基于處理器的微型逆變器設(shè)計方案

　　微型逆變器通過在單個面板級別管理太陽能收集，而不是像中央逆變器那樣在整個裝置中管理太陽能收集，從而幫助提高太陽能裝置的效率。然而，在過去，確保太陽能收集過程中最大功率輸出所需的復(fù)雜控制機制增加了成本并限制了微型逆變器的接受度。雖然復(fù)雜且具有成本效益的 IC 和基于處理器的解決方案處理微型逆變器設(shè)計的邏輯控制方面，但各種電壓控制器和穩(wěn)壓器提供了互補的解決方案，用于從太陽能電池板直流輸出發(fā)電。

　　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。在這個過程中，這些邏輯器件監(jiān)控和調(diào)整電源轉(zhuǎn)換路徑，以產(chǎn)生具有電網(wǎng)要求特性的交流電壓。在這個功率轉(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，在某些情況下，有效的轉(zhuǎn)換器解決方案可以利用集成 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，但這些設(shè)計通常建立在能夠驅(qū)動所需柵極的電壓控制器上，以處理大多數(shù)微型逆變器所需的更高電壓和電流。

　　在功能能力方面，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?fù)鋪碜畲笙薅鹊靥岣唠娫崔D(zhuǎn)換效率。對于微型逆變器設(shè)計，正激和反激式轉(zhuǎn)換器仍然是 DC/DC 轉(zhuǎn)換最常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其采用可控硅整流器 （SCR） 或 MOSFET 全橋，用于在所需電網(wǎng)頻率下產(chǎn)生交流波形（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來自太陽能電池板的低壓直流電，以提供電網(wǎng)所需的高壓交流電波形。（由微芯科技提供）

　　與電源設(shè)計一樣，微型逆變器設(shè)計需要多種設(shè)計技術(shù)來提高效率和可靠性。使用交錯式反激拓?fù)溆兄谕ㄟ^降低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大容量電解電容器的使用壽命。此外，這種方法提供的減小的輸出電流紋波會導(dǎo)致低輸出電流 THD。此外，有源鉗位技術(shù)的應(yīng)用可以實現(xiàn)更高的最大占空比，從而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。

　　為確保最大能量輸出，轉(zhuǎn)換器必須能夠響應(yīng)微型逆變器控制邏輯，該邏輯旨在使轉(zhuǎn)換器電壓和電流盡可能接近其 MPPT 算法產(chǎn)生的理想特性。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將自己與電網(wǎng)斷開連接。反過來，這些故障保護(hù)功能要求電源轉(zhuǎn)換器至少具有過壓和欠壓檢測能力。

　　綜合解決方案

　　制造商提供了許多旨在滿足微型逆變器要求的集成解決方案。單芯片橋控制器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器提供了實現(xiàn)即使是最復(fù)雜的電源轉(zhuǎn)換路徑所需的功能，該路徑可最大限度地提高功率密度，同時最大限度地減少組件數(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控制器，例如Intersil ISL1801和Texas Instruments SM72295 。

　　Intersil ISL1801 能夠支持降壓、升壓或降壓-升壓拓?fù)?，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，用于為微型逆變器設(shè)計中的其他設(shè)備供電。德州儀器 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、濾波、電源良好和過壓檢測功能（圖 2）。

　　圖 2：設(shè)計人員可以使用德州儀器 SM72295 等開關(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。（德州儀器提供）

　　雖然不是專門針對太陽能轉(zhuǎn)換，但各種開關(guān)控制器作為有吸引力的替代品，每一種都提供能夠滿足單個微型逆變器設(shè)計的特殊要求的功能。例如，Microchip Technology 的MCP1630V脈寬調(diào)制器 （PWM） 設(shè)計用于與還可以執(zhí)行 MPPT 并進(jìn)行整體控制的 MCU 輕松集成。借助該器件，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，從而形成一個高度靈活的電源系統(tǒng)，能夠根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整以優(yōu)化性能。

　　其他控制器（例如ON Semiconductor NCP1562）具有專門的功能，例如一對能夠驅(qū)動功率轉(zhuǎn)換級內(nèi)不同功能的同相輸出。例如，主輸出可以驅(qū)動正向轉(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(hù)功能，例如在檢測到嚴(yán)重故障時關(guān)閉轉(zhuǎn)換器的“軟停止”電路。

　　雖然控制器適用于高電壓、大電流應(yīng)用，但一些微型逆變器應(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，而無需額外的組件。例如，Maxim Integrated的 MAX5033降壓轉(zhuǎn)換器滿足了對功率敏感的微型逆變器應(yīng)用的需求，在空載時僅消耗 270 μA 的靜態(tài)電流。在重負(fù)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，以在輕負(fù)載時提供低靜態(tài)電流和高效率。

　　微型逆變器設(shè)計人員還可以利用其他 PMIC，例如STMicroelectronics SPV1020升壓轉(zhuǎn)換器（圖 3）和 Texas Instruments SM72485 SolarMagic 降壓轉(zhuǎn)換器，專為太陽能收集而設(shè)計。除了集成 MPPT 和故障控制器，STMicroelectronics SPV1020 還集成了用于有源開關(guān)和同步整流器的功率 MOSFET，從而減少了實現(xiàn)太陽能轉(zhuǎn)換 DC/DC 轉(zhuǎn)換器所需的外部設(shè)備數(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 和故障控制器相結(jié)合。（意法半導(dǎo)體提供）

　　德州儀器 SM72485 集成了實現(xiàn)具有成本效益的降壓 DC/DC 穩(wěn)壓器所需的一整套功能。SM72485 使用不需要環(huán)路補償?shù)目刂品桨?，并通過強制關(guān)斷時間限制電流。在這里，該器件監(jiān)控輸出電壓，當(dāng)電壓低于其內(nèi)部基準(zhǔn)電壓時，將打開其集成的 100 V N 溝道降壓開關(guān)，并持續(xù)一段由線路電壓和外部編程電阻決定的固定時間。

　　結(jié)論

　　微型逆變器設(shè)計帶來了對控制、功率轉(zhuǎn)換和效率的要求，這些要求在過去限制了它們的廣泛接受。然而，隨著集成解決方案的出現(xiàn)，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型逆變器所需的高級控制功能和 MPPT 功能，但功率轉(zhuǎn)換級的設(shè)計需要設(shè)備具有安全高效地向電網(wǎng)供電所需的性能特征和功能。通過利用多種可用的集成開關(guān)控制器和 PMIC，工程師可以在微型逆變器設(shè)計中創(chuàng)建高效、具有成本效益的電源轉(zhuǎn)換級。