PV逆變器中的隔離集成

　　圖3所示為一個典型的三級并網PV逆變器。第一級是一個可選的升壓轉換器，用于提高電池板電壓，該電壓然后再通過隔離DC-DC轉換器級。該隔離式DC-DC轉換器包括一個通過高頻變壓器實現的全橋DC-AC轉換功能。該高頻變壓器具有尺寸小、效率高的優勢。副邊的交流被整流成通常高于電網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換成電網線路頻率。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，以執行最大功率傳輸跟蹤（MPTT）算法。同時，該微控制器還負責控制隔離DC-DC轉換器和輸出逆變器的柵極驅動器。輸出逆變器位于電網一端，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轉換器集成，以便為柵極驅動器提供隔離電源。在逆變器輸出與并網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，還能夠在電網發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，從而實現防孤島保護。在電網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調制器和基于微變壓器的數字隔離功能，能夠實現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結合可提供一種可靠的低成本方案。隔離型ADC在電網一端也需要隔離的電源以驅動自己，同時，可以集成基于微變壓器的隔離式DC-DC轉換器，從而免除使用分立式DC-DC轉換器的諸多麻煩。當需要PLC通信時，電網端的PLC芯片可以由隔離式DC-DC來驅動，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現。

　　基于微變壓器的隔離方法也可與高電流輸出柵極驅動器集成，以構成全隔離半橋柵極驅動器。圖4所示為一個并網PV逆變器的柵極驅動方案的實例。對于原邊的DC-AC全橋開關，通常無需為低壓側柵極驅動器（尤其是低功耗逆變器）設置隔離。對于兩個高壓側開關，具有4A驅動能力的2通道1kV隔離式驅動器就能勝任工作。逆變器開關位于交流端，因此，低壓側和高壓側都需要隔離式柵極驅動器。

　　圖4：三級PV逆變器的柵極驅動器實現方案。

　　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的隔離式柵極驅動器。低壓側柵極驅動器可以由集成的DC-DC驅動（其動力來自電池板一端），而高壓側電源則可通過自舉方案來提供。

　　每個半橋柵極驅動器均由三向隔離構成，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柵極驅動器的變壓器結構，圖5（b）是5kV柵極驅動器的變壓器結構。1kV半橋柵極驅動器用三裸片單封裝實現，包括一塊輸入芯片和兩塊相同的柵極驅動器芯片。

　　如圖5（a）所示兩個1kV變壓器在輸入芯片上實現，每個柵極驅動器輸出端各一個。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現隔離。這兩個柵極驅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柵極驅動器實現方法與此相似，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行隔離的。

　　圖5：變壓器結構（a）1 kV柵極驅動器；（b）2.5kV柵極驅動器。

　　對于多逆變器并聯系統（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）實現的。自驅動隔離收發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成本、提升系統可靠性帶來了許多系統集成的可能性。

　　本文小結

　　基于微變壓器的隔離集成方法是滿足并網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量，提高系統可靠性和使用壽命，同時，其精密的柵極驅動時序特性則可能進一步提高逆變器的效率。利用基于微變壓器的隔離型ADC，可以對電網電流和電壓進行更加準確的測量，最終給電網帶來高品質的單位功率因數正弦電流。