微型逆變器通過(guò)在單個(gè)面板層面管理太陽(yáng)能收集而不是像整個(gè)中央逆變器那樣在整個(gè)裝置中幫助提高太陽(yáng)能裝置的效率。然而，在過(guò)去，在太陽(yáng)能收集期間確保最大功率輸出所需的復(fù)雜控制機(jī)制增加了成本并且限制了微型逆變器的接受。雖然復(fù)雜且經(jīng)濟(jì)高效的IC和基于處理器的解決方案可處理微逆變器設(shè)計(jì)的邏輯控制方面，但各種電壓控制器和穩(wěn)壓器為太陽(yáng)能電池板直流輸出發(fā)電提供了補(bǔ)充解決方案。

在典型的微型逆變器設(shè)計(jì)中，數(shù)字邏輯控制器或MCU執(zhí)行最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）算法，旨在確保面板的最佳輸出。在此過(guò)程中，這些邏輯器件監(jiān)視和調(diào)整功率轉(zhuǎn)換路徑，以產(chǎn)生具有電網(wǎng)所需特性的AC電壓。在此功率轉(zhuǎn)換路徑中，DC/DC轉(zhuǎn)換器的性能特性在確定功率轉(zhuǎn)換和輸出的整體效率方面發(fā)揮著核心作用。對(duì)于工程師而言，有效的轉(zhuǎn)換器解決方案在某些情況下可以使用集成的DC/DC轉(zhuǎn)換器，但這些設(shè)計(jì)通常建立在電壓控制器上，能夠驅(qū)動(dòng)處理大多數(shù)微型逆變器所需的更高電壓和電流所需的門。

在功能方面，微型逆變器是由太陽(yáng)能電池板輸出驅(qū)動(dòng)的DC/AC電源，依靠熟悉的電壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)最大化電源轉(zhuǎn)換效率。對(duì)于微逆變器設(shè)計(jì)，正向和反激轉(zhuǎn)換器仍然是最常用的DC/DC轉(zhuǎn)換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中硅控整流器（SCR）或MOSFET全橋用于產(chǎn)生所需電網(wǎng)頻率的交流波形（圖1）。

圖1：在簡(jiǎn)單的微型逆變器設(shè)計(jì)中，交錯(cuò)式有源鉗位反激式逆變器可以提升太陽(yáng)能電池板的低壓直流電壓，電網(wǎng)所需的高壓交流波形。 （由Microchip Technology提供）

與電源設(shè)計(jì)一樣，微逆變器設(shè)計(jì)需要采用各種設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)提高效率和可靠性。使用交錯(cuò)反激式拓?fù)溆兄谕ㄟ^(guò)減少通過(guò)它們的紋波電流RMS來(lái)延長(zhǎng)這些設(shè)計(jì)中通常使用的輸入 - 體電解電容器的壽命。此外，采用這種方法提供的降低的輸出電流紋波導(dǎo)致低輸出電流THD。此外，有源鉗位技術(shù)的應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)更高的最大占空比，允許使用更高的匝數(shù)比，這可以顯著降低初級(jí)側(cè)的電流應(yīng)力和次級(jí)側(cè)的電壓應(yīng)力。

為了確保最大的能量輸出，轉(zhuǎn)換器必須能夠響應(yīng)微逆變器控制邏輯，該邏輯設(shè)計(jì)用于盡可能地保持轉(zhuǎn)換器電壓和電流，使其與MPPT算法產(chǎn)生的理想特性保持一致。更重要的是，連接到電網(wǎng)的微型逆變器需要能夠在電源故障期間斷開(kāi)自身與電網(wǎng)的連接。反過(guò)來(lái)，這些故障保護(hù)功能要求功率轉(zhuǎn)換器至少具有過(guò)壓和欠壓檢測(cè)功能。

集成解決方案

制造商提供了許多旨在滿足微逆變器要求的集成解決方案。單芯片橋接控制器和DC/DC轉(zhuǎn)換器提供了實(shí)現(xiàn)最復(fù)雜的電源轉(zhuǎn)換路徑所需的功能，可最大限度地提高功率密度，同時(shí)最大限度地減少元件數(shù)量。事實(shí)上，設(shè)計(jì)人員可以找到專門用于太陽(yáng)能電池板能量收集的Intersil ISL1801和Texas Instruments SM72295等控制器。

Intersil ISL1801能夠支持降壓，升壓或降壓 - 升壓拓?fù)?，集成了所需的偏置穩(wěn)壓器，柵極驅(qū)動(dòng)器，電流檢測(cè)放大器和比較器，以及一對(duì)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，可為其他器件供電在微逆變器設(shè)計(jì)中。德州儀器（TI）SM72295同樣為太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換應(yīng)用提供了完整的片上電路。除了用于電流檢測(cè)的跨導(dǎo)放大器外，SM72295還集成了四個(gè)獨(dú)立的3 A MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器，具有信號(hào)調(diào)理功能，以及濾波，電源良好和過(guò)壓檢測(cè)功能（圖2）。

圖2：設(shè)計(jì)人員可以使用開(kāi)關(guān)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)能夠處理太陽(yáng)能電池板功率輸出的高效DC/DC轉(zhuǎn)換器作為德州儀器SM72295。 （德州儀器公司提供）

雖然不是專門針對(duì)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換的目標(biāo)，但各種開(kāi)關(guān)控制器都是有吸引力的替代方案，每種都提供能夠滿足各個(gè)微逆變器設(shè)計(jì)的特殊要求的功能。例如，Microchip Technology MCP1630V脈沖寬度調(diào)制器（PWM）設(shè)計(jì)用于與可能同時(shí)執(zhí)行MPPT和執(zhí)行整體控制的MCU輕松集成。利用該器件，設(shè)計(jì)人員可以使用MCU IO引腳來(lái)控制MCP1630V的工作特性，包括開(kāi)關(guān)頻率和占空比，從而使高度靈活的電源系統(tǒng)能夠根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整以優(yōu)化性能。

安森美半導(dǎo)體NCP1562等其他控制器具有專用功能，例如一對(duì)能夠在功率轉(zhuǎn)換階段驅(qū)動(dòng)不同功能的同相輸出。例如，主輸出可以驅(qū)動(dòng)正激轉(zhuǎn)換器初級(jí)MOSFET，而次級(jí)輸出可以驅(qū)動(dòng)有源鉗位電路MOSFET。除了過(guò)壓和欠壓檢測(cè)外，NCP1562還提供額外的保護(hù)功能，例如“軟停止”電路，可在檢測(cè)到嚴(yán)重故障時(shí)關(guān)閉轉(zhuǎn)換器。

雖然控制器可以滿足高電壓，高電流應(yīng)用的需求，但一些微逆變器應(yīng)用可以利用集成電源管理IC（PMIC），提供完整的DC/DC轉(zhuǎn)換器解決方案，而且?guī)缀鯖](méi)有其他組件。例如，Maxim Integrated MAX5033降壓轉(zhuǎn)換器滿足功率敏感型微逆變器應(yīng)用的需求，無(wú)負(fù)載時(shí)僅消耗270μA靜態(tài)電流。在重負(fù)載工作期間，MAX5033以固定的125 kHz開(kāi)關(guān)頻率工作，并自動(dòng)切換到脈沖跳躍模式，在輕負(fù)載時(shí)提供低靜態(tài)電流和高效率。

微型逆變器設(shè)計(jì)人員也可以利用其他PMIC，如STMicroelectronics SPV1020升壓轉(zhuǎn)換器（圖3）和德州儀器SM72485 SolarMagic降壓轉(zhuǎn)換器專為太陽(yáng)能收集而設(shè)計(jì)。除了集成的MPPT和故障控制器外，STMicroelectronicsSPV1020還集成了用于有源開(kāi)關(guān)和同步整流器的功率MOSFET，減少了實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換DC/DC轉(zhuǎn)換器所需的外部器件數(shù)量。

圖3：STMicroelectronics SPV1020 DC/DC轉(zhuǎn)換器專為太陽(yáng)能收集而設(shè)計(jì)，將其集成電源轉(zhuǎn)換功能與片上MPPT相結(jié)合和故障控制器。 （由STMicroelectronics提供）

德州儀器（TI）SM72485集成了實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的降壓DC/DC穩(wěn)壓器所需的全套功能。 SM72485采用無(wú)需環(huán)路補(bǔ)償?shù)目刂品桨?，并通過(guò)強(qiáng)制關(guān)斷時(shí)間限制電流。此時(shí)，器件監(jiān)視輸出電壓，當(dāng)電壓低于其內(nèi)部參考電壓時(shí)，將其集成的100 V N溝道降壓開(kāi)關(guān)導(dǎo)通一段固定時(shí)間，該時(shí)間由線電壓和外部編程電阻決定。

結(jié)論

微型逆變器設(shè)計(jì)帶來(lái)了控制，功率轉(zhuǎn)換和效率的要求，限制了它們過(guò)去的廣泛接受度。然而，隨著集成解決方案的可用性，設(shè)計(jì)人員可以利用各種合適的設(shè)備。雖然專用處理器提供微逆變器所需的高級(jí)控制功能和MPPT功能，但電源轉(zhuǎn)換級(jí)的設(shè)計(jì)要求器件具有安全高效地為電網(wǎng)供電所需的性能特性和功能。通過(guò)廣泛選擇可用的集成開(kāi)關(guān)控制器和PMIC，工程師可以在微逆變器設(shè)計(jì)中創(chuàng)建高效，經(jīng)濟(jì)的電源轉(zhuǎn)換級(jí)。