隨著越來越多的工程師致力于光伏解決方案，我們的B-G474E-DPOW1 探索套件及其STM32G474可以幫助他們設(shè)計(jì)更好的太陽能逆變器。就像STM32F334一樣，這款 MCU 集成了高分辨率定時(shí)器以提供更嚴(yán)格的電壓調(diào)節(jié)。光伏系統(tǒng)利用太陽能并將其轉(zhuǎn)化為可用電能。它們基于三個(gè)主要要素：發(fā)電 （1）、電力負(fù)荷 （2） 和系統(tǒng)或 BOS 的平衡 （3）。發(fā)電是太陽能電池板陣列，其中光子敲除自由電子以產(chǎn)生直流電。電源負(fù)載是為家庭、工廠等設(shè)備供電的交流電。BOS是位于太陽能電池板和負(fù)載之間的基礎(chǔ)設(shè)施。它包括接線、電池組、電池充電器，以及其他將成為這篇博文中心的電源轉(zhuǎn)換器。

光伏轉(zhuǎn)換器：如何應(yīng)對眾多挑戰(zhàn)？

太陽能轉(zhuǎn)換器是任何光伏系統(tǒng)的核心，但它們的設(shè)計(jì)也特別具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗鼈儽仨毘惺軜O端條件。最明顯的風(fēng)險(xiǎn)是過熱，因?yàn)樗⒉豢偸强梢员Ｗo(hù)它免受高溫影響。同樣，由于逆變器經(jīng)常在戶外，它們應(yīng)該與高濕度和寒冷環(huán)境兼容。它們還必須處理顯著的電壓變化。由于多排太陽能電池板試圖捕捉陽光，它們不會(huì)都有相同的曝光，曝光也不會(huì)是恒定的。高效的電源轉(zhuǎn)換器是一種無論天氣或一天中的時(shí)間如何都能產(chǎn)生盡可能少的能量損失的電源轉(zhuǎn)換器。 最后，逆變器必須便宜，否則太陽能將永遠(yuǎn)無法滲透到主流市場并達(dá)到臨界規(guī)模。

最近，這些挑戰(zhàn)的解決方案以 MPPT 太陽能轉(zhuǎn)換器的形式出現(xiàn)。最大功率點(diǎn)跟蹤是一種通過連續(xù)跟蹤轉(zhuǎn)換器的輸入功率來最大化太陽能電池板可以輸出的功率的技術(shù)。通過調(diào)整其輸入特性（阻抗），面板保持在峰值功率工作點(diǎn)，無論太陽輻射水平或面板溫度如何。簡而言之，由于太陽能電池的輸出特性不是線性的，因此 MPPT 逆變器會(huì)監(jiān)控發(fā)電量，并在算法的幫助下改變其行為以從太陽能電池板中提取盡可能多的電力。 為了實(shí)現(xiàn)各種 MPPT 策略以最大限度地提高功率負(fù)載，太陽能轉(zhuǎn)換器必須使用能夠適應(yīng)這些變化的靈活設(shè)備，例如搭載高分辨率定時(shí)器 （HRTIM1） 的 STM32F334 或 STM32G474 MCU。

光伏轉(zhuǎn)換器：高分辨率定時(shí)器有什么好處？

模擬轉(zhuǎn)換器往往徘徊在 100 kHz 左右，這限制了轉(zhuǎn)換器的緊湊性，因?yàn)檩^低的開關(guān)頻率意味著更大的無源元件，如磁性元件和電容器。因此，工程師轉(zhuǎn)向微控制器，但這些數(shù)字設(shè)備仍然需要高分辨率定時(shí)器。在以 100 MHz 運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn) MCU 中，生成 1 MHz 脈沖寬度調(diào)制意味著每個(gè) PWM 步驟將花費(fèi) 10 納秒。STM32G474 使用分辨率為 184 皮秒的計(jì)時(shí)器，對應(yīng)于大約 5 GHz 的頻率，從而將整體精度提高了 50 倍，而 STM32F334 緊隨其后，為 217 皮秒。 這種性能允許更嚴(yán)格地控??制輸出電壓和電流，以及對負(fù)載瞬態(tài)的更好響應(yīng)。簡而言之，高分辨率定時(shí)器提供了 MPPT 轉(zhuǎn)換器所需的靈活性。

高分辨率定時(shí)器提供的余量允許使用更具成本效益的無源元件，例如具有較低電感的繞組。事實(shí)上，性能的提高顯著降低了開關(guān)損耗。因此，設(shè)計(jì)人員可以選擇余量較小的部件，因?yàn)殡妷夯螂娏鞯淖兓瘯?huì)更小。同樣，他們也可以使用性價(jià)比更高的陶瓷電容。 工程師傳統(tǒng)上需要在太陽能逆變器中使用電解電容器。然而，BOS 必須在非常高的溫度下工作，并且獲得與這種環(huán)境兼容的電解電容器的成本很高。此外，由于老化導(dǎo)致的泄漏通常會(huì)危及整個(gè)系統(tǒng)并迫使公司更換整個(gè)逆變器。高分辨率定時(shí)器允許使用陶瓷電容器，從而繞過所有這些問題，并可以顯著降低初始和維護(hù)成本。

期待 LLC 諧振拓?fù)渲械?SiC 和 GAN

具有高分辨率定時(shí)器的 MCU 的優(yōu)勢還遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出 MPPT 太陽能轉(zhuǎn)換器，有利于其他 LLC 諧振拓?fù)洌@些拓?fù)洮F(xiàn)在在消費(fèi)電子、工業(yè)應(yīng)用、服務(wù)器群等的電源中很流行。通過使用一個(gè)電感 （L） 和一個(gè)電容器 （C），可以在略低于開關(guān)頻率的情況下產(chǎn)生諧振，從而實(shí)現(xiàn)零電壓或接近零電壓的開關(guān)，從而顯著降低損耗。開關(guān)晶體管易受損耗影響，但如果在電壓為零或接近時(shí)進(jìn)行開關(guān)，則損耗變得微不足道。因此，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)極大地受益于數(shù)字控制器，可以快速響應(yīng)負(fù)載變化。

此外，許多人正在關(guān)注碳化硅設(shè)備的出現(xiàn)，并想知道他們將如何驅(qū)動(dòng)這些設(shè)備。他們提供了出色的表現(xiàn)，但常規(guī)計(jì)時(shí)器是不夠的。答案是 STM32F334 和 STM32G474 的高分辨率定時(shí)器，它們不僅支持更精確的 LLC 拓?fù)?，而且支持更現(xiàn)代的 SiC 甚至氮化鎵 （GAN） 器件系統(tǒng)。公司往往會(huì)忽略這一事實(shí)，因?yàn)槟壳斑€沒有多少人登上 SiC 或 GAN 列車，但這意味著他們現(xiàn)在可以開始認(rèn)證這些 MCU，并在未來幾年使用它們，因?yàn)樗麄冎浪鼈円呀?jīng)有能力迎接電子領(lǐng)域的下一個(gè)突破。

如何構(gòu)建數(shù)字 MPPT 太陽能轉(zhuǎn)換器

為了幫助工程師設(shè)計(jì)他們的數(shù)字 MPPT 太陽能轉(zhuǎn)換器，我們在社區(qū)平臺上發(fā)布了設(shè)計(jì)文件 （Altium）、制造文件和要導(dǎo)入 STM32CubeMX 的軟件項(xiàng)目。他們將在解決該系統(tǒng)中一些最具挑戰(zhàn)性的方面大有幫助，并且可以作為希望開發(fā)逆變器的團(tuán)隊(duì)的一個(gè)很好的起點(diǎn)或測試平臺。它還展示了高分辨率定時(shí)器如何確保使用更小、更可靠的組件來實(shí)現(xiàn)緊湊的設(shè)計(jì)，并在寬功率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn) 90% 以上的效率。該轉(zhuǎn)換器的工作頻率為 1 MHz，并使用 STM32F334 的 HRTIM1 高分辨率定時(shí)器，但鑒于該項(xiàng)目的開源性質(zhì)，任何人都可以對其進(jìn)行更新以使用 STM32G474。

審核編輯：郭婷