微型逆变器的电源转换集成方案

微型逆变器通过在单个面板层面管理太阳能收集而不是像整个中央逆变器那样在整个装置中帮助提高太阳能装置的效率。然而，在过去，在太阳能收集期间确保最大功率输出所需的复杂控制机制增加了成本并且限制了微型逆变器的接受。虽然复杂且经济高效的IC和基于处理器的解决方案可处理微逆变器设计的逻辑控制方面，但各种电压控制器和稳压器为太阳能电池板直流输出发电提供了补充解决方案。

在典型的微型逆变器设计中，数字逻辑控制器或MCU执行最大功率点跟踪（MPPT）算法，旨在确保面板的最佳输出。在此过程中，这些逻辑器件监视和调整功率转换路径，以产生具有电网所需特性的AC电压。在此功率转换路径中，DC/DC转换器的性能特性在确定功率转换和输出的整体效率方面发挥着核心作用。对于工程师而言，有效的转换器解决方案在某些情况下可以使用集成的DC/DC转换器，但这些设计通常建立在电压控制器上，能够驱动处理大多数微型逆变器所需的更高电压和电流所需的门。

在功能方面，微型逆变器是由太阳能电池板输出驱动的DC/AC电源，依靠熟悉的电压转换器拓扑结构来最大化电源转换效率。对于微逆变器设计，正向和反激转换器仍然是最常用的DC/DC转换拓扑结构，其中硅控整流器（SCR）或MOSFET全桥用于产生所需电网频率的交流波形（图1）。

图1：在简单的微型逆变器设计中，交错式有源钳位反激式逆变器可以提升太阳能电池板的低压直流电压，电网所需的高压交流波形。 （由Microchip Technology提供）

与电源设计一样，微逆变器设计需要采用各种设计技术来提高效率和可靠性。使用交错反激式拓扑有助于通过减少通过它们的纹波电流RMS来延长这些设计中通常使用的输入 - 体电解电容器的寿命。此外，采用这种方法提供的降低的输出电流纹波导致低输出电流THD。此外，有源钳位技术的应用可实现更高的最大占空比，允许使用更高的匝数比，这可以显着降低初级侧的电流应力和次级侧的电压应力。

为了确保最大的能量输出，转换器必须能够响应微逆变器控制逻辑，该逻辑设计用于尽可能地保持转换器电压和电流，使其与MPPT算法产生的理想特性保持一致。更重要的是，连接到电网的微型逆变器需要能够在电源故障期间断开自身与电网的连接。反过来，这些故障保护功能要求功率转换器至少具有过压和欠压检测功能。

集成解决方案

制造商提供了许多旨在满足微逆变器要求的集成解决方案。单芯片桥接控制器和DC/DC转换器提供了实现最复杂的电源转换路径所需的功能，可最大限度地提高功率密度，同时最大限度地减少元件数量。事实上，设计人员可以找到专门用于太阳能电池板能量收集的Intersil ISL1801和Texas Instruments SM72295等控制器。

Intersil ISL1801能够支持降压，升压或降压 - 升压拓扑，集成了所需的偏置稳压器，栅极驱动器，电流检测放大器和比较器，以及一对开关稳压器，可为其他器件供电在微逆变器设计中。德州仪器（TI）SM72295同样为太阳能转换应用提供了完整的片上电路。除了用于电流检测的跨导放大器外，SM72295还集成了四个独立的3 A MOSFET栅极驱动器，具有信号调理功能，以及滤波，电源良好和过压检测功能（图2）。

图2：设计人员可以使用开关控制器来实现能够处理太阳能电池板功率输出的高效DC/DC转换器作为德州仪器SM72295。 （德州仪器公司提供）

虽然不是专门针对太阳能转换的目标，但各种开关控制器都是有吸引力的替代方案，每种都提供能够满足各个微逆变器设计的特殊要求的功能。例如，Microchip Technology MCP1630V脉冲宽度调制器（PWM）设计用于与可能同时执行MPPT和执行整体控制的MCU轻松集成。利用该器件，设计人员可以使用MCU IO引脚来控制MCP1630V的工作特性，包括开关频率和占空比，从而使高度灵活的电源系统能够根据需要进行调整以优化性能。

安森美半导体NCP1562等其他控制器具有专用功能，例如一对能够在功率转换阶段驱动不同功能的同相输出。例如，主输出可以驱动正激转换器初级MOSFET，而次级输出可以驱动有源钳位电路MOSFET。除了过压和欠压检测外，NCP1562还提供额外的保护功能，例如“软停止”电路，可在检测到严重故障时关闭转换器。

虽然控制器可以满足高电压，高电流应用的需求，但一些微逆变器应用可以利用集成电源管理IC（PMIC），提供完整的DC/DC转换器解决方案，而且几乎没有其他组件。例如，Maxim Integrated MAX5033降压转换器满足功率敏感型微逆变器应用的需求，无负载时仅消耗270μA静态电流。在重负载工作期间，MAX5033以固定的125 kHz开关频率工作，并自动切换到脉冲跳跃模式，在轻负载时提供低静态电流和高效率。

微型逆变器设计人员也可以利用其他PMIC，如STMicroelectronics SPV1020升压转换器（图3）和德州仪器SM72485 SolarMagic降压转换器专为太阳能收集而设计。除了集成的MPPT和故障控制器外，STMicroelectronicsSPV1020还集成了用于有源开关和同步整流器的功率MOSFET，减少了实现太阳能转换DC/DC转换器所需的外部器件数量。

图3：STMicroelectronics SPV1020 DC/DC转换器专为太阳能收集而设计，将其集成电源转换功能与片上MPPT相结合和故障控制器。 （由STMicroelectronics提供）

德州仪器（TI）SM72485集成了实现经济高效的降压DC/DC稳压器所需的全套功能。 SM72485采用无需环路补偿的控制方案，并通过强制关断时间限制电流。此时，器件监视输出电压，当电压低于其内部参考电压时，将其集成的100 V N沟道降压开关导通一段固定时间，该时间由线电压和外部编程电阻决定。

结论

微型逆变器设计带来了控制，功率转换和效率的要求，限制了它们过去的广泛接受度。然而，随着集成解决方案的可用性，设计人员可以利用各种合适的设备。虽然专用处理器提供微逆变器所需的高级控制功能和MPPT功能，但电源转换级的设计要求器件具有安全高效地为电网供电所需的性能特性和功能。通过广泛选择可用的集成开关控制器和PMIC，工程师可以在微逆变器设计中创建高效，经济的电源转换级。