介紹

一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，化石燃料發(fā)電設(shè)施一直被證明是堅(jiān)固可靠的能源，但這些久經(jīng)考驗(yàn)的電力設(shè)施規(guī)模大、復(fù)雜，而且建造成本越來(lái)越高。以最小的碳足跡和環(huán)境影響清潔地操作它們也具有挑戰(zhàn)性和成本高昂。相比之下，現(xiàn)代光伏（PV）電力系統(tǒng)為化石燃料發(fā)電廠提供了一種可持續(xù)的替代方案，與集中式發(fā)電設(shè)施相比，它提供了更低的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)成本、模塊化的可擴(kuò)展性、更高的效率和顯著更低的碳足跡。

光伏電力系統(tǒng)由多個(gè)組件組成，如將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)換為電力組件的光伏板、機(jī)械和電氣連接和安裝，以及太陽(yáng)能逆變器，這對(duì)向電網(wǎng)輸送太陽(yáng)能發(fā)電至關(guān)重要。

光伏板將陽(yáng)光轉(zhuǎn)換為直流電壓，直流電壓必須轉(zhuǎn)換為高壓交流，以減少線(xiàn)路損耗，使更長(zhǎng)的電力傳輸距離。光伏太陽(yáng)能逆變器執(zhí)行這種直流-toac轉(zhuǎn)換，是任何光伏發(fā)電系統(tǒng)中最關(guān)鍵的組件。然而，這只是光伏逆變器提供的一個(gè)關(guān)鍵功能。

光伏逆變器還提供了電網(wǎng)斷開(kāi)能力，以防止光伏系統(tǒng)為斷開(kāi)的公用事業(yè)供電；也就是說(shuō)，在電網(wǎng)斷開(kāi)或通過(guò)不可靠的連接提供電力時(shí)，一個(gè)逆變器會(huì)導(dǎo)致光伏系統(tǒng)反饋本地公用事業(yè)變壓器，在電線(xiàn)桿上產(chǎn)生數(shù)千伏特，危及公用事業(yè)工人。安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范IEEE 1547和UL 1741規(guī)定，當(dāng)交流線(xiàn)路電壓或頻率不在規(guī)定的范圍內(nèi)時(shí)，所有并網(wǎng)連接的逆變器必須斷開(kāi)，如果電網(wǎng)不再存在，則必須關(guān)閉。在重新連接時(shí)，逆變器不能提供電力，直到逆變器檢測(cè)到額定公用電壓和頻率超過(guò)5分鐘的周期。但是，這并不是逆變器職責(zé)的終結(jié)。

該逆變器還可以補(bǔ)償影響功率輸出的環(huán)境條件。例如，光伏面板的輸出電壓和電流非常容易受到每個(gè)單元單位面積的溫度和光強(qiáng)度變化的影響（稱(chēng)為“輻照度”）。電池輸出電壓與電池溫度成反比，電池電流與輻照度成正比。

這些和其他關(guān)鍵參數(shù)的廣泛變化導(dǎo)致最佳的逆變器電壓/電流運(yùn)行點(diǎn)顯著移動(dòng)。逆變器通過(guò)使用閉環(huán)控制來(lái)維持所謂的最大功率點(diǎn)（MPP）來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，其中電壓和電流的乘積在其最高值。除了這些任務(wù)，逆變器還支持手動(dòng)和自動(dòng)輸入/輸出斷開(kāi)的服務(wù)操作、EMI/RFI傳導(dǎo)和輻射抑制、接地故障中斷、PC兼容的通信接口等。封裝在一個(gè)堅(jiān)固的包裝中，該逆變器能夠保持在全功率的戶(hù)外運(yùn)

行超過(guò)25年。不小的壯舉！

圖1中所示的單相光伏逆變器示例使用了一個(gè)數(shù)字功率控制器和一對(duì)高側(cè)/低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)脈寬調(diào)制（PWM）全橋轉(zhuǎn)換器。全橋拓?fù)渫ǔＳ糜谀孀兤鲬?yīng)用，因?yàn)樗哂腥魏伍_(kāi)關(guān)模式拓?fù)渲凶罡叩墓β食休d能力。參照?qǐng)D1A，PWM電壓開(kāi)關(guān)動(dòng)作在全橋輸出處合成了一個(gè)離散的（盡管是有噪聲的）60Hz電流波形。對(duì)高頻噪聲分量進(jìn)行電感濾波，產(chǎn)生圖1B所示的中低振幅的60 Hz正弦波。

圖1。單級(jí)、單相逆變器方框圖

濾波后的波形通過(guò)一個(gè)執(zhí)行三種功能的輸出變壓器：首先，它進(jìn)一步平滑交流波形；第二，它校正電壓振幅值以滿(mǎn)足指定的電網(wǎng)要求，第三，它電隔離逆變器的直流輸入從高壓交流電網(wǎng)。

光伏逆變器的設(shè)計(jì)充滿(mǎn)了設(shè)計(jì)妥協(xié)，如果錯(cuò)誤的權(quán)衡，可能會(huì)引起設(shè)計(jì)師的悲傷。例如，光伏系統(tǒng)預(yù)計(jì)至少在25年內(nèi)可靠運(yùn)行和全額定輸出，但它們需要價(jià)格具有競(jìng)爭(zhēng)力，迫使設(shè)計(jì)師做出艱難的成本/可靠性權(quán)衡。光伏系統(tǒng)需要高效的逆變器，因?yàn)樾瘦^高的逆變器比效率較低的逆變器運(yùn)行得更冷，壽命更長(zhǎng)，而且它們?yōu)楣夥到y(tǒng)制造商和用戶(hù)節(jié)省了現(xiàn)金。

對(duì)高逆變器效率的不斷追求創(chuàng)造了更多的設(shè)計(jì)權(quán)衡，可以影響組件的選擇（主要是門(mén)驅(qū)動(dòng)器、電源開(kāi)關(guān)和磁性組件，如變壓器）、PCB結(jié)構(gòu)和逆變器封裝的熱要求。光伏面板的輸出電壓也會(huì)隨著陽(yáng)光照射的變化而嚴(yán)重變化；因此，使逆變器的輸入電壓范圍與光伏面板的輸出電壓范圍相匹配是有益的。

這創(chuàng)造了更多的設(shè)計(jì)權(quán)衡，進(jìn)一步影響了系統(tǒng)的復(fù)雜性、成本和效率，而這只是硬件。現(xiàn)在讓我們來(lái)看看這個(gè)問(wèn)題的控制方面。

逆變器背后的“大腦”是它的控制器，通常是一個(gè)數(shù)字功率控制器（DPC）或數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）。通常，控制器的固件以狀態(tài)機(jī)格式實(shí)現(xiàn)，以便使用非阻塞（跌落）代碼實(shí)現(xiàn)最有效的執(zhí)行，從而防止執(zhí)行無(wú)意中進(jìn)入一個(gè)無(wú)盡的循環(huán)。

固件執(zhí)行是層次結(jié)構(gòu)的，通常比最高優(yōu)先級(jí)的函數(shù)更頻繁地服務(wù)于低階函數(shù)。在光伏逆變器的情況下，隔離反饋回路補(bǔ)償和電源開(kāi)關(guān)調(diào)制通常是最高優(yōu)先級(jí)的，其次 是支持UL 1741和IEEE 1547安全標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵保護(hù)功能，最后是效率控制（MPP）。其余的固件任務(wù)主要涉及當(dāng)前操作點(diǎn)的優(yōu)化操作、監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行和支持系統(tǒng)通信。

光伏逆變器暴露在高溫和/或冷低溫下25年，導(dǎo)致人們?cè)诳紤]逆變器中使用的組件時(shí)暫停。顯然，諸 如過(guò)濾波紋的電解電容器和提供電流隔離的電耦合器等組件，沒(méi)有機(jī)會(huì)“走這個(gè)距離”。電解電容器干燥和死亡，光耦合器的LED亮度逐漸減弱為微弱的輝光，停止工作。這些精密組件的解決方案包括用高價(jià)值的薄膜電容器替換電解電容器（可靠性更高，但成本明顯更高）。最佳的長(zhǎng)期解決方案是摒棄光耦合器，轉(zhuǎn)而支持現(xiàn)代CMOS隔離組件。

CMOS工藝技術(shù)具有高可靠性、成本效益、高速運(yùn)行、小特性尺寸、低運(yùn)行功率、在極端電壓和溫度下的運(yùn)行穩(wěn)定性以及許多其他理想特性等優(yōu)點(diǎn)。此外，與光耦合器中使用的砷化鎵（砷化鎵）工藝技術(shù)不同，在CMOS中制造的器件沒(méi)有固有的磨損機(jī)制。底層的CMOS隔離單元是電容性、完全差分和高度優(yōu)化的，具有緊密的定時(shí)性能、低功耗操作和對(duì)外部場(chǎng)和快速共模瞬態(tài)引起的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的高抗擾性。

事實(shí)上，CMOS工藝技術(shù)與專(zhuān)有的硅產(chǎn)品設(shè)計(jì)相結(jié)合所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)，首次使健壯的、“接近理想的”的隔離設(shè)備成為可能。這些設(shè)備提供了更大的全面功能集成，更高的可靠性（60+年隔離屏障壽命），40°C到+125°C的最大VDD連續(xù)運(yùn)行，以及在性能、功耗、板空間節(jié)省和易用性方面的顯著改進(jìn)。

21世紀(jì)光伏逆變器組件解決方案 

光伏逆變器架構(gòu)不以圖1所示的單相變壓器逆變器結(jié)束。其他常見(jiàn)的類(lèi)型包括高頻、雙極、三相、無(wú)變壓器和電池供電的逆變器。雖然這些拓?fù)浔舜瞬煌?，但它們通常都需要相同的組件解決方案。圖2中的框圖顯示了基于變壓器的三相相變器中使用的幾種CMOS隔離裝置。

圖2。使用CMOS隔離組件的三相逆變器

這是一個(gè)經(jīng)典的閉環(huán)架構(gòu)，其中數(shù)字控制器調(diào)制功率開(kāi)關(guān)的占空比，以迫使光伏系統(tǒng)輸出電壓的幅值和相位與電網(wǎng)的完全匹配。這些隔離門(mén)驅(qū)動(dòng)器將安全認(rèn)證的電隔離（額定功率為1 kV、2.5 kV或5 kV）和高側(cè)電平移動(dòng)功能集成在一個(gè)封裝中，消除了外部隔離設(shè)備的需要。每個(gè)驅(qū)動(dòng)器輸出與下一個(gè)輸出隔離，可以在不閉鎖的情況下使用正電壓。

控制器的電流反饋由單個(gè)4mmx4mmx1mm1mmCMOS隔離交流電流傳感器提供（其1 kV隔離額定值受封裝尺寸的限制——較大的封裝版本額定值高達(dá)5 kVrms）。與電流傳感傳感器相比，這些單片傳感器具有更寬的溫度范圍、更高的精度和更高的可靠性。使用數(shù)字控制器產(chǎn)生的逆變器門(mén)控制信號(hào)對(duì)傳感器進(jìn)行

循環(huán)復(fù)位，消除了外部復(fù)位電路的需要。電網(wǎng)反饋是系統(tǒng)反饋控制機(jī)制的重要組成部分。電阻式衰減器用于將電網(wǎng)電壓降低到與PWM調(diào)制器兼容的范圍，PWM調(diào)制器將正弦波輸入轉(zhuǎn)換為離散的PWM波形，并由CMOS數(shù)字隔離器進(jìn)行安全隔離。

結(jié)論

光伏系統(tǒng)相對(duì)來(lái)是能源生產(chǎn)領(lǐng)域的新手。與其他新興技術(shù)一樣，光伏系統(tǒng)隨著技術(shù)的成熟將發(fā)生快速變化。因此，光伏系統(tǒng)無(wú)疑將繼續(xù)發(fā)展，以滿(mǎn)足市場(chǎng)對(duì)更高容量、更低成本和更高可靠性的需求。隨著這種情況，PV逆變器的功能將擴(kuò)大，設(shè)計(jì)師將需要更集成的、特定于應(yīng)用的組件級(jí)設(shè)備，以進(jìn)一步利用和推動(dòng)CMOS隔離的創(chuàng)新。隨著這些事件的發(fā)展，光伏發(fā)電系統(tǒng)將變得更加廣泛，并最終成為公用事業(yè)主流的一個(gè)可行部分，大大減少了我們對(duì)化石燃料的依賴(lài)。