太陽能光伏逆變器的安全性、速度和成本效益設計

太陽能不再是一項新興技術，而是一項正在經歷重大技術變革的快速成熟的技術。隨著直流電從面板到可用交流電的轉換變得更加高效和實惠，電網平價的目標——太陽能的成本與傳統(tǒng)能源發(fā)電類型的成本相匹配，甚至提高了傳統(tǒng)能源發(fā)電類型的成本——越來越近。

但是，盡管近年來太陽能電池板的成本大大降低，但太陽能的下一波進步將由功率轉換器系統(tǒng)的新技術推動。先進和復雜的多電平電源開關拓撲的出現(xiàn)將使基于碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）材料的功率開關速度更快，并具有更高的工作電壓（高達1600 V）直流），與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，性能大幅提高。更高的開關頻率意味著功率轉換器的無源元件（即電感線圈和電容器）的尺寸可以大大減小，從而可以減輕重量和降低成本。兩者都是進一步擴大太陽能系統(tǒng)市場的關鍵優(yōu)勢。

因此，這些新的電源開關拓撲正在推動控制和支持它們的組件的變化。更小、更快的系統(tǒng)需要改進整個電源轉換信號鏈——更快的處理速度和更好的組件集成。然而，隨著現(xiàn)代光伏逆變器變得越來越小，這些創(chuàng)新加劇了處理功率轉換中固有的重大安全問題的挑戰(zhàn)，也就是說，隨著這些系統(tǒng)的尺寸縮小，危險電壓的物理隔離變得更加復雜。

雖然太陽能電池板或太陽能模塊是太陽能系統(tǒng)的核心和更明顯的部分，但鏈條中更復雜的部分是光伏逆變器 - 控制系統(tǒng)的大腦。光伏逆變器需要精心設計，以保護電流測量和計算電路免受功率處理電路以及開關引起的瞬態(tài)信號的影響。但這種保護是有代價的：多個冗余、隔離的組件會增加系統(tǒng)的成本和復雜性。而且，顯然，采用可編程處理器來執(zhí)行運行這些系統(tǒng)所需的日益復雜的算法，在代碼完整性方面受到其自身安全問題的影響。

此外，官方安全認證是所有開發(fā)商面臨的要求。必須遵守許多關于安全斷開（和重新連接）的規(guī)定。系統(tǒng)必須以多快的速度響應、如何處理掉電與停電、快速斷開連接和電弧檢測，所有這些都必須得到解決，而且在許多情況下是逐個國家/地區(qū)解決的。由于認證增加了開發(fā)時間（成本），因此具有經證明的符合性的組件和方法具有吸引力，并且需要足夠靈活，以便能夠適應多種不斷變化的區(qū)域安全法規(guī)。

幸運的是，這些問題的解決方案可以通過利用集成先進混合信號控制處理器的功率逆變器平臺來解決，這些平臺周圍環(huán)繞著互補的隔離電流檢測和柵極驅動器技術。

冗余 — 單故障安全

對于安全關鍵應用，例如太陽能光伏逆變器的交流監(jiān)視器和隔離開關，安全標準要求在監(jiān)控設備之外使用冗余監(jiān)控元件，以確保單故障安全。在傳統(tǒng)的光伏逆變器中，這是通過向系統(tǒng)添加監(jiān)控處理器來實現(xiàn)的，該處理器采用冗余監(jiān)控元件的角色，然后控制繼電器K2（圖1）。

圖1.在傳統(tǒng)的光伏逆變器控制硬件中，單獨的監(jiān)控處理器負責冗余安全元件K2和相關監(jiān)控。兩個處理器都運行安全軟件的一部分，并通過標準I/O設施進行通信。

不難看出，這大大增加了系統(tǒng)控制硬件的總體成本，因為盡管監(jiān)控元件實際上由性能要求相當良性的處理器組成，但還必須添加額外的支持基礎設施。另一方面，這種安排因其幾乎可見的冗余元素分離而受到青睞，因此在涉及安全當局的符合性審核時易于理解安全布局。

雖然光伏逆變器制造商正在努力提高逆變器性能，但他們不斷受到全球市場對降低太陽能光伏系統(tǒng)總運營成本的要求的壓力，并被迫加強對改進逆變器拓撲結構和降低光伏逆變器安全關鍵部件成本的研究。因此，安全隔離開關的冗余監(jiān)控元件成為在可能降低成本方面受到仔細審查的組件。

雙核設計提供顯著優(yōu)勢

為了同時簡化和增強逆變器工作，ADI公司開發(fā)了一系列創(chuàng)新型混合信號控制處理器ADSP-CM41x系列。ADSP-CM41x設計的核心是其突破性的雙獨立內核安全概念，可將安全冗余和功能集成到單個芯片中。這是有史以來第一個架構，通過消除對外部監(jiān)控元件的需求（這是當前標準），節(jié)省了大量的開發(fā)時間和系統(tǒng)成本。

新型ADSP-CM41x通過一系列特別針對可再生能源轉換系統(tǒng)要求的特性解決了當今的功率轉換問題，包括集成優(yōu)化的硬件加速器，旨在提高核心功能的處理能力。此外，該器件的板載電弧故障檢測功能簡化了設計，并通過智能決策來提高可靠性和準確性，從而提高了安全性。

在單個芯片上的主 M4 控制內核上添加一個獨立的 M0 監(jiān)控內核，大大簡化了具有冗余監(jiān)測和控制信號路徑的單容錯系統(tǒng)的設計，同時降低了整體系統(tǒng)成本（圖 2）。

圖2.雙核設計通過集成獨立的 M0 監(jiān)控內核，大大簡化了冗余安全元件的設計。處理器通過專用郵箱系統(tǒng)進行通信，包括心跳信號的傳輸。

雖然 M0 和 M4 內核共享相同的芯片（從安全角度來看，成本降至最低），但內核通過創(chuàng)新的系統(tǒng)結構設計保持物理分離。通過雙端口RAM郵箱進行處理器間通信，允許對冗余獲取的過程參數(shù)進行獨立檢查和驗證。

代碼安全

除了物理電源安全外，還必須非常小心地確保正確解釋運行這些系統(tǒng)的算法;損壞的流程可能導致安全受損的操作狀態(tài)。此外，使用分離處理器內核功能的郵箱通信系統(tǒng)隔離處理器到處理器的通信是有利的。郵箱系統(tǒng)不是直接發(fā)送-接收握手的通信方法，而是允許任一內核隨時隔離讀/寫數(shù)據(jù)。

為了代碼安全，M4內核有自己的1 MB閃存和高達160 kB SRAM，而M0有自己的32 kB SRAM。M4 和 M0 處理器 L1 SRAM、閃存和郵箱內存均受零等待狀態(tài) SECDED ECC 保護，本機保護 32 位內存元件。寫入 8 位和 16 位數(shù)據(jù)（如果適用）將導致自動后臺讀取-修改-寫入 ECC 更新，通常沒有可觀察到的處理器停頓。刷新輔助硬件支持定期清理單位錯誤。多比特錯誤檢測可以選擇發(fā)出中斷和/或故障信號。此外，對于錯誤檢測，循環(huán)冗余校驗 （CRC） 硬件塊用于計算數(shù)據(jù)塊的 CRC。這是基于CRC32引擎，該引擎計算呈現(xiàn)給它的32位數(shù)據(jù)字的CRC值。特別是，CRC單元可用于驗證SRAM中閃存和常量數(shù)據(jù)塊（文本或代碼）的內容。

使用雙核混合信號控制處理器進行交流電網監(jiān)控

作為如何使用雙核設計的示例，讓我們來看看交流電網監(jiān)控在光伏逆變器中的工作原理。交流電網監(jiān)測基本上包括兩個功能——頻率監(jiān)測和電壓監(jiān)測：

對于頻率監(jiān)控，它需要嚴格容忍的基于時間的測量，當使用RC振蕩器作為備用時基時，這可能非常難以實現(xiàn)。因此，處理器使用單個振蕩器或晶體 （XTAL） 作為主系統(tǒng)時鐘 （SYSCLK） 輸入，并使用 M0 上的附加 XTAL 作為監(jiān)視器，防止主時鐘源通過郵箱發(fā)生漂移。除漂移外，SYSCLK 線路中的時鐘故障由內部振蕩器比較器單元 （OCU） 直接處理。它使用外部低頻振蕩器 （LFO） 來檢測各種情況，例如時鐘死區(qū)和時鐘頻率限制違規(guī)，并可以生成多個事件來通知處理器違規(guī)情況。時鐘不良信號（CLKNG）可以配置為在檢測到故障事件時將芯片置于復位狀態(tài)，并且還可以啟動GPIO引腳安全狀態(tài)機制。

交流電壓監(jiān)測必須確保相電壓在所需的公差范圍內，并且還用于兩個隔離開關繼電器的功能自檢。為了實現(xiàn)單故障保護電壓監(jiān)控，處理器的模擬前端 （AFE） 由兩個獨立的 ADC 模塊組成，每個模塊由自己的 ADC 控制器、基準電壓源和多個電源路徑組成。其中，一個ADC模塊由M4控制，而另一個由M0控制，允許在整個郵箱系統(tǒng)中進行完全冗余的電壓測量和健全性檢查。最重要的是，在將光伏逆變器聯(lián)機之前，板載DAC可用于在內部單獨練習AFE信號鏈的所有部分。

整合一切——光伏逆變器平臺

除了混合信號處理器之外，還有許多其他關鍵組件需要在光伏系統(tǒng)中協(xié)同工作，以安全地通信、控制和傳遞數(shù)據(jù)和電流。

該設計采用冗余信號路徑概念，包括冗余基準電壓源、ADC 和 XTAL，以及內部振蕩器和電壓監(jiān)控單元以及處理器間郵箱系統(tǒng)，允許完全消除監(jiān)控系統(tǒng)中額外的外部監(jiān)控元件（圖 3）。圖形LCD一目了然地提供所有相關的狀態(tài)信息，而只需按一下按鈕即可完成整個系統(tǒng)的完整校準周期。該裝置配有一個記錄廣泛的軟件包，并持有德國TüV-SüD于2016年3月頒發(fā)的VDE-AR-N4105符合性證明。

圖3.VDE-AR-N-4105技術演示器框圖，由VDE-AR-N-4105評估板和ADSP-CM419F EZ-KIT組成。?

圖4.ADI公司的VDE-AR-N-4105技術演示器具有兩個串聯(lián)的電源繼電器，構成交流電源路徑，以及四個獨立的高精度隔離電壓測量通道，用于冗余監(jiān)控交流電源電壓，以及單相系統(tǒng)中的PV逆變器輸出和繼電器間電壓。

太陽能的未來看起來很光明，但漸進式的進步還不夠。正是在整個平臺級別上各種技術的智能集成，將確保功率轉換器設計的效率和安全性。每個單獨的組件都必須根據(jù)能源市場對安全性、效率和成本的要求進行專門設計。提供完整、強大的平臺（而不僅僅是零件）將使未來電源轉換產品的制造商能夠創(chuàng)建清潔、安全和經濟實惠的系統(tǒng)。

安全認證

由于降低成本的努力很容易損害系統(tǒng)所需的安全水平，ADI公司與科隆的德國雇主責任保險協(xié)會BGETEM和施特勞賓的TüV-SüED合作解決了可能的安全問題，討論如何將監(jiān)控元件作為第二個處理器精確地集成到主處理器的同一硅芯片上。另一個考慮因素是這種雙核處理器必須滿足的最低要求，以符合光伏逆變器安全交流斷開的監(jiān)管標準。

因此，ADI公司的新型ADSP-CM41x處理器系列現(xiàn)在擁有德國TüV-SüD于2016年3月頒發(fā)的VDE-AR-N4105（Doc D8 16 03 95142 002）合規(guī)證書。它具有一組專門針對可再生能源轉換系統(tǒng)的功率轉換要求的功能，包括所有必要的安全元件，以彌補完全符合安全性的交流隔離開關。

此外，為了支持安全性，ADI公司的電源轉換平臺集成了基于其i耦合器數(shù)字隔離器技術的柵極驅動器和電流傳感器。ADI的數(shù)字隔離器采用低應力、厚膜聚酰亞胺絕緣，可實現(xiàn)數(shù)千伏隔離，可與標準硅IC集成，并可采用單通道、多通道和雙向配置制造。

審核編輯：郭婷