如何利用微變壓器集成隔離功能

圖3. 3級PV逆變器的隔離方案

基于微變壓器的隔離方法也可與高電流輸出柵極驅(qū)動(dòng)器相集成，以形成全隔離半橋柵極驅(qū)動(dòng)器。圖4所示為一個(gè)并網(wǎng)PV逆變器的示例柵極驅(qū)動(dòng)方案。對于原邊的DC-AC全橋開關(guān)，通常沒有必要為低端柵極驅(qū)動(dòng)器(尤其是低功耗逆變器)設(shè)置隔離。對于兩個(gè)高端開關(guān)，具有4 A驅(qū)動(dòng)能力的2通道1 kV隔離驅(qū)動(dòng)器就能勝任工作。逆變器開關(guān)位于交流端，因此，低端和高端都需要隔離柵極驅(qū)動(dòng)器。

圖4. 3級PV逆變器的柵極驅(qū)動(dòng)器實(shí)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2.5 kV或5 kV隔離柵極驅(qū)動(dòng)器。低端柵極驅(qū)動(dòng)器可以由集成的DC-DC驅(qū)動(dòng)(其動(dòng)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(gè)半橋柵極驅(qū)動(dòng)器均由3向隔離構(gòu)成，即是說，輸入與輸出之間存在隔離，兩個(gè)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(qū)動(dòng)器的變壓器結(jié)構(gòu)，圖5(b)是5 kV柵極驅(qū)動(dòng)器的變壓器結(jié)構(gòu)。1 kV半橋柵極驅(qū)動(dòng)器以三芯片單封裝實(shí)現(xiàn)，包括一個(gè)輸入芯片和兩個(gè)相同的柵極驅(qū)動(dòng)器芯片。

兩個(gè)1 kV變壓器(如圖5(a)所示)在輸入芯片上實(shí)現(xiàn)，兩個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器輸出各一個(gè)。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(shí)現(xiàn)隔離。這兩個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器芯片位于自己的分片焊盤上，并通過與[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(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)方法與此相似，只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(jìn)行隔離的。

圖5. 變壓器結(jié)構(gòu) (a) 1 kV柵極驅(qū)動(dòng)器 (b) 2.5 kV柵極驅(qū)動(dòng)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(shí))實(shí)現(xiàn)的。自驅(qū)動(dòng)隔離收發(fā)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?yàn)樗鼈冇兄谔嵘到y(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(huì)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(huì)隨時(shí)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而非全三級逆變器，以降低系統(tǒng)成本。每個(gè)微逆變器的功耗可能僅僅為兩三百瓦特，在這一功耗水平下，隔離集成法為降低系統(tǒng)成本、提升系統(tǒng)可靠性帶來了許多系統(tǒng)集成機(jī)會(huì)。

結(jié)論

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(shí)，其精密的柵極驅(qū)動(dòng)時(shí)序特性則可能進(jìn)一步提高逆變器的效率。利用基于微變壓器的隔離ADC，可以對電網(wǎng)電流和電壓進(jìn)行更加準(zhǔn)確的測量，結(jié)果給電網(wǎng)帶來高品質(zhì)的單位功率系數(shù)正弦電流。