隨著越來(lái)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?cè)O(shè)計(jì)更好的太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(duì)眾多挑戰(zhàn)？

太陽(yáng)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(guò)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(yáng)能電池板試圖捕捉陽(yáng)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(wú)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(yáng)能將永遠(yuǎn)無(wú)法滲透到主流市場(chǎng)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(yáng)能轉(zhuǎn)換器的形式出現(xiàn)。最大功率點(diǎn)跟蹤是一種通過(guò)連續(xù)跟蹤轉(zhuǎn)換器的輸入功率來(lái)最大化太陽(yáng)能電池板可以輸出的功率的技術(shù)。通過(guò)調(diào)整其輸入特性（阻抗），面板保持在峰值功率工作點(diǎn)，無(wú)論太陽(yáng)輻射水平或面板溫度如何。簡(jiǎn)而言之，由于太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(kāi)關(guān)頻率意味著更大的無(wú)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(duì)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(duì)負(fù)載瞬態(tài)的更好響應(yīng)。簡(jiǎn)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(wú)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(kāi)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(yáng)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(guò)所有這些問(wèn)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(shì)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出 MPPT 太陽(yáng)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(guò)使用一個(gè)電感 （L） 和一個(gè)電容器 （C），可以在略低于開(kāi)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(kāi)關(guān)，從而顯著降低損耗。開(kāi)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(kāi)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(méi)有多少人登上 SiC 或 GAN 列車，但這意味著他們現(xiàn)在可以開(kāi)始認(rèn)證這些 MCU，并在未來(lái)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(yáng)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(yáng)能轉(zhuǎn)換器，我們?cè)谏鐓^(qū)平臺(tái)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(kāi)發(fā)逆變器的團(tuán)隊(duì)的一個(gè)很好的起點(diǎn)或測(cè)試平臺(tái)。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(lái)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(kāi)源性質(zhì)，任何人都可以對(duì)其進(jìn)行更新以使用 STM32G474。

審核編輯：郭婷