光伏逆變器的隔離需求及實現

　　隔離型ADC集成了一個16位二階Σ-Δ調制器和基于微變壓器的數字隔離功能，能夠實現3.75kV的隔離，是分流電流檢測的理想之選。電流變壓器也可用于電流檢測，但它們價格昂貴、體積龐大，而且可能對外部磁場非常敏感。也可以使用霍爾器件，但它們在非線性度和失調方面先天不足，這會影響到電流測量值的精度。將分流與集成隔離型ADC結合可提供一種可靠的低成本方案。隔離型ADC在電網一端也需要隔離的電源以驅動自己，同時，可以集成基于微變壓器的隔離式DC-DC轉換器，從而免除使用分立式DC-DC轉換器的諸多麻煩。當需要PLC通信時，電網端的PLC芯片可以由隔離式DC-DC來驅動，而其與電池板一端控制器的通信則通過一個多通道隔離器來實現。

　　基于微變壓器的隔離方法也可與高電流輸出柵極驅動器集成，以構成全隔離半橋柵極驅動器。圖4所示為一個并網PV逆變器的柵極驅動方案的實例。對于原邊的DC-AC全橋開關，通常無需為低壓側柵極驅動器（尤其是低功耗逆變器）設置隔離。對于兩個高壓側開關，具有4A驅動能力的2通道1kV隔離式驅動器就能勝任工作。逆變器開關位于交流端，因此，低壓側和高壓側都需要隔離式柵極驅動器。

　　圖4：三級PV逆變器的柵極驅動器實現方案。

　　要使直流端的微控制器與交流端的逆變器直接通信，通常需要2.5kV或5kV的隔離式柵極驅動器。低壓側柵極驅動器可以由集成的DC-DC驅動（其動力來自電池板一端），而高壓側電源則可通過自舉方案來提供。

　　每個半橋柵極驅動器均由三向隔離構成，即輸入與輸出之間存在隔離，兩個輸出之間也有隔離。輸入到輸出的隔離通過片上變壓器提供。圖5a是1kV柵極驅動器的變壓器結構，圖5（b）是5kV柵極驅動器的變壓器結構。1kV半橋柵極驅動器用三裸片單封裝實現，包括一塊輸入芯片和兩塊相同的柵極驅動器芯片。

　　如圖5（a）所示兩個1kV變壓器在輸入芯片上實現，每個柵極驅動器輸出端各一個。輸入與底部線圈相連，底部線圈與頂部線圈之間由2.64μm厚的氧化物隔離，而頂部線圈相互之間則通過橫向氧化物來實現隔離。這兩個柵極驅動器芯片位于其相互分離的底盤上，并通過芯片間焊線與輸入芯片處的頂部線圈相連。5kV柵極驅動器實現方法與此相似，只是頂部線圈與底部線圈之間是通過20mm厚的聚酰亞胺材料進行隔離的。

　　圖5：變壓器結構（a）1 kV柵極驅動器；（b）2.5kV柵極驅動器。

　　對于多逆變器并聯系統（如串式逆變器），逆變器之間也需要通信，這一般是通過RS-485總線、RS-232總線或者CAN總線（需要隔離時）實現的。自驅動隔離收發器將能夠從電池板端獲得總線端所需的電源。

　　微逆變器也開始受到人們的青睞，因為它們有助于提升系統的可靠性和性能。它們還有利于解決串式逆變器存在的潛在直流電弧問題。微逆變器一般安裝在樓頂電池板的下方，這種條件下的環境溫度可能非常高。高溫會加快光耦合器中LED性能的下降；另一方面，基于微變壓器的隔離方法，其性能不會隨時間而下降，在這些極端條件下表現卓越。微逆變器可以使用單級逆變器來取代全三級逆變器，以降低系統成本。每個微逆變器的功耗可能僅僅只有兩三百瓦，在這一功耗水平下，隔離集成方法為降低系統成本、提升系統可靠性帶來了許多系統集成的可能性。

　　本文小結

　　基于微變壓器的隔離集成方法是滿足并網PV逆變器、中央逆變器或微逆變器的隔離需求的理想解決方案。其集成式信號和電源隔離能力可以大幅減少元件數量，提高系統可靠性和使用壽命，同時，其精密的柵極驅動時序特性則可能進一步提高逆變器的效率。利用基于微變壓器的隔離型ADC，可以對電網電流和電壓進行更加準確的測量，最終給電網帶來高品質的單位功率因數正弦電流。