技术文章—让太阳能逆变器比太阳更可靠

在炎炎夏日，我通常和大多数人一样会躲在空调房里避暑。再之后，随着天气变得凉爽起来，我会打开窗户吹着自然风，在那时我就会收到夏季的电费账单，然后我就会问自己空调带来的短暂舒适感是否真的值得。

空调只能在对抗炎热天气的过程中取得得不偿失的胜利。作为一名工程师，我认为这是一个需要解决的问题。我的解决方案很简单：如果你无法彻底取代它们，那就好好利用它的光与热。因此，与其消耗大量昂贵的公用电，我们倒不如用屋顶上的太阳能电池板为空调提供动力。幸运的是，我并不是第一个想到这一点的人，而且太阳能的成本几乎与传统能源持平，每个人都能享受太阳能带来的好处。

虽然人们将大部分的关注点都投向了光伏面板，但太阳能发电生态系统的其他部分也不容忽视，比如，电力电子技术。但这也只是一个关键方面而已。光伏面板产生的是直流电压，但电力传输和配电系统却处于交流电状态，因此需要电源逆变器。

为实现太阳能发电系统的成本目标，美国能源部提出了以下要求作为“Sunshot Initiative”的一部分：

• 转换效率大于98%

• 使用寿命大于25年

• 功率密度>100W/in3

• 系统成本<$ 0.10/W（公用设施）； <$ 0.125/W（商业）；<$ 0.15/w（住宅）（包括电力电子设备的寿命周期成本，包括其使用寿命内的初始资本成本和运维（O&M）成本）

 “Sunshot Initiative”的目标是非常雄伟的，而要满足这些目标不仅需要核心的优化，还需要仔细考虑各个部分。精心设计可能导致对隔离边界带来巨大影响。逆变器在低压直流和危险的高压交流之间的连接需要电流隔离，这可能导致电源场效应晶体管（FET）或绝缘栅双极晶体管（IGBT）位于产生栅极信号的控制器隔离栅的相反侧。增强型隔离栅极驱动器（如德州仪器的UCC21520）非常不错，因为它们结合了多种功能，能够将信号传递到隔离边界，并从数个设备到一个设备将逻辑门信号转换为实际的栅极驱动。增强型隔离栅极驱动器是串联逆变器的理想解决方案，其最大输出功率范围为500W至10kW。

UCC21520通过在高侧和低侧之间实现传播延迟和延迟匹配的领先性能，改善了这些集成优势。因为它更快地导通且减少了所需的死区时间，即较高损耗的体二极管导通时的死区时间，所以减少了与开关相关的损耗。这些参数也较少依赖于VDD，因此您可以放宽系统其余部分的电压容差设计余量，如图1中的基准数据所示。图1还强调了UCC21520在VDD上的线性性能比竞品的性能要高得多。

图1：德州仪器（TI）的UCC21520传播上升/下降延迟相较于VDD和竞品而言

微逆变器是一种快速发展的架构，可将单个PV模块的电能转换为交流电网，通常设计用于180-300W范围的最大输出功率。通过分配反转过程，太阳能电池阵列可适用更复杂的屋顶，且能够安装更小的阵列，这些阵列通常不会达到串逆变器的输入电压。德州仪器的基本隔离栅极驱动器UCC21220为基本隔离足够的太阳能应用提供了替代方案。它采用第二代电容隔离技术，通过缩小芯片尺寸来降低成本，不仅有助于降低PCB空间和系统成本，还可保持传播延迟和延迟匹配的领先性能。

另一个需要穿过隔离边界的器件是辅助电源。不管AC公用设施/负载或光伏面板的状态如何，要确保太阳能逆变器能够“智能”且持续地运行，都需要隔离电源为逆变器提供偏置电源。由于这个步骤需要跨越隔离边界，因此它也需要跨越它的组件。初级侧调节（PSR），其输出由相对于初级侧控制器而非光耦合器接地的辅助绕组调节，是降低元件和成本的好方法。PSR还具有增加使用寿命的额外好处，因为它消除了浪涌电压期间难处理的故障点。初级侧反激式控制器，如UCC28700，通过采用最少的外部电路实现高级算法，最大限度地提高了控制方案的性能和效率。UCC28910 通过将700V功率FET和控制器集成到单个设备中，扩展了这些优势，进一步减小了偏置电源的大小。

德州仪器的解决方案可帮助制造经济实惠且性能可靠的太阳能，使其足以在炎热的天气里为空调提供动力。