TI芯科技賦能中國新基建之解鎖光伏創(chuàng)新

Eric每年都會回老家，就在去年他看到老家的屋頂上新豎起了一排排的太陽能光伏板，立刻意識到鄉(xiāng)親們能夠從中帶來一定的收益，作為德州儀器（TI）新能源應(yīng)用的技術(shù)專家，他很欣慰。其實(shí)Eric的家鄉(xiāng)正是全國如火如荼推進(jìn)的光伏發(fā)電（即太陽能）中的一朵小浪花。

根據(jù)國家能源局網(wǎng)站的消息，我國2021年新增光伏發(fā)電并網(wǎng)裝機(jī)容量約5300萬千瓦，連續(xù)9年穩(wěn)居世界首位。截至2021年底，光伏發(fā)電并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到3.06億千瓦，突破3億千瓦大關(guān)，連續(xù)7年穩(wěn)居全球首位。

回顧近20年的發(fā)展，光伏市場雖然也經(jīng)過了啟動期、調(diào)整期、醞釀期以及高速發(fā)展期等不同階段，但裝機(jī)總?cè)萘渴冀K在節(jié)節(jié)攀升中。光伏的好處毋庸置疑，取之不盡且零污染，不過隨著產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，也有一些痛點(diǎn)亟待解決，包括成本、效率、智能化、可靠性等。

逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心電力電子設(shè)備，就像是整個光伏系統(tǒng)的心臟，其作用是將光伏組件產(chǎn)生的可變直流電壓轉(zhuǎn)換為市電頻率交流電。而芯片則是逆變器的核心組件，因此光伏行業(yè)所面臨的一系列痛點(diǎn)，同樣是芯片行業(yè)正在踐行的創(chuàng)新?！鞍ㄌ柲茉趦?nèi)的可再生能源由于完全取決于自然環(huán)境，因此動態(tài)性很大且不可控，這就給系統(tǒng)設(shè)計帶來了更多挑戰(zhàn)?！盓ric指出。

更大功率的逆變器意味著更多的元件，且同時會存在功率并聯(lián)的情況，這會給系統(tǒng)設(shè)計帶來進(jìn)一步的挑戰(zhàn)，需要具備低輸出失真、高精確的電壓和電流模擬測量、高效率和功率密度以及實(shí)時通信和監(jiān)測等特性。那么什么樣產(chǎn)品和技術(shù)可以為光伏逆變器系統(tǒng)提供有競爭力的解決方案呢？

機(jī)敏的大腦——控制器

光伏逆變器一般具有兩個功率轉(zhuǎn)換級，一個是直流到直流的升壓過程，另一個則是直流到交流的逆變過程。這些都要依靠于控制器來進(jìn)行處理、傳感以及控制三方面的工作，控制器就是整個逆變器中的大腦，為了滿足高動態(tài)性給系統(tǒng)帶來的挑戰(zhàn)，控制器的選擇成為關(guān)鍵。早在中國的光伏市場啟動之時，TI的C2000?實(shí)時微控制器（MCU）就借助其電力電子控制領(lǐng)域的積累，廣泛應(yīng)用于光伏逆變器中。這些年來更是在各方面都不斷改進(jìn)，在提高芯片性能的同時，集成更多實(shí)時控制模擬外設(shè)。

在處理方面，C2000? MCU具有超高性能的C28數(shù)字信號處理器、硬件算法加速器、CLA（控制律加速器）及CLB（可配置邏輯塊）等多種處理器內(nèi)核組成的異構(gòu)計算架構(gòu)，從而最大化處理性能。對于傳感而言，多個并行ADC模塊支持最高16位分辨率，最高3.46MSPS的采樣速率，可以精確測量及監(jiān)控系統(tǒng)各部分的電流、電壓，此外還包括比較器、DAC等豐富的外設(shè)。而對于控制端，150ps精度的多通道PWM控制器，可快速驅(qū)動各類功率轉(zhuǎn)換器件，甚至基于SiC或GaN的寬帶隙器件等。

可靠的免疫組織——信號鏈隔離

逆變器系統(tǒng)支持從幾伏到數(shù)百伏的電壓，為確保高壓復(fù)雜環(huán)境下的信號完整性，需要像人類免疫組織的隔離器件，從而可靠地隔離高壓對低壓的潛在性破壞，或者隔離噪聲帶來的測量不準(zhǔn)確性。TI的數(shù)字隔離器技術(shù)基于專有二氧化硅 (SiO2) 絕緣柵，具有超高工作電壓、超高可靠性、支持高速率傳輸?shù)榷喾N優(yōu)勢，與光耦方案相比，功壽命更長，功率更低且更緊湊。

特別地，針對逆變器的閉環(huán)控制邏輯而言，需要采樣高壓大功率系統(tǒng)中的電壓和電流信號，以便準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換功率，并隨時確保系統(tǒng)可以可靠運(yùn)行。為此，TI將數(shù)字隔離技術(shù)與其信號鏈和電源產(chǎn)品廣泛集成，從而實(shí)現(xiàn)更高的集成度。比如集成直流/直流轉(zhuǎn)換器的增強(qiáng)型隔離放大器AMC3302，單芯片實(shí)現(xiàn)了對輸出電流信號的采集，相比于基于霍爾磁效應(yīng)的傳感器而言，精度更高，電路尺寸更小，抗電磁干擾和共模干擾能力更強(qiáng)，并且可擴(kuò)展性更強(qiáng)。

強(qiáng)健的肌肉——驅(qū)動及功率器件

電源轉(zhuǎn)換的本質(zhì)是通過功率管的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)不同的電壓變化，就好像人體的肌肉與骨骼在大腦的指揮下執(zhí)行著一次次電源變化過程，因此更強(qiáng)健的功率器件和對應(yīng)的驅(qū)動是逆變器效率和可靠性的重要體現(xiàn)。

更高的輸入電壓以及更小的無源元件正在成為光伏逆變器的重點(diǎn)發(fā)展方向，前者可以減少損耗并且使功率器件體積更小，后者則需要功率器件具有更高的開關(guān)速率。為了應(yīng)對更高的工作電壓和開關(guān)速度的挑戰(zhàn)，可以采用寬禁帶半導(dǎo)體（例如SiC和GaN）。比如TI推出的具有集成驅(qū)動器、保護(hù)和溫度報告功能的GaN FET，不僅可以提高整體轉(zhuǎn)換效率，降低系統(tǒng)成本，還可以實(shí)現(xiàn)更小、更輕及更可靠的逆變器。

盡管寬禁帶半導(dǎo)體已登場，但傳統(tǒng)的功率器件依然是目前逆變器市場的主流。實(shí)際上，無論何種功率器件，都需要對應(yīng)的柵極驅(qū)動器，驅(qū)動器既可簡單也可復(fù)雜。由于功率器件是逆變器中最容易損壞的部分，集成米勒鉗位、分離輸出、欠壓鎖定(UVLO)、以及溫度保護(hù)的智能驅(qū)動可以為功率器件長時間運(yùn)行保駕護(hù)航。

另外，電路中的噪聲，無論是電源紋波還是柵極振鈴，噪聲都會導(dǎo)致功率器件錯誤運(yùn)行并降低可靠性。TI集成隔離、保護(hù)功能的智能柵極驅(qū)動器，可以有效隔離噪聲以及其他潛在的高壓危害，并可輕松適配各類功率器件。

智能及更多

目前，新型的逆變器或匯流箱普遍支持手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控，從而方便進(jìn)行監(jiān)控與維護(hù)。TI提供了多種有線或無線連接處理器，以滿足智能化的連接需求，其中包括Wi-Fi、Wi-Sun、ZigBee等無線通信技術(shù)，以及以太網(wǎng)、CAN、RS485等有線技術(shù)。此外，這些處理器也支持豐富的HMI，從而進(jìn)一步提升操作體驗(yàn)。

對于長達(dá)數(shù)十年運(yùn)行的光伏系統(tǒng)而言，半導(dǎo)體器件的壽命和供貨連續(xù)性是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定的可靠保證，TI 的產(chǎn)品生命周期通常為 10 ～ 15 年，并且通?？梢匝娱L使用壽命。同時，為了實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量生產(chǎn)，TI 自1985年起就建立了的質(zhì)量綜合管理體系，并成為TI生產(chǎn)過程中的必要工具。對產(chǎn)品壽命和供貨連續(xù)性的承諾，以及對產(chǎn)品質(zhì)量的承諾，從來都是合作伙伴對TI最為認(rèn)可之處。

在產(chǎn)品的性能和質(zhì)量之外，開發(fā)支持是用戶同樣關(guān)注的，而這是TI的優(yōu)勢所在。以C2000?為例，TI針對光伏等電源領(lǐng)域，提供了完整的數(shù)字電源軟件開發(fā)套件，包含全面的軟件基礎(chǔ)架構(gòu)、工具和文檔，旨在更大程度地縮短基于 C2000? MCU 的數(shù)字電源系統(tǒng)開發(fā)時間。

在開發(fā)套件和參考設(shè)計方面，TI 2014年就針對組串式及微型逆變器推出了太陽能微型逆變器開發(fā)套件，基于TI F28003x MCU的C2000?太陽能微型逆變器開發(fā)套件使設(shè)計人員了解了一款完全適合的MCU，并通過把開發(fā)流程分解成若干個便于管理的部分系統(tǒng)地解決了應(yīng)用難題。用戶一開始可以通過一個簡單的圖形界面對設(shè)計進(jìn)行評估，而不必一頭扎進(jìn)代碼開發(fā)工作之中。當(dāng)準(zhǔn)備好做更深一步的探究時，基于理論的詳盡文檔可通過太陽能微型逆變器開環(huán)至閉環(huán)操作的遞增式構(gòu)建，來指導(dǎo)用戶循序激進(jìn)地完成軟件與硬件實(shí)施方案。

目前，基于C2000? MCU的參考設(shè)計可以快速實(shí)現(xiàn)包括MPPT、逆變、電弧檢測、快速關(guān)機(jī)（RSD）在內(nèi)的多種功能。

可持續(xù)的未來

“TI產(chǎn)品的廣度、對于垂直領(lǐng)域的關(guān)注度，決定了TI將服務(wù)于各個行業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，光伏市場就是個最佳例子?！盓ric介紹，TI一直以來同行業(yè)客戶緊密交流，將客戶的需求轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品及方案的創(chuàng)新，并通過本地化團(tuán)隊與客戶進(jìn)行同步聯(lián)動，從而在新方案出來后更快選用?！癟I一直以來服務(wù)于眾多國內(nèi)逆變器客戶，我們深知只有客戶的方案具有競爭力，才可以使行業(yè)具有競爭力，從而不斷去推動市場發(fā)展?！?/p>

可持續(xù)發(fā)展的理念如今已深入人心，無論是技術(shù)創(chuàng)新還是市場容量都正在迅速崛起，Eric也因此變得越來越忙碌。從農(nóng)村到城市，從民居到工業(yè)園區(qū)，隨著藍(lán)色屋頂一排排地搭建起來，印證了越來越多的光伏在發(fā)揮作用。此時他更加堅信這份工作有著更深遠(yuǎn)的價值，并且已經(jīng)和TI的愿景相一致。那就是通過TI的產(chǎn)品與服務(wù)，幫助可再生能源產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，助力可持續(xù)發(fā)展的新征程，從而為所有人創(chuàng)造一個更清潔、更可持續(xù)的未來。