基于处理器的微型逆变器设计方案

作者：Stephen Evanczuk

微型逆变器通过在单个面板级别管理太阳能收集，而不是像中央逆变器那样在整个装置中管理太阳能收集，从而帮助提高太阳能装置的效率。然而，在过去，确保太阳能收集过程中最大功率输出所需的复杂控制机制增加了成本并限制了微型逆变器的接受度。虽然复杂且具有成本效益的 IC 和基于处理器的解决方案处理微型逆变器设计的逻辑控制方面，但各种电压控制器和稳压器提供了互补的解决方案，用于从太阳能电池板直流输出发电。

在典型的微型逆变器设计中，数字逻辑控制器或 MCU 执行最大功率点跟踪 （MPPT） 算法，旨在确保面板的最佳输出。在这个过程中，这些逻辑器件监控和调整电源转换路径，以产生具有电网要求特性的交流电压。在这个功率转换路径中，DC/DC 转换器的性能特性在确定功率转换和输出的整体效率方面发挥着核心作用。对于工程师而言，在某些情况下，有效的转换器解决方案可以利用集成 DC/DC 转换器，但这些设计通常建立在能够驱动所需栅极的电压控制器上，以处理大多数微型逆变器所需的更高电压和电流。

在功能能力方面，微型逆变器是由太阳能电池板输出驱动的 DC/AC 电源，依靠熟悉的电压转换器拓扑来最大限度地提高电源转换效率。对于微型逆变器设计，正激和反激式转换器仍然是 DC/DC 转换最常用的拓扑结构，其采用可控硅整流器 （SCR） 或 MOSFET 全桥，用于在所需电网频率下产生交流波形（图 1）。

图 1：在简单的微型逆变器设计中，交错式有源钳位反激式逆变器可以提升来自太阳能电池板的低压直流电，以提供电网所需的高压交流电波形。（由微芯科技提供）

与电源设计一样，微型逆变器设计需要多种设计技术来提高效率和可靠性。使用交错式反激拓扑有助于通过降低通过它们的纹波电流 RMS 来延长这些设计中通常使用的输入大容量电解电容器的使用寿命。此外，这种方法提供的减小的输出电流纹波会导致低输出电流 THD。此外，有源钳位技术的应用可以实现更高的最大占空比，从而允许使用更高的匝数比，这可以显着降低初级侧的电流应力和次级侧的电压应力。

为确保最大能量输出，转换器必须能够响应微型逆变器控制逻辑，该逻辑旨在使转换器电压和电流尽可能接近其 MPPT 算法产生的理想特性。更重要的是，连接到电网的微型逆变器需要能够在电源故障期间将自己与电网断开连接。反过来，这些故障保护功能要求电源转换器至少具有过压和欠压检测能力。

综合解决方案

制造商提供了许多旨在满足微型逆变器要求的集成解决方案。单芯片桥控制器和 DC/DC 转换器提供了实现即使是最复杂的电源转换路径所需的功能，该路径可最大限度地提高功率密度，同时最大限度地减少组件数量。事实上，设计人员可以找到专门用于太阳能电池板能量收集的控制器，例如Intersil ISL1801和Texas Instruments SM72295 。

Intersil ISL1801 能够支持降压、升压或降压-升压拓扑，集成了所需的偏置稳压器、栅极驱动器、电流检测放大器和比较器，以及一对开关稳压器，用于为微型逆变器设计中的其他设备供电。德州仪器 SM72295 同样为太阳能转换应用提供了完整的片上电路。除了用于电流检测的跨导放大器外，SM72295 还集成了四个独立的 3 A MOSFET 栅极驱动器，具有信号调理、滤波、电源良好和过压检测功能（图 2）。

图 2：设计人员可以使用德州仪器 SM72295 等开关控制器来实现能够处理太阳能电池板功率输出的高效 DC/DC 转换器。（德州仪器提供）

虽然不是专门针对太阳能转换，但各种开关控制器作为有吸引力的替代品，每一种都提供能够满足单个微型逆变器设计的特殊要求的功能。例如，Microchip Technology 的MCP1630V脉宽调制器（PWM） 设计用于与还可以执行 MPPT 并进行整体控制的 MCU 轻松集成。借助该器件，设计人员可以使用 MCU IO 引脚来控制 MCP1630V 的工作特性，包括开关频率和占空比，从而形成一个高度灵活的电源系统，能够根据需要进行调整以优化性能。

其他控制器（例如ON Semiconductor NCP1562）具有专门的功能，例如一对能够驱动功率转换级内不同功能的同相输出。例如，主输出可以驱动正向转换器初级 MOSFET，而次级输出可以驱动有源钳位电路 MOSFET。除了过压和欠压检测外，NCP1562 还提供额外的保护功能，例如在检测到严重故障时关闭转换器的“软停止”电路。

虽然控制器适用于高电压、大电流应用，但一些微型逆变器应用可以利用集成电源管理 IC （PMIC），提供完整的 DC/DC 转换器解决方案，而无需额外的组件。例如，Maxim Integrated的 MAX5033降压转换器满足了对功率敏感的微型逆变器应用的需求，在空载时仅消耗 270 µA 的静态电流。在重负载工作期间，MAX5033 以固定的 125 kHz 开关频率工作，并自动切换到脉冲跳跃模式，以在轻负载时提供低静态电流和高效率。

微型逆变器设计人员还可以利用其他 PMIC，例如STMicroelectronics SPV1020升压转换器（图 3）和 Texas Instruments SM72485 SolarMagic 降压转换器，专为太阳能收集而设计。除了集成 MPPT 和故障控制器，STMicroelectronics SPV1020 还集成了用于有源开关和同步整流器的功率 MOSFET，从而减少了实现太阳能转换 DC/DC 转换器所需的外部设备数量。

图 3：STMicroelectronics SPV1020 DC/DC 转换器专为太阳能收集而设计，将其集成电源转换功能与片上 MPPT 和故障控制器相结合。（意法半导体提供）

德州仪器 SM72485 集成了实现具有成本效益的降压 DC/DC 稳压器所需的一整套功能。SM72485 使用不需要环路补偿的控制方案，并通过强制关断时间限制电流。在这里，该器件监控输出电压，当电压低于其内部基准电压时，将打开其集成的 100 V N 沟道降压开关，并持续一段由线路电压和外部编程电阻决定的固定时间。

结论

微型逆变器设计带来了对控制、功率转换和效率的要求，这些要求在过去限制了它们的广泛接受。然而，随着集成解决方案的出现，设计人员可以利用各种合适的设备。虽然专用处理器提供微型逆变器所需的高级控制功能和 MPPT 功能，但功率转换级的设计需要设备具有安全高效地向电网供电所需的性能特征和功能。通过利用多种可用的集成开关控制器和 PMIC，工程师可以在微型逆变器设计中创建高效、具有成本效益的电源转换级。