出於安全和可行性考慮，並網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年的典型擔保要求。

 

同時
，微逆變器逐漸占據主流，因為這種器件不但可以提高係統可用性，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電池板的後部
，那裏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係統性能和可靠性、降低係統尺寸和成本。

 

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接地漏電流和注入的直流的影響，因為PV電池板與交流網之間存在很大的電池板電容而且缺少隔離，如圖1(a)所示。

 

如(ru)果(guo)有(you)直(zhi)流(liu)組(zu)分(fen)注(zhu)入(ru)電(dian)網(wang)中(zhong)的(de)交(jiao)流(liu)電(dian)流(liu)中(zhong)

，這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)是(shi)應(ying)該(gai)避(bi)免(mian)的(de)
，因(yin)為(wei)結(jie)果(guo)可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)配(pei)電(dian)變(bian)壓(ya)器(qi)飽(bao)和(he)。許(xu)多(duo)安(an)全(quan)標(biao)準(zhun)對(dui)電(dian)網(wang)中(zhong)注(zhu)入(ru)的(de)直(zhi)流(liu)電(dian)流(liu)量(liang)進(jin)行(xing)了(le)嚴(yan)格(ge)的(de)規(gui)定(ding)
，有(you)些(xie)情(qing)況(kuang)下(xia)
，必(bi)須(xu)對(dui)變(bian)壓(ya)器(qi)進(jin)行(xing)隔(ge)離(li)。

 

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於電網的電壓差而產生的直流注入路徑，如圖1(b)所示。除直流注入以外，並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、功率係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。

 

如果用於執行MPPT和柵極驅動功能的控製器位於電池板一端
，則必須將這些測量值隔離開來。為了使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。當人們嚐試串聯多個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電池板高邊端進行的電流測量也需要隔離。

 

圖1. (a) 非隔離逆變器下電網中的直流注入 (b) 通過隔離阻斷直流注入

 

除了隔離電流和電壓測量以外，還需要RS-485、RS-232和CAN等接口功能。RS-485或RS-232一般用於麵向這些PV逆(ni)變(bian)器(qi)的(de)通(tong)信(xin)，以(yi)獲(huo)得(de)實(shi)時(shi)的(de)性(xing)能(neng)數(shu)據(ju)，而(er)通(tong)信(xin)總(zong)線(xian)則(ze)需(xu)要(yao)進(jin)行(xing)隔(ge)離(li)，因(yin)為(wei)總(zong)線(xian)需(xu)要(yao)傳(chuan)輸(shu)較(jiao)長(chang)的(de)距(ju)離(li)
，同(tong)時(shi)也(ye)是(shi)出(chu)於(yu)安(an)全(quan)考(kao)慮(lv)。對(dui)於(yu)通(tong)信(xin)距(ju)離(li)較(jiao)短(duan)時(shi)，也(ye)可(ke)使(shi)用(yong)隔(ge)離(li)CAN.這些收發器也需要把隔離電源從電池板一端抽取至總線一端。

 

傳(chuan)統(tong)上(shang)

，隔(ge)離(li)是(shi)由(you)光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)實(shi)現(xian)的(de)。然(ran)而(er)
，光(guang)耦(ou)合(he)器(qi)的(de)電(dian)流(liu)傳(chuan)輸(shu)功(gong)能(neng)會(hui)隨(sui)著(zhe)時(shi)間(jian)而(er)下(xia)降(jiang)，可(ke)能(neng)幾(ji)年(nian)後(hou)就(jiu)無(wu)法(fa)運(yun)行(xing)，遠(yuan)遠(yuan)低(di)於(yu)許(xu)多(duo)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)板(ban)提(ti)供(gong)的(de)20年壽命擔保。這裏，我們建議使用基於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之類的檢測功能或者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用以驅動這些檢測IC、隔ge離li收shou發fa器qi或huo者zhe隔ge離li柵zha極ji驅qu動dong器qi。基ji於yu光guang耦ou合he器qi的de柵zha極ji驅qu動dong器qi則ze耗hao電dian量liang大da
，時shi序xu特te性xing也ye非fei常chang不bu穩wen定ding。基ji於yu微wei變bian壓ya器qi的de柵zha極ji驅qu動dong器qi不bu但dan功gong耗hao更geng低di，而er且qie可ke以yi具ju有you匹pi配pei性xing更geng好hao的de柵zha極ji驅qu動dong器qi時shi序xu特te性xing，可ke以yi顯xian著zhu提ti高gao係xi統tong的de總zong功gong率lv轉zhuan換huan效xiao率lv。隔ge離li的de信xin號hao和he電dian源yuan集ji成cheng也ye可ke大da幅fu減jian少shao元yuan件jian數shu量liang，從cong而er降jiang低di係xi統tong成cheng本ben
、提高可靠性。

 

 

微變壓器可以用於提供集成的信號和電源隔離，最大額定值為5 kV rms [1].對dui於yu信xin號hao傳chuan輸shu
，輸shu入ru數shu據ju通tong常chang在zai編bian碼ma之zhi後hou再zai傳chuan輸shu給gei數shu據ju變bian壓ya器qi原yuan邊bian。副fu邊bian則ze通tong過guo解jie碼ma來lai還hai原yuan信xin號hao。輸shu入ru與yu輸shu出chu之zhi間jian的de隔ge離li通tong過guo初chu級ji線xian圈quan與yu次ci級ji線xian圈quan之zhi間jian的de絕jue緣yuan層ceng來lai實shi現xian。為wei了le在zai隔ge離li之zhi間jian實shi現xian高gao效xiao的de電dian源yuan傳chuan輸shu
，用yong一yi個ge自zi振zhen高gao頻pin振zhen蕩dang器qi來lai驅qu動dong電dian源yuan變bian壓ya器qi的de原yuan邊bian，同tong時shi用yong高gao頻pin肖xiao特te基ji二er極ji管guan來lai提ti供gong整zheng流liu直zhi流liu電dian壓ya。

 

調節由次級控製器產生的PWM完成

，該PWM通過一個反饋變壓器以遠低於振蕩頻率的頻率來開啟和關閉振蕩器，如圖2(a)所(suo)示(shi)。通(tong)過(guo)反(fan)饋(kui)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)反(fan)饋(kui)信(xin)號(hao)的(de)工(gong)作(zuo)方(fang)式(shi)與(yu)通(tong)過(guo)數(shu)據(ju)變(bian)壓(ya)器(qi)的(de)其(qi)他(ta)數(shu)據(ju)通(tong)道(dao)信(xin)號(hao)相(xiang)同(tong)。當(dang)為(wei)能(neng)量(liang)轉(zhuan)換(huan)和(he)反(fan)饋(kui)設(she)置(zhi)不(bu)同(tong)的(de)控(kong)製(zhi)路(lu)徑(jing)時(shi)，可(ke)以(yi)優(you)化(hua)能(neng)量(liang)轉(zhuan)換(huan)效(xiao)率(lv)，同(tong)時(shi)維(wei)持(chi)調(tiao)節(jie)的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)。圖(tu)2(b)展示的是帶四個獨立的隔離數據通道的500 mW隔離DC-DC轉換器。

 

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

 

在本例中
，變壓器由兩個獨立的芯片構成，一個是編碼器(即原邊芯片)
，另一個是解碼器(即副邊芯片)。然而，這主要是出於成本原因考慮，而在理論上，變壓器是可以用其中一個IC芯片構建的。柵極驅動器
、收發器、ADC等額外電路功能全部都可以集成進來。

 

 

圖3所示為一個典型的3級並網PV逆變器。第1級是一個可選的升壓轉換器，用於提高電池板電壓，該電壓然後再通過隔離DC-DC轉換器級。該隔離DC-DC轉換器包括一個通過高頻變壓器的全橋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於電網峰值電壓的直流電壓。整流形成的直流再通過第3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，並將其饋入一個微控製器
，以執行最大功率傳輸跟蹤(MPTT)算法。

 

同時，該微控製器還負責控製隔離DC-DC和he輸shu出chu逆ni變bian器qi的de柵zha極ji驅qu動dong器qi。輸shu出chu逆ni變bian器qi位wei於yu電dian網wang一yi端duan，其qi接jie地di電dian壓ya與yu直zhi流liu電dian池chi板ban接jie地di電dian壓ya不bu同tong，從cong微wei控kong製zhi器qi到dao逆ni變bian器qi驅qu動dong級ji的de通tong信xin需xu要yao隔ge離li。通tong常chang需xu要yao四si個ge光guang耦ou合he器qi，但dan它ta們men功gong耗hao較jiao高gao，其qi較jiao大da的de傳chuan播bo延yan遲chi也ye可ke能neng影ying響xiang柵zha極ji驅qu動dong器qi的de時shi序xu精jing度du

，從cong而er影ying響xiang到dao逆ni變bian器qi的de效xiao率lv
，而er且qie最zui重zhong要yao的de是shi，它ta們men難nan以yi支zhi持chiPV電池板20至25年的擔保壽命。

 

另一方麵，基於微變壓器的隔離器[1, 2]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。

 

zainibianqishuchuyubingwangzhijianyongjidianqilaiquebaonibianqishuchupinlvhexiangweiyushidiandianyatongbu，tongshi，hainengzaidianwangfashengguzhangshihuozhezaishidiandianyahuopinlvchaoguokejieshouxianzhishixunsuduankai，congershixianfanggudaobaohu。zaidianwangyiduanxuyaodianyajiancegongnengyijiancelingjiaoyue
，tongshiyexuyaodianliujiancegongneng
，yiquebaofuzaizhongkuirudeshizhengxianbodianliu。

 

檢測信息可以通過隔離ADC傳送給控製器。隔離ADC集成一個16位二階∑-△調製器和基於微變壓器的數字隔離功能，能夠實現3.75 kV的隔離，是分流電流檢測的理想之選。電流變壓器也可用於電流檢測

，但它們價格昂貴
、體積龐大，而且可能對外部磁場非常敏感。

 

也可以使用霍爾效應檢測器，但它們在非線性度和失調方麵先天不足
，結果會影響到電流測量值的精度。分流與集成隔離ADC一起形成一種可靠的低成本替代方案。隔離ADC在電網一端也需要隔離電源以驅動自己
，同時，可以集成基於微變壓器的隔離DC-DC,從而省去使用分立式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DC-DC來驅動，而其與電池板一端的控製器的通信則通過一個多通道隔離器來實現。

 

圖3. 3級PV逆變器的隔離方案

 

基於微變壓器的隔離方法也可與高電流輸出柵極驅動器相集成，以形成全隔離半橋柵極驅動器。圖4所示為一個並網PV逆變器的示例柵極驅動方案。對於原邊的DC-AC全橋開關，通常沒有必要為低端柵極驅動器(尤其是低功耗逆變器)設置隔離。對於兩個高端開關，具有4 A驅動能力的2通道1 kV隔離驅動器就能勝任工作。逆變器開關位於交流端
，因此，低端和高端都需要隔離柵極驅動器。

 

圖4. 3級PV逆變器的柵極驅動器實現方案

 

要使直流端的微控製器與交流端的逆變器直接通信
，通常需要2.5 kV或5 kV隔離柵極驅動器。低端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)
，而高端電源則可通過自舉解決方案來提供。

 

每個半橋柵極驅動器均由3向隔離構成，即是說，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5(a)是1 kV柵極驅動器的變壓器結構
，圖5(b)是5 kV柵極驅動器的變壓器結構。1 kV半橋柵極驅動器以三芯片單封裝實現，包括一個輸入芯片和兩個相同的柵極驅動器芯片。

 

兩個1 kV變壓器(如圖5(a)所示)在輸入芯片上實現
，兩個柵極驅動器輸出各一個。輸入與底部線圈相連，底部線圈與頂部線圈之間由2.64 μm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於自己的分片焊盤上
，並通過與[2]類似的芯片間焊線與輸入芯片處的頂部線圈相連。5 kV柵極驅動器實現方法與此相似，隻是頂部線圈與底部線圈之間是通過20 mm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) 2.5 kV柵極驅動器

 

對於多逆變器並聯係統(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要的電源。

 

微逆變器也開始受到人們的青睞，因為它們有助於提升係統的可靠性和性能。它們還有利於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;lingyifangmian，jiyuweibianyaqidegelifangfa
，qixingnengbuhuisuishijianerxiajiang
，zaizhexiejiduantiaojianxiabiaoxianzhuoyue。weinibianqikeyishiyongdanjinibianqierfeiquansanjinibianqi，yijiangdixitongchengben。meigeweinibianqidegonghaokenengjinjinweiliangsanbaiwate，zaizheyigonghaoshuipingxia，gelijichengfaweijiangdixitongchengben、提升係統可靠性帶來了許多係統集成機會。

 

 

基於微變壓器的隔離集成方法是滿足並網PV逆變器、中zhong央yang逆ni變bian器qi或huo微wei逆ni變bian器qi的de隔ge離li需xu求qiu的de理li想xiang解jie決jue方fang案an。其qi集ji成cheng式shi信xin號hao和he電dian源yuan隔ge離li能neng力li可ke以yi大da幅fu減jian少shao元yuan件jian數shu量liang，提ti高gao係xi統tong可ke靠kao性xing和he使shi用yong壽shou命ming，同tong時shi，其qi精jing密mi的de柵zha極ji驅qu動dong時shi序xu特te性xing則ze可ke能neng進jin一yi步bu提ti高gao逆ni變bian器qi的de效xiao率lv。利li用yong基ji於yu微wei變bian壓ya器qi的de隔ge離liADC,可以對電網電流和電壓進行更加準確的測量，結果給電網帶來高品質的單位功率係數正弦電流。