過去幾年，光伏（PV）產業飛速發展，其動力主要來自居高不下的油價和環境憂慮。不過，成本仍然是妨礙其進一步擴張的最大障礙，要與傳統的煤電相競爭，必須進一步降低成本。在太陽能電池板以外，電子元件（如PV逆變器）是導致高成本的主要元件。出于安全和可行性考慮，并網PV轉換器把獲得的直流與交流網相隔離。隔離的作用通常是滿足安全法規的要求，防止直流注入交流網，因為結果可能會影響配電變壓器和傳統的瓦特小時電表。諸如光耦合器一類的傳統隔離解決方案無法滿足PV電池板25年的典型壽命要求。同時，微逆變器逐漸占據主流，因為這種器件不但可以提高系統可用性，而且能夠大幅提升遮光條件下的性能。在這些情況下，PV逆變器安裝在PV電池板的后部，那里的高溫可能加速光耦合器的性能下降。本文旨在討論PV逆變器中的信號和電源隔離需求，探討如何利用微變壓器集成隔離功能以提高系統性能和可靠性、降低系統尺寸和成本。

　　市場上主要有兩類PV逆變器，即無變壓器逆變器和變壓器隔離逆變器。無變壓器逆變器可能會受到大的接地漏電流和注入的直流的影響，因為大的電池板電容以及PV電池板與交流網之間缺少隔離，如圖1（a）所示。如果注入的交流電流中的直流分量進入電網中，這種情況是應該避免的，因為結果可能導致配電變壓器飽和。許多安全標準對電網中注入的直流電流量進行了嚴格的規定，有些情況下，必須用變壓器進行隔離。在電池板與電網之間采用變壓器隔離技術可以消除因電池板相對于電網的電壓差而產生的直流注入路徑，如圖1（b）所示。

　　圖1：（a）非隔離逆變器下電網的直流注入；（b） 通過隔離阻斷直流注入。

　　除直流注入以外，并網逆變器還需滿足電網的其他要求，比如總諧波失真和單諧波電流水平、功率因數以及孤網運行情況的檢測等。電網電壓和注入電網的電流必須精確監控。如果用于執行MPPT和柵極驅動功能的控制器位于電池板一端，則必須將這些測量隔離開來。為使PV電池板發揮最大效率，需要采用最大功率點跟蹤（MPPT）算法。為了實現MPTT，還需監控電池板電壓和電流。當人們嘗試串聯多個PV逆變器以減少所需逆變器的數量時，電池板電壓可能變得非常高。從PV電池板高壓側進行的電流測量也需要隔離。

　　除了隔離電流和電壓測量以外，還需要諸如RS-485、RS-232和CAN等接口功能。RS-485或RS-232通常用于面向這些PV逆變器的通信，以獲得實時的性能數據，而通信總線則需要進行隔離，因為總線需要傳輸較長的距離，同時也是出于安全考慮。對于通信距離較短時，也可使用隔離式CAN。這些收發器同樣需要隔離電源供電，隔離電源從電池板一側抽取至總線一側。

　　傳統上，隔離是由光耦合器實現的。不過，光耦合器的電流傳輸函數會隨著時間而下降，可能幾年后就無法運行，遠遠低于許多太陽能電池板提供的20年壽命擔保。這里，我們建議使用基于微變壓器的信號和電源隔離法，這種方法可以滿足PV逆變器中存在的多種集成需求。這種方法不但可以克服光耦合器的性能下降缺陷，而且允許集成ADC之類的檢測功能以及RS-485或RS-232收發器之類的接口功能。另外，該方法可以提供隔離電源以給這些檢測IC、隔離收發器或者隔離式柵極驅動器供電?；诠怦詈掀鞯臇艠O驅動器則耗電量大，時序特性也非常不穩定?；谖⒆儔浩鞯臇艠O驅動器不但功耗更低，而且可以提供匹配性更好的柵極驅動器時序特性，從而顯著提高系統的總功率轉換效率。隔離的信號和電源集成也可大幅減少元件數量，從而降低系統成本、提高可靠性。

　　用微變壓器實現信號和電源隔離

　　微變壓器可以用于提供集成的信號和電源隔離，最大額定值為5kV rms。對于信號傳輸，輸入數據通常在編碼之后再傳輸給數據變壓器原邊。副邊則通過解碼來還原信號。輸入與輸出之間的隔離通過初級線圈與次級線圈之間的絕緣層來實現。為了在隔離勢壘之間實現高效的電源傳輸，用一個自激高頻振蕩器來驅動電源變壓器的原邊，同時用高頻肖特基二極管提供整流直流電壓。調節由次級控制器產生的PWM完成，該PWM通過一個反饋變壓器以遠低于振蕩頻率的頻率來開啟和關閉振蕩器，如圖2（a）所示。通過反饋變壓器的反饋信號的工作方式與通過數據變壓器的其他數據通道信號相同。分開控制能量轉換和反饋調節，可以優化能量轉換效率，同時維持調節的穩定性。圖2（b）展示的是帶四個獨立的隔離數據通道的500mW隔離式DC-DC轉換器。

　　圖2：（a）隔離式DC-DC逆變器原理圖；（b）4通道隔離器、500mW隔離電源下的封裝方案。

　　在本例中，變壓器在單獨的芯片上構建，與編碼器（即原邊芯片）以及解碼器（即副邊芯片）分離。但這主要是出于成本的考慮，而在理論上，變壓器是可以構建在一個IC芯片上。柵極驅動器、收發器、ADC等額外的電路功能全都可以集成進來。