直接從太陽輻射產(chǎn)生的電能的主要部分是由太陽能光伏（PV）電池產(chǎn)生的，它將光能的光子轉(zhuǎn)換為構(gòu)成電流的電子流。

太陽能光伏（PV）逆變器轉(zhuǎn)換來自太陽能電池板的電力，并將其有效地部署到公用電網(wǎng)。來自太陽能電池板的直流電就像直流電流源一樣，被轉(zhuǎn)換為交流電，并以正確的相位關(guān)系饋送到公用事業(yè)的電網(wǎng)，效率高達98%。光伏逆變器轉(zhuǎn)換過程可以分一個或多個階段進行。

第1階段通常是從構(gòu)成面板的低壓高電流太陽能電池到與電網(wǎng)交流電壓兼容的高電壓低電流水平的DC-DC轉(zhuǎn)換。根據(jù)拓撲結(jié)構(gòu)以及是否有足夠的太陽能電池串聯(lián)在直流側(cè)，此階段可能不是必需的，以確保在所有負載條件下穩(wěn)定的高電壓。

在第2級中，直流轉(zhuǎn)換為交流，通常使用H橋拓撲。光伏逆變器設(shè)計可以使用H橋的變化，例如中性點鉗位（NPC），以提高效率并降低系統(tǒng)中的無功功率。

早期的太陽能光伏逆變器只是將電力傾倒到公用電網(wǎng)的模塊。較新的設(shè)計強調(diào)安全性、智能電網(wǎng)集成和降低成本。設(shè)計人員正在尋求現(xiàn)有太陽能逆變器模塊中未使用的新技術(shù)，以提高性能并降低成本。

一個關(guān)鍵要素是基于計算機的儀器和控制，但隔離柵必須保護測量和計算電路免受功率處理電路以及開關(guān)引起的瞬態(tài)信號的影響。本文將介紹i耦合器隔離技術(shù)如何通過使用ADI公司的隔離式模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和柵極驅(qū)動器來降低成本、提高智能電網(wǎng)集成度并提高太陽能光伏逆變器的安全性。

智能電網(wǎng)

什么是智能電網(wǎng)？IMS Research將智能電網(wǎng)定義為“具有有效匹配和管理發(fā)電和消費的固有能力的公用事業(yè)供電基礎(chǔ)設(shè)施，同時從可用資源中獲得最大收益。這意味著新一代太陽能光伏逆變器需要更多的智能來連接智能電網(wǎng)，特別是在多個來源可用的電力超過電網(wǎng)需求的情況下處理不平衡。因此，光伏系統(tǒng)智能化的重點需要放在電網(wǎng)整合上，其中系統(tǒng)電力的每個貢獻者必須合作以穩(wěn)定電網(wǎng)，而不是簡單地提供電力開環(huán)。電網(wǎng)整合需要更好地測量、控制和分析饋入電網(wǎng)的能源質(zhì)量。此外，新的指令和更高的技術(shù)要求需要新技術(shù)。

因此，智能電網(wǎng)集成的一個重要局部特征可能是儲能，通過存儲不需要的電能來減少電網(wǎng)上的湍流，直到高峰使用期間需要它。本文的其余部分將重點介紹電氣隔離在保護用于測量和控制源、互連和存儲元件的儀表電路方面的作用，主要強調(diào)i耦合器技術(shù)的關(guān)鍵作用。特別是AD7401A隔離式ADC和ADuM4223隔離式柵極驅(qū)動器，其性能可滿足新型太陽能光伏逆變器設(shè)計的需求。

隔離技術(shù)

在i耦合器技術(shù)中，變壓器將數(shù)據(jù)耦合到兩個單獨供電的電路之間，同時避免它們之間的任何電流連接。變壓器采用晶圓級加工直接在芯片上制造。金層下方的高擊穿聚酰亞胺層將上部線圈與下層線圈隔離開來。使用1 ns脈沖編碼的輸入邏輯轉(zhuǎn)換被路由到變壓器的初級側(cè)。從一個變壓器線圈耦合到另一個變壓器線圈的脈沖由變壓器副邊的電路檢測。

隔離式模數(shù)轉(zhuǎn)換器

圖2顯示了一對太陽能光伏逆變器，如介紹中所述。它們連接到連接到電網(wǎng)的電源總線，可獨立測量和切換。每個太陽能電池板都連接到其DC-DC升壓電路，然后連接到DC-AC逆變器。（使用時，蓄電池將在控制下連接和切換。為了簡化此解釋，省略了對存儲的任何討論）。

圖2.太陽能光伏系統(tǒng)示例。

數(shù)字信號處理器 （DSP） 控制該過程。AD7401A隔離式ADC測量25 A量級的交流輸出電流，太陽能光伏逆變器系統(tǒng)的輸出端可能有也可能沒有隔離變壓器。如果省略變壓器以節(jié)省成本，太陽能光伏逆變器還必須測量輸出電流的任何直流分量。這種“直流注入”的存在和大小是一個關(guān)鍵問題，因為注入電網(wǎng)的過多直流電流可能會使其路徑中的任何變壓器飽和。該值必須限制在低毫安范圍內(nèi)，因此AD7401A必須測量25 A范圍內(nèi)的交流電流和低千安直流電流。

AD7401A i耦合器隔離式Σ?調(diào)制器ADC對分流器兩端的電壓進行連續(xù)采樣，如圖3所示。其輸出為1位數(shù)據(jù)流，隔離并直接饋入DSP。輸出流中1的密度代表輸入幅度，可以使用DSP中實現(xiàn)的數(shù)字濾波器重建。

圖3.隔離式AD7401A ADC。

太陽能光伏逆變器系統(tǒng)需要隔離，主要是因為交流電網(wǎng)上出現(xiàn)高電壓。即使在單相系統(tǒng)中，交流電壓也可能達到380 V的峰值。AD7401A的隔離可以處理高達561 V的雙極性電壓，非常適合此應(yīng)用。使用AD7401A的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是，其小封裝允許ADC非常靠近實際交流分流器，而DSP可能距離一定距離，甚至位于系統(tǒng)的另一塊電路板上。這提高了測量和控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。ADC 輸出數(shù)據(jù)通過單比特流以 16MHz 時鐘速率串行發(fā)送到 DSP，由 DSP 提供。

該系統(tǒng)可以測量高達 25 A 的交流電流和低毫安范圍內(nèi)的直流注入。圖4顯示了AD7401A SMS太陽能模塊的失調(diào)和線性誤差。這顯示了分流器中在整個溫度范圍內(nèi)±20 mA時的失調(diào)電流。因此，該模塊可以使用單一解決方案測量低至 20 mA 的直流注入以及 25A（或更高）的系統(tǒng)電流。電流互感器和其他類型的測量系統(tǒng)可能需要兩個設(shè)備，一個用于大交流電流（25 A范圍），另一個用于小直流電流（300 mA范圍）。這是i耦合器技術(shù)如何在節(jié)省成本的情況下提供智能電網(wǎng)集成的一個例子。

為了最大限度地減少分流器的功率損耗（以及自發(fā)熱引起的熱誤差），需要將其電阻保持在盡可能低的值，通常為1 mΩ。Σ-?轉(zhuǎn)換器的高分辨率使分流損耗與傳統(tǒng)的磁傳感器解決方案相當(dāng)，同時實現(xiàn)更好的精度和更低的失調(diào)，如圖4所示。

圖4.AD7401A SMS太陽能模塊的失調(diào)和線性度

a. 偏移與溫度的關(guān)系。b. 誤差與輸出電流的關(guān)系。

雖然滿量程精度非常好，但對器件線性度的真正考驗是其絕對誤差，尤其是在低量程時。絕對誤差是與其值范圍內(nèi)的測量相關(guān)的誤差，而不僅僅是滿量程下的誤差。一些電流互感器將其器件指定為0.1%滿量程范圍。雖然這看起來不錯，但它可能無法說明全部情況。

從圖4所示的數(shù)據(jù)來看，使用AD7401A進行電流測量的絕對誤差在整個范圍內(nèi)相當(dāng)?shù)停砻魈柲芄夥孀兤鬏敵霾ㄐ蔚姆蔷€性度較低，諧波失真降低。反過來，這有助于減少與電網(wǎng)集成時的諧波失真，為這項新技術(shù)如何提高性能提供了另一個例子。

隔離式柵極驅(qū)動器

太陽能光伏逆變器的效率越高，它每年從給定的太陽能輸入中產(chǎn)生的能量就越多，從而為太陽能農(nóng)場帶來更好的投資回報。由于成本較低，目前的趨勢是將無變壓器電氣系統(tǒng)饋入公用電網(wǎng)。逆變器的效率水平相應(yīng)越高，因此需要更加關(guān)注其測量和控制電子器件的內(nèi)部隔離，即逆變器MOSFET和/或柵極驅(qū)動器的功率部分與低壓電路之間的隔離。

圖5.太陽能光伏逆變器的H橋電路示例。

圖5顯示了典型太陽能光伏逆變器DC-AC轉(zhuǎn)換器的H橋配置的一種可能實現(xiàn)。對于當(dāng)今市場上的新型SiC型JFET，電路中的直流母線電壓范圍為300 V至1000 V。H橋的電流輸出波形使用電感器和電容器進行濾波。輸出繼電器以受控方式將濾波后的輸出連接到電網(wǎng)。在高壓環(huán)境中驅(qū)動MOSFET的柵極和源極端子需要一個柵極驅(qū)動器，這是太陽能光伏逆變器中隔離的又一次場合。

例如，ADuM4223 4 A隔離式雙通道柵極驅(qū)動器具有兩個獨立的隔離通道，如圖6所示。它的最大傳播延遲為 60 ns，共模瞬態(tài)抗擾度為 >100 kV/μs（最大值）。該器件符合各種標(biāo)準(zhǔn)，如數(shù)據(jù)手冊中所述的 DIN VDE0110、DIN VDE 088410 和 UL1577 的相關(guān)部分。

圖6.ADuM4223柵極驅(qū)動器

以下是ADuM4223的一些最重要的隔離參數(shù)：

最大連續(xù)工作電壓

交流單極性和直流 1131 V

交流雙極 565 V

浪涌隔離電壓 6 kV

額定介電絕緣電壓 5 kV

該器件在一個封裝中具有兩個通道，分別用于高端和低側(cè) MOSFET。將兩個通道集成在一個封裝中可節(jié)省PCB的成本和空間。

對于傳統(tǒng)的光耦合器，要么需要一個在隔離柵極上具有電平轉(zhuǎn)換的光耦合器，要么可能需要兩個光耦合器（有關(guān)更多詳細信息，請參見MS-2318技術(shù)文章）——這是這種新型隔離技術(shù)如何降低成本的另一個示例。

太陽能光伏逆變器的另一個重要問題是需要高共模瞬態(tài)抗擾度，以確保系統(tǒng)中的任何大瞬變（dV/dt）不會越過隔離柵，無論是電容耦合還是其他方式，因為這將使高端和低側(cè)MOSFET同時導(dǎo)通（并且是災(zāi)難性的）。ADuM4223具有高共模瞬態(tài)抗擾度：>100 kV/μs（最大值），為這項新技術(shù)如何提高系統(tǒng)安全性提供了另一個示例。

結(jié)論

電流隔離是實現(xiàn)集成大量太陽能光伏逆變器的智能電網(wǎng)所需的測量和控制系統(tǒng)的重要要求。ADI公司的隔離式ADC能夠在單個解決方案中同時測量大電流和直流注入電流，能夠緊湊而高效地為智能電網(wǎng)集成電路做出貢獻。ADI隔離式柵極驅(qū)動器具有良好的共模瞬態(tài)抗擾度規(guī)格，有助于提高這些新型光伏逆變器系統(tǒng)的安全性和可靠性。

新技術(shù)將成為促進智能電網(wǎng)整合和安全高效生產(chǎn)綠色能源的主要因素，在電網(wǎng)穩(wěn)定和提高所有電網(wǎng)系統(tǒng)工作人員的安全性方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。本文討論的隔離產(chǎn)品是ADI公司廣泛的工業(yè)測量和控制產(chǎn)品組合中創(chuàng)新的重要示例，適用于當(dāng)前和未來的設(shè)計。

審核編輯：郭婷