在“雙碳”目標(biāo)推動(dòng)下，分布式光伏因靈活部署優(yōu)勢(shì)成為能源轉(zhuǎn)型的重要載體。作為光伏組件直流轉(zhuǎn)交流的核心設(shè)備，微型逆變器憑借組件級(jí)精準(zhǔn)控制，有效解決傳統(tǒng)組串式方案的失配損耗與安全問(wèn)題，在戶(hù)用及光伏建筑一體化（BIPV）場(chǎng)景中價(jià)值凸顯。隨著行業(yè)對(duì)高集成度、高效率及低成本的需求升級(jí)，單級(jí)式架構(gòu)以極簡(jiǎn)設(shè)計(jì)與高效能優(yōu)勢(shì)，正引領(lǐng)微型逆變器技術(shù)變革。

兆易創(chuàng)新深耕半導(dǎo)體領(lǐng)域，根據(jù)光伏行業(yè)熱點(diǎn)，正式推出基于高性能GD32G553 MCU的單級(jí)微型逆變器方案，該方案采用一拖一架構(gòu)，具備高效率、低損耗、高集成度及成本優(yōu)化等優(yōu)勢(shì)，可滿(mǎn)足用戶(hù)在分布式光伏系統(tǒng)中對(duì)智能運(yùn)維、系統(tǒng)可靠等多方面的應(yīng)用需求，助力光伏微逆解決方案向更加智能化、集成化、低碳化方向發(fā)展。

兆易創(chuàng)新500W單級(jí)型光伏微型逆變器方案

在單級(jí)架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新

作為直接集成于單塊或少量光伏組件背部的能量轉(zhuǎn)換裝置，微型逆變器的核心技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于其獨(dú)有的組件級(jí)最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）功能。該特性使其能夠在組件間性能差異或局部陰影遮擋場(chǎng)景下，通過(guò)獨(dú)立優(yōu)化每塊組件的功率輸出，最大化系統(tǒng)發(fā)電量。目前，在戶(hù)用分布式光伏系統(tǒng)、光伏建筑一體化（BIPV）等對(duì)靈活性和安全性要求較高的場(chǎng)景中得到廣泛應(yīng)用。

根據(jù)電路結(jié)構(gòu)的不同，微型逆變器主要分為兩級(jí)式和單級(jí)式兩種架構(gòu)。與傳統(tǒng)兩級(jí)式架構(gòu)相比，單級(jí)式架構(gòu)憑借其更高的能量轉(zhuǎn)換效率、更簡(jiǎn)潔的BOM以及更低的制造成本，成為行業(yè)技術(shù)演進(jìn)的主要方向。兆易創(chuàng)新推出的500W單級(jí)微型逆變器解決方案，采用基于GD32G5系列MCU與納微半導(dǎo)體雙向GaNFast氮化鎵功率芯片的單級(jí)一拖一架構(gòu)，集中體現(xiàn)了該技術(shù)方向的核心優(yōu)勢(shì)。

單級(jí)式微逆與兩級(jí)式微逆架構(gòu)對(duì)比

單級(jí)架構(gòu)通過(guò)省去一級(jí)直流-直流變換環(huán)節(jié)，在簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)效率提升。值得注意的是，該架構(gòu)在實(shí)現(xiàn)微逆核心功能的基礎(chǔ)上，同樣支持無(wú)功THD優(yōu)化及一拖n擴(kuò)展等，滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)景下的技術(shù)需求。

單級(jí)拓?fù)浼軜?gòu)主要由原邊全橋電路、變壓器、副邊半橋電路及EMI濾波電路構(gòu)成。通過(guò)原邊移相控制，與副邊移相控制的協(xié)同作用，調(diào)節(jié)變壓器漏感兩端的電壓，進(jìn)而控制漏感電流的大小，實(shí)現(xiàn)高效的功率傳輸控制。為滿(mǎn)足微型逆變器應(yīng)用中的寬電壓增益和功率傳輸比的需求，單一的調(diào)制模式難以兼顧功率傳輸范圍與效率優(yōu)化的雙重目標(biāo)。而混合調(diào)制模式通過(guò)軟開(kāi)關(guān)及功率傳輸?shù)臈l件，動(dòng)態(tài)切換調(diào)制模式，在保證給定功率傳輸目標(biāo)的同時(shí)，有效降低回流功率，并拓展軟開(kāi)關(guān)范圍，從而滿(mǎn)足高效率能量傳輸與高質(zhì)量并網(wǎng)的要求。

在技術(shù)實(shí)現(xiàn)層面，移相控制過(guò)程中很容易出現(xiàn)丟波、連波等問(wèn)題。而兆易創(chuàng)新GD32G553 MCU憑借高精度及高靈活性的高精度定時(shí)器（HRTIMER）外設(shè)，通過(guò)載波之間的移相計(jì)數(shù)復(fù)位及同步更新等功能，為上述問(wèn)題提供了完善的解決方案。同時(shí)，GD32G553 MCU有著強(qiáng)大的算力，靈活的PWM發(fā)波機(jī)制及豐富的模擬外設(shè)資源，滿(mǎn)足了單級(jí)微逆在發(fā)波、采樣及環(huán)路控制中的嚴(yán)苛需求，確保單級(jí)微逆在復(fù)雜工況下的穩(wěn)定運(yùn)行。

全鏈路控制架構(gòu)與系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)

兆易創(chuàng)新500W單級(jí)微逆控制方案

在系統(tǒng)控制架構(gòu)中，GD32G553 MCU作為核心控制單元，承擔(dān)PWM生成、信號(hào)采樣及環(huán)路控制等功能。副邊功率轉(zhuǎn)換部分采用了納微雙向BDS GaN功率器件。整個(gè)控制環(huán)路如下：首先通過(guò)最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）算法計(jì)算出PV電壓參考值，經(jīng)電壓環(huán)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)PV電壓參考值的動(dòng)態(tài)跟蹤；電壓環(huán)計(jì)算得到的結(jié)果，與SOGI PLL鎖相環(huán)提取到的電網(wǎng)電壓相位信息以及給定無(wú)功相角信息相結(jié)合，給前饋控制器及電流環(huán)控制器提供電流參考。最終，計(jì)算出原邊移相控制量與副邊移相控制量，并通過(guò)高精度定時(shí)器模塊，轉(zhuǎn)化為實(shí)際驅(qū)動(dòng)脈沖，實(shí)現(xiàn)對(duì)功率電路的精準(zhǔn)調(diào)控。

控制算法在MCU實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，主要由鎖相環(huán)、前饋補(bǔ)償、閉環(huán)控制及移相轉(zhuǎn)換四部分組成，對(duì)這幾個(gè)部分進(jìn)行了執(zhí)行時(shí)間的測(cè)試，結(jié)果表明GD32G553控制器展現(xiàn)出了良好的算力性能。

GD32G553系列MCU與納微雙向BDS GaN功率器件性能指標(biāo)

通過(guò)系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化，整個(gè)方案有著高效率、高質(zhì)量并網(wǎng)以及高集成度的特點(diǎn)：在100kHz開(kāi)關(guān)頻率下，實(shí)現(xiàn)了97.5%的峰值效率和97%的CEC加權(quán)效率，MPPT效率為99.9%；500W條件下，THD為3.2%，PF為0.999。

首先，在高效率與低損耗方面。所有開(kāi)關(guān)管均可實(shí)現(xiàn)ZVS，顯著降低開(kāi)關(guān)損耗；通過(guò)優(yōu)化的混合調(diào)制策略，拓寬了軟開(kāi)關(guān)范圍；降低回流功率和變壓器電流有效值，減少了導(dǎo)通損耗；同時(shí)使用納微BDS GaN減少開(kāi)關(guān)損耗。

其次，在高質(zhì)量并網(wǎng)方面。該方案的前饋控制能夠提高功率響應(yīng)速度，加強(qiáng)對(duì)電網(wǎng)電壓的跟蹤效果；閉環(huán)Q-PR控制可無(wú)靜差跟蹤交流信號(hào)，提高并網(wǎng)電流質(zhì)量。同時(shí)，通過(guò)原邊副邊移相控制量之間的協(xié)同調(diào)整，實(shí)現(xiàn)模式間無(wú)擾切換，從而平滑變壓器電流及并網(wǎng)電流。

最后，在高集成度與成本優(yōu)化方面。方案采用了單個(gè)集成電感的變壓器的磁集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了磁性元件體積的縮小，并采用雙向BDS GaN來(lái)滿(mǎn)足對(duì)交流側(cè)雙向開(kāi)關(guān)的需求，進(jìn)一步縮小了尺寸，降低方案的整體BOM成本。

打造豐富的產(chǎn)品矩陣，建設(shè)高質(zhì)量生態(tài)圈

高性能GD32 MCU在數(shù)字能源領(lǐng)域的應(yīng)用

在新能源控制領(lǐng)域，兆易創(chuàng)新構(gòu)建了覆蓋全場(chǎng)景的MCU產(chǎn)品矩陣，廣泛應(yīng)用于光伏關(guān)斷器、優(yōu)化器、AI拉弧檢測(cè)、儲(chǔ)能ESS系統(tǒng)、BMS、逆變器、HMI通訊監(jiān)控等產(chǎn)品應(yīng)用。在拉弧檢測(cè)、優(yōu)化器、Bi DC-DC、工商儲(chǔ)BMS等部分，兆易創(chuàng)新還提供了完整的方案供客戶(hù)直接使用或者二次開(kāi)發(fā)，能大幅減少研發(fā)周期。在功率控制方面，兆易創(chuàng)新分別有600Mhz高主頻的GD32H7系列以及216MHz的GD32G5系列MCU供客戶(hù)選擇。

本方案中采用的GD32G553屬于兆易創(chuàng)新的GD32G5系列MCU。該系列有著出色的算力，采用Arm? Cortex?-M33內(nèi)核，主頻高達(dá)216MHz，內(nèi)置單精度浮點(diǎn)單元（FPU），以及硬件三角函數(shù)加速器（TMU）和其他多種硬件加速單元。這些特性大幅提升了數(shù)據(jù)處理速度和復(fù)雜運(yùn)算能力。同時(shí)，GD32G5系列MCU能支持最多16個(gè)Channel的高精度PWM輸出，分辨率高達(dá)145ps?？芍С肿冋伎毡?、變頻、移相等發(fā)波方式。

除了算力及發(fā)波控制方面的優(yōu)勢(shì)以外，GD32G553還支持4個(gè)12位ADC模塊，采樣速率高達(dá)5.3MSPS，最多可支持高達(dá)42個(gè)采樣通道，能夠高效地采集和處理多種傳感器的信號(hào)。同時(shí)，GD32G553配備了8個(gè)CMP（片上比較器），具有快速響應(yīng)及靈活配置等特點(diǎn)，其輸出信號(hào)可以?xún)?nèi)部直連至HRTIMER中，實(shí)現(xiàn)對(duì)PWM的封鎖或切換。

除了打造表現(xiàn)優(yōu)異的產(chǎn)品外，兆易創(chuàng)新還加強(qiáng)生態(tài)建設(shè)。兆易創(chuàng)新與納微半導(dǎo)體共建聯(lián)合研發(fā)實(shí)驗(yàn)室通過(guò)將兆易創(chuàng)新高算力MCU和納微半導(dǎo)體的高頻、高效GaN技術(shù)進(jìn)行整合，打造出智能、高效的數(shù)字電源產(chǎn)品，為客戶(hù)帶來(lái)更多方案選擇。同時(shí)，配合兆易創(chuàng)新的全產(chǎn)業(yè)鏈的生態(tài)與納微對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用的深刻理解，加速在A(yíng)I數(shù)據(jù)中心、光伏逆變器、儲(chǔ)能系統(tǒng)、充電樁、電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域的布局。

審核編輯 黃宇