讓太陽能逆變器比太陽更可靠

在炎炎夏日，我通常和大多數人一樣會躲在空調房里避暑。再之后，隨著天氣變得涼爽起來，我會打開窗戶吹著自然風，在那時我就會收到夏季的電費賬單，然后我就會問自己空調帶來的短暫舒適感是否真的值得。

空調只能在對抗炎熱天氣的過程中取得得不償失的勝利。作為一名工程師，我認為這是一個需要解決的問題。我的解決方案很簡單：如果你無法徹底取代它們，那就好好利用它的光與熱。因此，與其消耗大量昂貴的公用電，我們倒不如用屋頂上的太陽能電池板為空調提供動力。幸運的是，我并不是第一個想到這一點的人，而且太陽能的成本幾乎與傳統能源持平，每個人都能享受太陽能帶來的好處。

雖然人們將大部分的關注點都投向了光伏面板，但太陽能發電生態系統的其他部分也不容忽視，比如，電力電子技術。但這也只是一個關鍵方面而已。光伏面板產生的是直流電壓，但電力傳輸和配電系統卻處于交流電狀態，因此需要電源逆變器。

為實現太陽能發電系統的成本目標，美國能源部提出了以下要求作為“Sunshot Initiative”的一部分：

·轉換效率大于98%

·使用壽命大于25年

·功率密度>100W/in3

·系統成本<$ 0.10/W（公用設施）； <$ 0.125/W（商業）；<$ 0.15/w（住宅）（包括電力電子設備的壽命周期成本，包括其使用壽命內的初始資本成本和運維（O&M）成本）

 “Sunshot Initiative”的目標是非常雄偉的，而要滿足這些目標不僅需要核心的優化，還需要仔細考慮各個部分。精心設計可能導致對隔離邊界帶來巨大影響。逆變器在低壓直流和危險的高壓交流之間的連接需要電流隔離，這可能導致電源場效應晶體管（FET）或絕緣柵雙極晶體管（IGBT）位于產生柵極信號的控制器隔離柵的相反側。增強型隔離柵極驅動器（如德州儀器的UCC21520）非常不錯，因為它們結合了多種功能，能夠將信號傳遞到隔離邊界，并從數個設備到一個設備將邏輯門信號轉換為實際的柵極驅動。增強型隔離柵極驅動器是串聯逆變器的理想解決方案，其最大輸出功率范圍為500W至10kW。

UCC21520通過在高側和低側之間實現傳播延遲和延遲匹配的領先性能，改善了這些集成優勢。因為它更快地導通且減少了所需的死區時間，即較高損耗的體二極管導通時的死區時間，所以減少了與開關相關的損耗。這些參數也較少依賴于VDD，因此您可以放寬系統其余部分的電壓容差設計余量，如圖1中的基準數據所示。圖1還強調了UCC21520在VDD上的線性性能比競品的性能要高得多。

圖1：德州儀器（TI）的UCC21520傳播上升/下降延遲相較于VDD和競品而言

微逆變器是一種快速發展的架構，可將單個PV模塊的電能轉換為交流電網，通常設計用于180-300W范圍的最大輸出功率。通過分配反轉過程，太陽能電池陣列可適用更復雜的屋頂，且能夠安裝更小的陣列，這些陣列通常不會達到串逆變器的輸入電壓。德州儀器的基本隔離柵極驅動器UCC21220為基本隔離足夠的太陽能應用提供了替代方案。它采用第二代電容隔離技術，通過縮小芯片尺寸來降低成本，不僅有助于降低PCB空間和系統成本，還可保持傳播延遲和延遲匹配的領先性能。

另一個需要穿過隔離邊界的器件是輔助電源。不管AC公用設施/負載或光伏面板的狀態如何，要確保太陽能逆變器能夠“智能”且持續地運行，都需要隔離電源為逆變器提供偏置電源。由于這個步驟需要跨越隔離邊界，因此它也需要跨越它的組件。初級側調節（PSR），其輸出由相對于初級側控制器而非光耦合器接地的輔助繞組調節，是降低元件和成本的好方法。PSR還具有增加使用壽命的額外好處，因為它消除了浪涌電壓期間難處理的故障點。初級側反激式控制器，如UCC28700，通過采用最少的外部電路實現高級算法，最大限度地提高了控制方案的性能和效率。UCC28910 通過將700V功率FET和控制器集成到單個設備中，擴展了這些優勢，進一步減小了偏置電源的大小。

德州儀器的解決方案可幫助制造經濟實惠且性能可靠的太陽能，使其足以在炎熱的天氣里為空調提供動力。