下一波功率轉(zhuǎn)換浪潮 — 專為實現(xiàn)太陽能光伏逆變器的安全、速度和成本效益而設(shè)計

太陽能不再是一項新興技術(shù)，而是正在經(jīng)歷重大技術(shù)變革的技術(shù)，日趨成熟。我們朝著電網(wǎng)平價—太陽能成本與傳統(tǒng)能源發(fā)電類型的成本相當(dāng)，并且改進(jìn)傳統(tǒng)能源發(fā)電類型的構(gòu)成—的目標(biāo)越來越近，因為將面板中的直流電轉(zhuǎn)換為可用交流電的過程變得更加高效且經(jīng)濟(jì)實惠。

但是，雖然太陽能面板在近幾年價格顯著降低，但下一波太陽能發(fā)展浪潮將由功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的新技術(shù)推動。先進(jìn)復(fù)雜的多級功率開關(guān)拓?fù)涞呐d起將基于碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)材料，加上更高的工作電壓（最高1600 VDC），實現(xiàn)更加快速的功率開關(guān)，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，性能將大幅提高。更高的開關(guān)頻率意味著功率轉(zhuǎn)換器的無源元件—即，感應(yīng)線圈和電容—尺寸可以大幅減小，從而可減輕重量、降低成本。這兩項均為太陽能市場進(jìn)一步擴(kuò)大的關(guān)鍵優(yōu)勢。

因此，這些新的功率開關(guān)拓?fù)湔谕苿涌商峁┫嚓P(guān)控制和支持的器件的變革。更小、更快的系統(tǒng)需要整個功率轉(zhuǎn)換信號鏈的改進(jìn)—更快的處理和更好的器件集成。但是，隨著現(xiàn)代光伏逆變器越來越小，這些創(chuàng)新加劇了處理功率轉(zhuǎn)換所固有的重要安全性問題的挑戰(zhàn)—也就是說，由于這些系統(tǒng)尺寸縮小，危險電壓的物理隔離變得更加復(fù)雜。

雖然太陽能面板或太陽能模塊是太陽能系統(tǒng)的核心，也是較為明顯的部分，但在整個信號鏈中，更復(fù)雜的部分是光伏逆變器—控制系統(tǒng)的大腦。光伏逆變器需要經(jīng)過仔細(xì)設(shè)計，以保護(hù)電流測量和計算電路，使其不受功率處理電路以及開關(guān)所引起的瞬態(tài)信號影響。但是，這種保護(hù)代價不菲：多個冗余隔離器件會提升成本和系統(tǒng)復(fù)雜性。而且很明顯，通過可編程處理器來運行這些系統(tǒng)所需的日益復(fù)雜的算法，需要考慮代碼完整性以保證系統(tǒng)自身的安全性問題。

此外，官方的安全認(rèn)證是所有開發(fā)人員面臨的要求。必須遵守許多有關(guān)安全斷開連接（和重新連接）的法規(guī)。系統(tǒng)必須以多快的速度響應(yīng)、如何處理掉電和停電、快速斷開連接和電弧檢測，這些均必須得到解決—在許多情況下，每個國家/地區(qū)的解決辦法不同。由于認(rèn)證會增加開發(fā)時間（成本），因此已證明合格的器件和方法極具吸引力，并且還需要足夠靈活，能夠適應(yīng)多個不斷演變的區(qū)域安全法規(guī)。

幸運的是，通過使用可集成先進(jìn)混合信號控制處理器、并被互補隔離電流檢測和柵極驅(qū)動器技術(shù)包圍的功率逆變器平臺，這些問題便可以迎刃而解。

冗余—單一故障安全

對于安全關(guān)鍵應(yīng)用，如太陽能光伏逆變器的交流監(jiān)控器和隔離器，除了監(jiān)控設(shè)備以外，安全標(biāo)準(zhǔn)需要冗余的監(jiān)控元件，以確保單一故障安全。在傳統(tǒng)光伏逆變器中，這一點通過在系統(tǒng)中添加監(jiān)控處理器來完成，該處理器充當(dāng)冗余監(jiān)控元件，然后控制繼電器K2（圖1）。

圖1. 在傳統(tǒng)光伏逆變器控制硬件中，單獨的監(jiān)控處理器負(fù)責(zé)冗余安全元件K2及相關(guān)監(jiān)控。兩個處理器均運行部分安全軟件，并通過標(biāo)準(zhǔn)I/O設(shè)施通信。

很容易可以看到，這使得系統(tǒng)控制硬件的總體成本顯著增加，因為雖然監(jiān)控元件實際上包含具有良好性能要求的處理器，但也必須添加額外的支持基礎(chǔ)架構(gòu)。另一方面，這種配置的冗余元件分離顯而易見，因此在安全機(jī)構(gòu)進(jìn)行合格審計時，這是易于理解的安全布局。

雖然光伏逆變器制造商力求提高逆變器性能，但全球市場對降低太陽能光伏系統(tǒng)總運行成本的需求使制造商不斷備受壓力，并且被迫加強(qiáng)研究，以改善逆變器拓?fù)洳⒖s減光伏逆變器安全關(guān)鍵器件的成本。因此，為了盡可能的縮減成本，安全隔離器的冗余監(jiān)控元件成為了應(yīng)嚴(yán)格審核的器件。

雙核設(shè)計提供顯著優(yōu)勢

對同時簡化和增強(qiáng)逆變器操作的渴望，驅(qū)使ADI公司開發(fā)了一系列創(chuàng)新的混合信號控制處理器，ADSP-CM41x系列。ADSP-CM41x設(shè)計的核心是具有突破性的獨立雙核安全概念，可將安全冗余和功能集成到單芯片中。這個史無前例的架構(gòu)無需外部監(jiān)控元件（這是目前的標(biāo)準(zhǔn)），可以節(jié)省大量開發(fā)時間和系統(tǒng)成本。

全新ADSP-CM41x通過一組專門針對可再生能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)要求的特性，解決當(dāng)今的功率轉(zhuǎn)換問題，包括集成優(yōu)化的硬件加速器，旨在提高內(nèi)核處理能力。此外，設(shè)備的板載電弧故障檢測功能可以簡化設(shè)計，并通過智能決策增強(qiáng)安全性，從而提高可靠性和精度。

通過在單芯片上的主M4控制內(nèi)核中添加獨立的M0監(jiān)控內(nèi)核，帶有冗余監(jiān)控和控制信號路徑的單一故障容錯系統(tǒng)的設(shè)計得到了顯著簡化，同時降低了整體系統(tǒng)成本（圖2）。

圖2. 雙核設(shè)計通過集成獨立M0監(jiān)控內(nèi)核，大大簡化了冗余安全元件的設(shè)計。處理器通過專用郵箱系統(tǒng)進(jìn)行通信，包括心跳信號的傳輸。

雖然M0和M4內(nèi)核在同一片晶圓上—從安全的角度來看，成本最少—但內(nèi)核通過創(chuàng)新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計以物理方式分離開來。通過雙端口RAM郵箱的處理器間通信可獨立檢查并驗證冗余獲得的工藝參數(shù)。

代碼安全

除了物理電源安全，務(wù)必要小心謹(jǐn)慎，以確保運行這些系統(tǒng)的算法得到正確解讀；過程受破壞可導(dǎo)致安全性削弱的工作狀態(tài)。此外，使用可將處理器內(nèi)核功能分離的郵箱通信系統(tǒng)來隔離處理器之間的通信較為有利。郵箱系統(tǒng)允許任意內(nèi)核隨時隔離讀取/寫入數(shù)據(jù)，而不是直接的發(fā)送—接收信號交換通信方式。

為了代碼的安全，M4內(nèi)核具備1 MB閃存和高達(dá)160 kB SRAM，而M0具備32 kB SRAM。M4和M0處理器L1 SRAM、閃存和郵箱存儲器均采用零等待狀態(tài)SECDED ECC加以保護(hù)，并原生保護(hù)32位存儲器元件。在適當(dāng)?shù)牡胤綄懭?位、16位數(shù)據(jù)將導(dǎo)致后臺自動讀取—修改—寫入ECC更新，通常不存在可觀察到的處理器停頓。刷新輔助硬件可周期性處理單個位錯誤。多位錯誤檢測還可用來觸發(fā)中斷和/或故障。此外，對于誤差檢測，使用循環(huán)冗余校驗(CRC)硬件模塊計算數(shù)據(jù)塊的CRC。它基于CRC32引擎，可計算傳遞給它的32位數(shù)據(jù)字的CRC值。特別地，可以使用CRC單元來驗證閃存內(nèi)容，即SRAM中常數(shù)數(shù)據(jù)塊（文字或代碼）。

利用雙核混合信號控制處理器實現(xiàn)交流電網(wǎng)監(jiān)控

作為如何利用雙核設(shè)計的示例，我們來看看光伏逆變器中交流電網(wǎng)監(jiān)控的工作原理。交流電網(wǎng)監(jiān)控主要包含兩個功能—頻率監(jiān)控和電壓監(jiān)控：

對于頻率監(jiān)控，需要嚴(yán)格容許的基于時間的測量，當(dāng)使用RC振蕩器作為備份時基時，這可能很難實現(xiàn)。因此，處理器使用單振蕩器或晶振(XTAL)作為主系統(tǒng)時鐘(SYSCLK)輸入，使用M0上的其他XTAL監(jiān)控通過郵箱的主時鐘源漂移。SYSCLK線路上除漂移以外的時鐘故障由內(nèi)部振蕩器比較器單元(OCU)直接處理。它使用外部低頻率振蕩器(LFO)檢測各種條件，如時鐘消失和時鐘頻率超限，并且可生成數(shù)個事件，通知處理器相關(guān)違反情況。檢測到故障事件時，可以配置時鐘不良信號(CLKNG)，將芯片置于復(fù)位狀態(tài)，它還能初始化GPIO引腳安全狀態(tài)機(jī)制。

交流電壓監(jiān)控必須確保相電壓在所需容差范圍內(nèi)，還可以用于兩個隔離開關(guān)繼電器的功能自測。為實現(xiàn)單一故障耐電壓監(jiān)控，處理器的模擬前端(AFE)包含兩個單獨的ADC塊，分別具備各自的ADC控制器、基準(zhǔn)電壓和多電源路徑。當(dāng)然，一個ADC塊由M4控制，另一個由M0控制，以實現(xiàn)郵箱系統(tǒng)的完全冗余電壓測量和完整性檢查。除此之外，在使光伏逆變器聯(lián)網(wǎng)之前，板載DAC可用于在內(nèi)部單獨應(yīng)用AFE信號鏈的所有器件。

將器件連接起來—光伏逆變器平臺

除了混合信號處理器，光伏系統(tǒng)中還有許多其他關(guān)鍵器件需要一起使用，以便安全地通信、控制和傳遞數(shù)據(jù)與電流。

設(shè)計采用冗余信號路徑概念，包括冗余參考、ADC和XTAL，以及內(nèi)部振蕩器和電壓監(jiān)控單元與處理器間郵箱系統(tǒng)，允許從監(jiān)控系統(tǒng)中完全消除其他外部監(jiān)控元件（圖3）。圖形LCD提供所有相關(guān)狀態(tài)信息，一目了然，只需按一下按鈕便可以執(zhí)行整個系統(tǒng)的完整校準(zhǔn)周期。該單元配備經(jīng)過廣泛驗證的軟件包，并持有德國TüV-SüD在2016年3月頒發(fā)的VDE-AR-N4105合格認(rèn)證。

圖3. VDE-AR-N-4105技術(shù)演示裝置框圖，包括VDE-AR-N-4105評估板和ADSP-CM419F EZ-KIT?。

圖4. ADI公司的VDE-AR-N-4105技術(shù)演示裝置采用構(gòu)成交流主電源路徑的兩個串聯(lián)型電源繼電器，以及在單相系統(tǒng)中冗余監(jiān)控交流電源電壓、光伏逆變器輸出和繼電器間電壓的四個獨立高精度隔離電壓測量通道。

太陽能產(chǎn)業(yè)前景光明，但不斷進(jìn)步還不夠。在全平臺級別智能整合各種技術(shù)將確保功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計的效率和安全。每個器件必須以能源市場的安全、效率和成本要求為考量，進(jìn)行專門設(shè)計。提供完整穩(wěn)健的平臺—不只是器件—將允許未來功率轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品的制造商創(chuàng)造出清潔、安全且經(jīng)濟(jì)實惠的系統(tǒng)。

安全認(rèn)證

由于成本縮減工作很容易削弱所需的系統(tǒng)安全水平，因此ADI公司就如何將監(jiān)控元件作為第二個處理器集成到主處理器的相同硅片上，與科隆的德國雇主責(zé)任保險協(xié)會BGETEM和施特勞賓的TüV-SüED合作，共同解決潛在安全問題。另一個考慮因素是此類雙核處理器必須滿足的最低要求，以便符合有關(guān)光伏逆變器上交流電安全斷開連接的監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。

因此，ADI公司的全新ADSP-CM41x處理器系列現(xiàn)在持有德國TüVSüD在2016年3月頒發(fā)的VDE-AR-N4105合規(guī)認(rèn)證（文件D8 16 0395142 002）。該系列配備一組專門針對可再生能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)功率轉(zhuǎn)換要求的特性，包括所有必要的安全元件，以組成完全符合安全性的交流斷路器。

此外，為了支持安全性，ADI公司功率轉(zhuǎn)換平臺以其iCoupler?數(shù)字隔離器技術(shù)為基礎(chǔ)，集成了柵極驅(qū)動器和電流傳感器。ADI公司的數(shù)字隔離器利用低應(yīng)力厚膜聚酰亞胺絕緣層實現(xiàn)數(shù)千伏的隔離，可以將其與標(biāo)準(zhǔn)硅IC集成，形成單通道、多通道和雙向配置。