讓太陽能逆變器比太陽更可靠

在炎炎夏日，我通常和大多數(shù)人一樣會(huì)躲在空調(diào)房里避暑。再之后，隨著天氣變得涼爽起來，我會(huì)打開窗戶吹著自然風(fēng)，在那時(shí)我就會(huì)收到夏季的電費(fèi)賬單，然后我就會(huì)問自己空調(diào)帶來的短暫舒適感是否真的值得。

空調(diào)只能在對(duì)抗炎熱天氣的過程中取得得不償失的勝利。作為一名工程師，我認(rèn)為這是一個(gè)需要解決的問題。我的解決方案很簡(jiǎn)單：如果你無法徹底取代它們，那就好好利用它的光與熱。因此，與其消耗大量昂貴的公用電，我們倒不如用屋頂上的太陽能電池板為空調(diào)提供動(dòng)力。幸運(yùn)的是，我并不是第一個(gè)想到這一點(diǎn)的人，而且太陽能的成本幾乎與傳統(tǒng)能源持平，每個(gè)人都能享受太陽能帶來的好處。

雖然人們將大部分的關(guān)注點(diǎn)都投向了光伏面板，但太陽能發(fā)電生態(tài)系統(tǒng)的其他部分也不容忽視，比如，電力電子技術(shù)。但這也只是一個(gè)關(guān)鍵方面而已。光伏面板產(chǎn)生的是直流電壓，但電力傳輸和配電系統(tǒng)卻處于交流電狀態(tài)，因此需要電源逆變器。

為實(shí)現(xiàn)太陽能發(fā)電系統(tǒng)的成本目標(biāo)，美國(guó)能源部提出了以下要求作為“Sunshot Initiative”的一部分：

·轉(zhuǎn)換效率大于98%

·使用壽命大于25年

·功率密度>100W/in3

·系統(tǒng)成本<$ 0.10/W（公用設(shè)施）； <$ 0.125/W（商業(yè)）；<$ 0.15/w（住宅）（包括電力電子設(shè)備的壽命周期成本，包括其使用壽命內(nèi)的初始資本成本和運(yùn)維（O&M）成本）

 “Sunshot Initiative”的目標(biāo)是非常雄偉的，而要滿足這些目標(biāo)不僅需要核心的優(yōu)化，還需要仔細(xì)考慮各個(gè)部分。精心設(shè)計(jì)可能導(dǎo)致對(duì)隔離邊界帶來巨大影響。逆變器在低壓直流和危險(xiǎn)的高壓交流之間的連接需要電流隔離，這可能導(dǎo)致電源場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）或絕緣柵雙極晶體管（IGBT）位于產(chǎn)生柵極信號(hào)的控制器隔離柵的相反側(cè)。增強(qiáng)型隔離柵極驅(qū)動(dòng)器（如德州儀器的UCC21520）非常不錯(cuò)，因?yàn)樗鼈兘Y(jié)合了多種功能，能夠?qū)⑿盘?hào)傳遞到隔離邊界，并從數(shù)個(gè)設(shè)備到一個(gè)設(shè)備將邏輯門信號(hào)轉(zhuǎn)換為實(shí)際的柵極驅(qū)動(dòng)。增強(qiáng)型隔離柵極驅(qū)動(dòng)器是串聯(lián)逆變器的理想解決方案，其最大輸出功率范圍為500W至10kW。

UCC21520通過在高側(cè)和低側(cè)之間實(shí)現(xiàn)傳播延遲和延遲匹配的領(lǐng)先性能，改善了這些集成優(yōu)勢(shì)。因?yàn)樗斓貙?dǎo)通且減少了所需的死區(qū)時(shí)間，即較高損耗的體二極管導(dǎo)通時(shí)的死區(qū)時(shí)間，所以減少了與開關(guān)相關(guān)的損耗。這些參數(shù)也較少依賴于VDD，因此您可以放寬系統(tǒng)其余部分的電壓容差設(shè)計(jì)余量，如圖1中的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)所示。圖1還強(qiáng)調(diào)了UCC21520在VDD上的線性性能比競(jìng)品的性能要高得多。

圖1：德州儀器（TI）的UCC21520傳播上升/下降延遲相較于VDD和競(jìng)品而言

微逆變器是一種快速發(fā)展的架構(gòu)，可將單個(gè)PV模塊的電能轉(zhuǎn)換為交流電網(wǎng)，通常設(shè)計(jì)用于180-300W范圍的最大輸出功率。通過分配反轉(zhuǎn)過程，太陽能電池陣列可適用更復(fù)雜的屋頂，且能夠安裝更小的陣列，這些陣列通常不會(huì)達(dá)到串逆變器的輸入電壓。德州儀器的基本隔離柵極驅(qū)動(dòng)器UCC21220為基本隔離足夠的太陽能應(yīng)用提供了替代方案。它采用第二代電容隔離技術(shù)，通過縮小芯片尺寸來降低成本，不僅有助于降低PCB空間和系統(tǒng)成本，還可保持傳播延遲和延遲匹配的領(lǐng)先性能。

另一個(gè)需要穿過隔離邊界的器件是輔助電源。不管AC公用設(shè)施/負(fù)載或光伏面板的狀態(tài)如何，要確保太陽能逆變器能夠“智能”且持續(xù)地運(yùn)行，都需要隔離電源為逆變器提供偏置電源。由于這個(gè)步驟需要跨越隔離邊界，因此它也需要跨越它的組件。初級(jí)側(cè)調(diào)節(jié)（PSR），其輸出由相對(duì)于初級(jí)側(cè)控制器而非光耦合器接地的輔助繞組調(diào)節(jié)，是降低元件和成本的好方法。PSR還具有增加使用壽命的額外好處，因?yàn)樗死擞侩妷浩陂g難處理的故障點(diǎn)。初級(jí)側(cè)反激式控制器，如UCC28700，通過采用最少的外部電路實(shí)現(xiàn)高級(jí)算法，最大限度地提高了控制方案的性能和效率。UCC28910 通過將700V功率FET和控制器集成到單個(gè)設(shè)備中，擴(kuò)展了這些優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步減小了偏置電源的大小。

德州儀器的解決方案可幫助制造經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且性能可靠的太陽能，使其足以在炎熱的天氣里為空調(diào)提供動(dòng)力。