微型逆變器的電源轉(zhuǎn)換集成方案

微型逆變器通過在單個面板層面管理太陽能收集而不是像整個中央逆變器那樣在整個裝置中幫助提高太陽能裝置的效率。然而，在過去，在太陽能收集期間確保最大功率輸出所需的復(fù)雜控制機制增加了成本并且限制了微型逆變器的接受。雖然復(fù)雜且經(jīng)濟高效的IC和基于處理器的解決方案可處理微逆變器設(shè)計的邏輯控制方面，但各種電壓控制器和穩(wěn)壓器為太陽能電池板直流輸出發(fā)電提供了補充解決方案。

在典型的微型逆變器設(shè)計中，數(shù)字邏輯控制器或MCU執(zhí)行最大功率點跟蹤（MPPT）算法，旨在確保面板的最佳輸出。在此過程中，這些邏輯器件監(jiān)視和調(diào)整功率轉(zhuǎn)換路徑，以產(chǎn)生具有電網(wǎng)所需特性的AC電壓。在此功率轉(zhuǎn)換路徑中，DC/DC轉(zhuǎn)換器的性能特性在確定功率轉(zhuǎn)換和輸出的整體效率方面發(fā)揮著核心作用。對于工程師而言，有效的轉(zhuǎn)換器解決方案在某些情況下可以使用集成的DC/DC轉(zhuǎn)換器，但這些設(shè)計通常建立在電壓控制器上，能夠驅(qū)動處理大多數(shù)微型逆變器所需的更高電壓和電流所需的門。

在功能方面，微型逆變器是由太陽能電池板輸出驅(qū)動的DC/AC電源，依靠熟悉的電壓轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)來最大化電源轉(zhuǎn)換效率。對于微逆變器設(shè)計，正向和反激轉(zhuǎn)換器仍然是最常用的DC/DC轉(zhuǎn)換拓撲結(jié)構(gòu)，其中硅控整流器（SCR）或MOSFET全橋用于產(chǎn)生所需電網(wǎng)頻率的交流波形（圖1）。

圖1：在簡單的微型逆變器設(shè)計中，交錯式有源鉗位反激式逆變器可以提升太陽能電池板的低壓直流電壓，電網(wǎng)所需的高壓交流波形。 （由Microchip Technology提供）

與電源設(shè)計一樣，微逆變器設(shè)計需要采用各種設(shè)計技術(shù)來提高效率和可靠性。使用交錯反激式拓撲有助于通過減少通過它們的紋波電流RMS來延長這些設(shè)計中通常使用的輸入 - 體電解電容器的壽命。此外，采用這種方法提供的降低的輸出電流紋波導(dǎo)致低輸出電流THD。此外，有源鉗位技術(shù)的應(yīng)用可實現(xiàn)更高的最大占空比，允許使用更高的匝數(shù)比，這可以顯著降低初級側(cè)的電流應(yīng)力和次級側(cè)的電壓應(yīng)力。

為了確保最大的能量輸出，轉(zhuǎn)換器必須能夠響應(yīng)微逆變器控制邏輯，該邏輯設(shè)計用于盡可能地保持轉(zhuǎn)換器電壓和電流，使其與MPPT算法產(chǎn)生的理想特性保持一致。更重要的是，連接到電網(wǎng)的微型逆變器需要能夠在電源故障期間斷開自身與電網(wǎng)的連接。反過來，這些故障保護功能要求功率轉(zhuǎn)換器至少具有過壓和欠壓檢測功能。

集成解決方案

制造商提供了許多旨在滿足微逆變器要求的集成解決方案。單芯片橋接控制器和DC/DC轉(zhuǎn)換器提供了實現(xiàn)最復(fù)雜的電源轉(zhuǎn)換路徑所需的功能，可最大限度地提高功率密度，同時最大限度地減少元件數(shù)量。事實上，設(shè)計人員可以找到專門用于太陽能電池板能量收集的Intersil ISL1801和Texas Instruments SM72295等控制器。

Intersil ISL1801能夠支持降壓，升壓或降壓 - 升壓拓撲，集成了所需的偏置穩(wěn)壓器，柵極驅(qū)動器，電流檢測放大器和比較器，以及一對開關(guān)穩(wěn)壓器，可為其他器件供電在微逆變器設(shè)計中。德州儀器（TI）SM72295同樣為太陽能轉(zhuǎn)換應(yīng)用提供了完整的片上電路。除了用于電流檢測的跨導(dǎo)放大器外，SM72295還集成了四個獨立的3 A MOSFET柵極驅(qū)動器，具有信號調(diào)理功能，以及濾波，電源良好和過壓檢測功能（圖2）。

圖2：設(shè)計人員可以使用開關(guān)控制器來實現(xiàn)能夠處理太陽能電池板功率輸出的高效DC/DC轉(zhuǎn)換器作為德州儀器SM72295。 （德州儀器公司提供）

雖然不是專門針對太陽能轉(zhuǎn)換的目標，但各種開關(guān)控制器都是有吸引力的替代方案，每種都提供能夠滿足各個微逆變器設(shè)計的特殊要求的功能。例如，Microchip Technology MCP1630V脈沖寬度調(diào)制器（PWM）設(shè)計用于與可能同時執(zhí)行MPPT和執(zhí)行整體控制的MCU輕松集成。利用該器件，設(shè)計人員可以使用MCU IO引腳來控制MCP1630V的工作特性，包括開關(guān)頻率和占空比，從而使高度靈活的電源系統(tǒng)能夠根據(jù)需要進行調(diào)整以優(yōu)化性能。

安森美半導(dǎo)體NCP1562等其他控制器具有專用功能，例如一對能夠在功率轉(zhuǎn)換階段驅(qū)動不同功能的同相輸出。例如，主輸出可以驅(qū)動正激轉(zhuǎn)換器初級MOSFET，而次級輸出可以驅(qū)動有源鉗位電路MOSFET。除了過壓和欠壓檢測外，NCP1562還提供額外的保護功能，例如“軟停止”電路，可在檢測到嚴重故障時關(guān)閉轉(zhuǎn)換器。

雖然控制器可以滿足高電壓，高電流應(yīng)用的需求，但一些微逆變器應(yīng)用可以利用集成電源管理IC（PMIC），提供完整的DC/DC轉(zhuǎn)換器解決方案，而且?guī)缀鯖]有其他組件。例如，Maxim Integrated MAX5033降壓轉(zhuǎn)換器滿足功率敏感型微逆變器應(yīng)用的需求，無負載時僅消耗270μA靜態(tài)電流。在重負載工作期間，MAX5033以固定的125 kHz開關(guān)頻率工作，并自動切換到脈沖跳躍模式，在輕負載時提供低靜態(tài)電流和高效率。

微型逆變器設(shè)計人員也可以利用其他PMIC，如STMicroelectronics SPV1020升壓轉(zhuǎn)換器（圖3）和德州儀器SM72485 SolarMagic降壓轉(zhuǎn)換器專為太陽能收集而設(shè)計。除了集成的MPPT和故障控制器外，STMicroelectronicsSPV1020還集成了用于有源開關(guān)和同步整流器的功率MOSFET，減少了實現(xiàn)太陽能轉(zhuǎn)換DC/DC轉(zhuǎn)換器所需的外部器件數(shù)量。

圖3：STMicroelectronics SPV1020 DC/DC轉(zhuǎn)換器專為太陽能收集而設(shè)計，將其集成電源轉(zhuǎn)換功能與片上MPPT相結(jié)合和故障控制器。 （由STMicroelectronics提供）

德州儀器（TI）SM72485集成了實現(xiàn)經(jīng)濟高效的降壓DC/DC穩(wěn)壓器所需的全套功能。 SM72485采用無需環(huán)路補償?shù)目刂品桨?，并通過強制關(guān)斷時間限制電流。此時，器件監(jiān)視輸出電壓，當電壓低于其內(nèi)部參考電壓時，將其集成的100 V N溝道降壓開關(guān)導(dǎo)通一段固定時間，該時間由線電壓和外部編程電阻決定。

結(jié)論

微型逆變器設(shè)計帶來了控制，功率轉(zhuǎn)換和效率的要求，限制了它們過去的廣泛接受度。然而，隨著集成解決方案的可用性，設(shè)計人員可以利用各種合適的設(shè)備。雖然專用處理器提供微逆變器所需的高級控制功能和MPPT功能，但電源轉(zhuǎn)換級的設(shè)計要求器件具有安全高效地為電網(wǎng)供電所需的性能特性和功能。通過廣泛選擇可用的集成開關(guān)控制器和PMIC，工程師可以在微逆變器設(shè)計中創(chuàng)建高效，經(jīng)濟的電源轉(zhuǎn)換級。