上送報(bào)警信息。在電網(wǎng)電壓、頻率恢復(fù)到允許的范圍時(shí)，逆變器會(huì)再自動(dòng)正常啟動(dòng)運(yùn)行。

微型光伏逆變器平臺(tái)演示板

下圖是2-in-1 600W 光伏微型逆變器平臺(tái)的演示板

2-in-1微型光伏逆變器的演示板單板尺寸175mm （長(zhǎng)）x 155mm（寬）

功能參數(shù)及測(cè)試波形

功能參數(shù)

功率：2 x 300W

峰值效率：~96.2%

電流總諧波畸變率：< 4%

功率因數(shù)：>0.99

測(cè)試波形

下圖是微型逆變器工作在187 – 254V電網(wǎng)電壓下2 x300W功率輸出的波形，微型逆變器可以在不同的電網(wǎng)電壓下進(jìn)行可靠工作。

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下圖是微型逆變器在20 – 100%光照下的動(dòng)態(tài)最大功率點(diǎn)跟蹤效果。微型逆變器可以在不同的光照情況下，對(duì)光伏板最大功率點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤，確保最大發(fā)電量。

下圖是微型逆變器在220V50Hz和60Hz的交流電網(wǎng)下工作波形，微型逆變器可以應(yīng)用到不同交流電網(wǎng)場(chǎng)合。


220V/60Hz 電網(wǎng)

220V/50Hz 電網(wǎng)

UM3243F芯片特點(diǎn)：

ARM Cortex -M4F內(nèi)核，工作頻率最高可達(dá)到240MHz；

支持DSP指令與單精度FPU；

內(nèi)置自研硬件運(yùn)算協(xié)處理器Cordic運(yùn)算單元；

ADC支持單端和差分，最高采樣率6.375Msps；

PWM精度最高2.08ns；

內(nèi)建加解密引擎AES(128/256）和SHA256；

動(dòng)態(tài)功耗：100uA/MHz（低壓模式下80uA/MHz）；

支持SDIO，CAN， EMAC接口。

審核編輯：劉清