利用iCoupler隔離技術(shù)提高智能電網(wǎng)整合度

利用太陽(yáng)輻射直接產(chǎn)生的電能絕大部分來(lái)自太陽(yáng)能光伏(PV)電池，它將光子能量轉(zhuǎn)換成電子流，進(jìn)而形成電流。圖1所示為大型光伏發(fā)電設(shè)備的航拍照片。

圖1. 亞利桑那州尤馬縣太陽(yáng)能光伏發(fā)電設(shè)備

太陽(yáng)能光伏 (PV) 逆變器轉(zhuǎn)換來(lái)自太陽(yáng)能電池板的電能并高效地將其部署到公用電網(wǎng)中。來(lái)自太陽(yáng)能電池板的直流電(類(lèi)似于直流電流源)會(huì)被轉(zhuǎn)換成交流，并以正確的相位關(guān)系饋送到公用電網(wǎng)上，效率高達(dá)98%。PV逆變器轉(zhuǎn)換過(guò)程可以分為一級(jí)或多級(jí)。

第1級(jí)通常為從構(gòu)成太陽(yáng)能電池板的低電壓高電流太陽(yáng)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)具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如果直流端以串聯(lián)方式連接有足夠多的太陽(yáng)能電池，那么可能無(wú)需該級(jí)，便可確保所有負(fù)載條件下均具有穩(wěn)定的高電壓。

在第2級(jí)中，通常利用H橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將直流轉(zhuǎn)換成交流。PV逆變器設(shè)計(jì)可能會(huì)使用中性點(diǎn)箝位(NPC)等H橋變體來(lái)提高功效，并降低系統(tǒng)無(wú)功功率。

早期太陽(yáng)能PV逆變器只是將電能轉(zhuǎn)儲(chǔ)到公用電網(wǎng)的模塊。較新設(shè)計(jì)則強(qiáng)調(diào)安全性、智能電網(wǎng)整合并削減成本。設(shè)計(jì)人員正在考慮采用現(xiàn)有太陽(yáng)能逆變器模塊中未使用的新技術(shù)來(lái)改善性能和降低成本。

一個(gè)關(guān)鍵因素是基于計(jì)算機(jī)的儀器儀表和控制，但必須使用隔離柵來(lái)保護(hù)測(cè)量和計(jì)算電路，使其不受功率處理電路以及開(kāi)關(guān)所引起的瞬態(tài)信號(hào)影響。本文將討論iCoupler隔離技術(shù) 如何利用ADI公司的隔離式模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和柵極驅(qū)動(dòng)器來(lái)降低太陽(yáng)能PV逆變器的成本、增加智能電網(wǎng)整合度并提高其安全性。

智能電網(wǎng)

什么是智能電網(wǎng)? IMS Research將智能電網(wǎng)定義為“一種自身能夠高效匹配和管理發(fā)電和用電并可最大程度地利用各種可用資源的公用供電基礎(chǔ)設(shè)施”。這意味著新一代太陽(yáng)能PV逆變器需要更加智能，以便與智能電網(wǎng)連接，尤其是處理多個(gè)來(lái)源供電大于電網(wǎng)所需電能時(shí)出現(xiàn)的不平衡情況。因此，PV系統(tǒng)智能需要重點(diǎn)關(guān)注電網(wǎng)整合，其中貢獻(xiàn)系統(tǒng)電能的每個(gè)方面必須相互配合，以穩(wěn)定電網(wǎng)，而不是簡(jiǎn)單地開(kāi)環(huán)供電。電網(wǎng)整合要求更好地對(duì)饋入電網(wǎng)的電能進(jìn)行測(cè)量、控制和質(zhì)量分析。此外，新指令和更高的技術(shù)要求也需要新技術(shù)。

因此，智能電網(wǎng)整合的一項(xiàng)重要局部特性可能是儲(chǔ)能，即通過(guò)將不需要的電能儲(chǔ)存起來(lái)供高峰時(shí)段使用，從而減少電網(wǎng)中的湍流。本文余下部分將重點(diǎn)討論電氣隔離在保護(hù)儀器儀表電路(用于測(cè)量和控制來(lái)源、互連和儲(chǔ)能元件)上的作用，并首要強(qiáng)調(diào)iCoupler技術(shù)的重要作用。具體而言，AD7401A隔離式ADC和ADuM4223隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器可提供滿(mǎn)足新型太陽(yáng)能PV逆變器設(shè)計(jì)要求的性能。

隔離技術(shù)

在iCoupler技術(shù)中，變壓器會(huì)在兩個(gè)單獨(dú)供電的電路之間耦合數(shù)據(jù)，同時(shí)避免這兩個(gè)電路之間存在任何電流連接。變壓器采用晶圓級(jí)工藝直接在片內(nèi)制造。位于鍍金層下方的高擊穿電壓聚酰亞胺層將上方線(xiàn)圈與下方線(xiàn)圈隔離開(kāi)來(lái)。利用1 ns脈沖編碼的輸入邏輯轉(zhuǎn)換送至變壓器的原邊。從一個(gè)變壓器線(xiàn)圈耦合到另一個(gè)變壓器線(xiàn)圈的脈沖由變壓器副邊上的電路來(lái)檢測(cè)。

隔離式ADC

圖2顯示的是一對(duì)與簡(jiǎn)介中所述類(lèi)似的太陽(yáng)能PV逆變器。它們接到與電網(wǎng)相連的電源總線(xiàn)，可以單獨(dú)地進(jìn)行測(cè)量和開(kāi)關(guān)。每個(gè)太陽(yáng)能電池板均連接到其DC/DC升壓電路，然后連接到DC/AC逆變器。(使用時(shí)，儲(chǔ)能電池的連接和開(kāi)關(guān)均受控制。為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，本文忽略了關(guān)于儲(chǔ)能的所有討論內(nèi)容。)

圖2. 太陽(yáng)能PV系統(tǒng)示例

A數(shù)字信號(hào)處理器負(fù)責(zé)控制該過(guò)程。AD7401A隔離式ADC測(cè)量約為25 A的交流輸出電流。太陽(yáng)能PV逆變器系統(tǒng)可能在輸出端連接有隔離變壓器，也可能沒(méi)有。如果為節(jié)省成本而省略該變壓器，太陽(yáng)能PV逆變器還必須測(cè)量輸出電流的任何直流成分。該“直流注入”存在與否及其幅度是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，因?yàn)槿绻⑷腚娋W(wǎng)的直流電流過(guò)多，則可能導(dǎo)致其路徑上的所有變壓器發(fā)生飽和。該值必須限制在很低的微安范圍內(nèi);因此，AD7401A必須測(cè)量25 A左右的交流電流和毫安范圍內(nèi)的低直流電流。

AD7401A iCoupler隔離式Σ-△調(diào)制器ADC對(duì)分流電阻上的電壓進(jìn)行連續(xù)采樣，如圖3所示。其輸出為1位數(shù)據(jù)流，該數(shù)據(jù)流會(huì)被隔離并直接饋入DSP。輸出流中1的密度代表輸入幅度，可利用DSP中實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波器來(lái)重構(gòu)。

圖3. 隔離式AD7401A ADC

太陽(yáng)能PV逆變器系統(tǒng)中需要隔離，主要原因是交流電網(wǎng)上的高電壓。即使是在單相系統(tǒng)中，交流電壓也可能高達(dá)380 V。AD7401A的隔離能力能夠處理高達(dá)561 V的雙極性電壓，因此非常適合該應(yīng)用。采用AD7401A的主要優(yōu)勢(shì)之一是其小型封裝允許ADC非常靠近實(shí)際的交流分流電阻，而DSP可能相距較遠(yuǎn)，甚至可能位于系統(tǒng)的其它電路板上。這可以提高測(cè)量和控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)精度和可靠性。ADC輸出數(shù)據(jù)通過(guò)單個(gè)位流以串行方式發(fā)送至DSP，其中時(shí)鐘速率為16 MHz并由DSP提供。

這個(gè)系統(tǒng)可以測(cè)量高達(dá)25 A的交流電流和較低微安范圍內(nèi)的直流注入。圖4展示的是AD7401A SMS太陽(yáng)能模塊的失調(diào)和線(xiàn)性誤差。這表明整個(gè)溫度范圍內(nèi)分流電阻上的失調(diào)電流范圍為±20 mA。因此，該模塊可以利用單個(gè)解決方案測(cè)量低至20 mA的直流注入以及25 A(或以上)的系統(tǒng)電流。電流變壓器及其它類(lèi)型的測(cè)量系統(tǒng)可能需要兩個(gè)器件，一個(gè)用于測(cè)量較大的交流電流(25 A左右)，一個(gè)用于測(cè)量較小的直流電流(300 mA左右)。這是顯示iCoupler技術(shù)如何降低智能電網(wǎng)整合成本的一個(gè)例子。

為將分流電阻上的功率損耗(以及因自熱效應(yīng)而導(dǎo)致的熱誤差)降至最小，其電阻值必須盡可能小，典型值為1 mΩ。Σ-△型轉(zhuǎn)換器的極高分辨率使得可將分流電阻損耗保持在與傳統(tǒng)磁換能器解決方案同等水平，同時(shí)提高精度并降低失調(diào)，如圖4所示。

圖4. AD7401A SMS太陽(yáng)能模塊的失調(diào)和線(xiàn)性度(a. 失調(diào)與溫度的關(guān)系b. 誤差與輸出電流的關(guān)系)

雖然滿(mǎn)量程精度非常好，但器件線(xiàn)性度的真正考驗(yàn)在于其絕對(duì)誤差，尤其是低電平范圍內(nèi)。絕對(duì)誤差是指與其值范圍內(nèi)測(cè)量相關(guān)的誤差，而不只是滿(mǎn)量程時(shí)的誤差。有些電流變壓器是按0.1%滿(mǎn)量程范圍來(lái)規(guī)定器件規(guī)格。雖然這看起來(lái)不錯(cuò)，但可能無(wú)法說(shuō)明完整情況。

根據(jù)圖4所示的數(shù)據(jù)，利用AD7401A測(cè)量電流時(shí)的絕對(duì)誤差在整個(gè)范圍內(nèi)都相當(dāng)小，這表明太陽(yáng)能PV逆變器的輸出波形具有低非線(xiàn)性度和更少的諧波失真。在與電網(wǎng)集成時(shí)，這樣有助于降低諧波失真，這也是該新技術(shù)如何提高性能的另一個(gè)例子。

隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器

對(duì)于給定太陽(yáng)能輸入，太陽(yáng)能PV逆變器的效率越高，其每年發(fā)電量就越多，因而太陽(yáng)能電廠(chǎng)的投資回報(bào)率也就越高。由于其成本較低，目前趨勢(shì)是使用無(wú)變壓器型電氣系統(tǒng)來(lái)饋入公用電網(wǎng)。由于逆變器的效率水平相當(dāng)高，因此需要更加注意其測(cè)量和控制電子設(shè)備的內(nèi)部隔離，即逆變器MOSFET和/或柵極驅(qū)動(dòng)器的電源部分和低壓電路之間需要進(jìn)行隔離。

圖5. 太陽(yáng)能PV逆變器的H橋電路示例

圖5所示為典型太陽(yáng)能PV逆變器中DC/AC轉(zhuǎn)換器的一種可能的H橋配置實(shí)現(xiàn)方法。對(duì)于當(dāng)今市場(chǎng)上的新型SiC型JFETS，該電路的直流鏈路電壓范圍為300 V至1000 V。H橋的電流輸出波形由電感和電容進(jìn)行濾波。輸出繼電器將經(jīng)過(guò)濾波的輸出以受控方式連接到電網(wǎng)。在高壓環(huán)境中，需要使用柵極驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)MOSFET的柵極和源極——太陽(yáng)能PV逆變器中又一個(gè)需要隔離的場(chǎng)合。

舉例來(lái)說(shuō)，圖6所示的ADuM4223就是一款具有兩個(gè)獨(dú)立隔離通道的4 A隔離式、雙通道柵極驅(qū)動(dòng)器。其最大傳播延遲為60 ns，共模瞬變抗擾度大于100 kV/μs(最大值)。該器件符合DIN VDE0110、DIN VDE 088410和UL1577等多種標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)部分要求，如數(shù)據(jù)手冊(cè)中所述。

圖6. ADuM4223柵極驅(qū)動(dòng)器

下面是ADuM4223的一些最重要的隔離參數(shù)：

●最大連續(xù)工作電壓

○交流單極性和直流電壓：1131 V

○交流雙極性電壓：565 V

●浪涌隔離電壓：6 kV

●額定電介質(zhì)隔離電壓：5 kV

該器件在單個(gè)封裝中有兩個(gè)通道，分別用于高端和低端MOSFET。通過(guò)在單個(gè)封裝內(nèi)集成這兩個(gè)通道，不僅可以節(jié)省成本，而且還可以節(jié)省PCB空間。

使用傳統(tǒng)光耦合器時(shí)，要么需要一個(gè)隔離式柵極上具有電平轉(zhuǎn)換功能的光耦合器，要么可能需要兩個(gè)光耦合器(有關(guān)更多詳情，請(qǐng)參考MS-2318 技術(shù)文章)——這是該創(chuàng)新隔離技術(shù)如何降低成本的另一個(gè)例子。

太陽(yáng)能PV逆變器的另一個(gè)重要問(wèn)題是需要具有高共模瞬態(tài)抗擾度，以確保系統(tǒng)中的任何大瞬態(tài) (dV/dt)不能以容性耦合或其他方式跨越隔離柵，因?yàn)檫@可能會(huì)使高端和低端MOSFET同時(shí)(突發(fā))打開(kāi)。ADuM4223具有高共模瞬變抗擾度：>100 kV/μs(最大值)，這是該創(chuàng)新技術(shù)如何提高系統(tǒng)安全性的另一個(gè)例子。

結(jié)論

電流隔離是實(shí)施智能電網(wǎng)來(lái)整合大量太陽(yáng)能光伏逆變器時(shí)所需測(cè)量和控制系統(tǒng)的一項(xiàng)重要要求。ADI公司的隔離式ADC能夠利用單個(gè)解決方案測(cè)量大電流和直流注入電流，有助于構(gòu)建高效而緊湊的智能電網(wǎng)整合電路。ADI公司的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器具有良好的共模瞬變抗擾度特性，有助于確保這些新型PV逆變器系統(tǒng)的安全性和可靠性。

新技術(shù)是促成智能電網(wǎng)整合和綠色能源安全高效生產(chǎn)的主要因素——在穩(wěn)定電網(wǎng)和提高電網(wǎng)系統(tǒng)上所有工作人員的安全性方面扮演著重要角色。本文所述隔離產(chǎn)品是ADI公司針對(duì)工業(yè)測(cè)量和控制的豐富創(chuàng)新產(chǎn)品中當(dāng)前和未來(lái)設(shè)計(jì)的突出例子。