過去幾年，光伏（PV）產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，其動力主要來自居高不下的油價和環(huán)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(tǒng)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(wǎng)PV轉換器把獲得的直流與交流網(wǎng)相隔離。隔離的作用通常是滿足安全法規(guī)的要求，防止直流注入交流網(wǎng)，因為結果可能會影響配電變壓器和傳統(tǒng)的瓦特小時電表。諸如光耦合器一類的傳統(tǒng)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(jù)主流，因為這種器件不但可以提高系統(tǒng)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(tǒng)性能和可靠性、降低系統(tǒng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)中注入的直流電流量進行了嚴格的規(guī)定，有些情況下，必須用變壓器進行隔離。在電池板與電網(wǎng)之間采用變壓器隔離技術可以消除因電池板相對于電網(wǎng)的電壓差而產(chǎn)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(wǎng)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(wǎng)逆變器還需滿足電網(wǎng)的其他要求，比如總諧波失真和單諧波電流水平、功率因數(shù)以及孤網(wǎng)運行情況的檢測等。電網(wǎng)電壓和注入電網(wǎng)的電流必須精確監(jiān)控。如果用于執(zhí)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(fā)揮最大效率，需要采用最大功率點跟蹤（MPPT）算法。為了實現(xiàn)MPTT，還需監(jiān)控電池板電壓和電流。當人們嘗試串聯(lián)多個PV逆變器以減少所需逆變器的數(shù)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(shù)據(jù)，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(fā)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(tǒng)上，隔離是由光耦合器實現(xiàn)的。不過，光耦合器的電流傳輸函數(shù)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(fā)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(fā)器或者隔離式柵極驅動器供電。基于光耦合器的柵極驅動器則耗電量大，時序特性也非常不穩(wěn)定。基于微變壓器的柵極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(tǒng)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(shù)量，從而降低系統(tǒng)成本、提高可靠性。

　　用微變壓器實現(xiàn)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(shù)據(jù)通常在編碼之后再傳輸給數(shù)據(jù)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(xiàn)。為了在隔離勢壘之間實現(xiàn)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(jié)由次級控制器產(chǎn)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(shù)據(jù)變壓器的其他數(shù)據(jù)通道信號相同。分開控制能量轉換和反饋調節(jié)，可以優(yōu)化能量轉換效率，同時維持調節(jié)的穩(wěn)定性。圖2（b）展示的是帶四個獨立的隔離數(shù)據(jù)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(fā)器、ADC等額外的電路功能全都可以集成進來。

　　PV逆變器中的隔離集成

　　圖3所示為一個典型的三級并網(wǎng)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(xiàn)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(yōu)勢。副邊的交流被整流成通常高于電網(wǎng)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(wǎng)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(zhí)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)發(fā)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(xiàn)防孤島保護。在電網(wǎng)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(shù)字隔離功能，能夠實現(xiàn)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(wǎng)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(wǎng)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(xiàn)。

　　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(wǎng)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(xiàn)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(xiàn)，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(xiàn)，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(xiàn)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(xiàn)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(lián)系統(tǒng)（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(xiàn)的。自驅動隔離收發(fā)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(tǒng)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(huán)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(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)成本、提升系統(tǒng)可靠性帶來了許多系統(tǒng)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(wǎng)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(shù)量，提高系統(tǒng)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(wǎng)電流和電壓進行更加準確的測量，最終給電網(wǎng)帶來高品質的單位功率因數(shù)正弦電流。