太陽(yáng)能不再是一項(xiàng)新興技術(shù)，而是一項(xiàng)正在經(jīng)歷重大技術(shù)變革的快速成熟的技術(shù)。隨著直流電從面板到可用交流電的轉(zhuǎn)換變得更加高效和實(shí)惠，電網(wǎng)平價(jià)的目標(biāo)——太陽(yáng)能的成本與傳統(tǒng)能源發(fā)電類(lèi)型的成本相匹配，甚至提高了傳統(tǒng)能源發(fā)電類(lèi)型的成本——越來(lái)越近。

但是，盡管近年來(lái)太陽(yáng)能電池板的成本大大降低，但太陽(yáng)能的下一波進(jìn)步將由功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的新技術(shù)推動(dòng)。先進(jìn)和復(fù)雜的多電平電源開(kāi)關(guān)拓?fù)涞某霈F(xiàn)將使基于碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）材料的功率開(kāi)關(guān)速度更快，并具有更高的工作電壓（高達(dá)1600 V）直流），與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，性能大幅提高。更高的開(kāi)關(guān)頻率意味著功率轉(zhuǎn)換器的無(wú)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(jìn)一步擴(kuò)大太陽(yáng)能系統(tǒng)市場(chǎng)的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。

因此，這些新的電源開(kāi)關(guān)拓?fù)湔谕苿?dòng)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(jìn)整個(gè)電源轉(zhuǎn)換信號(hào)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(lái)越小，這些創(chuàng)新加劇了處理功率轉(zhuǎn)換中固有的重大安全問(wèn)題的挑戰(zhàn)，也就是說(shuō)，隨著這些系統(tǒng)的尺寸縮小，危險(xiǎn)電壓的物理隔離變得更加復(fù)雜。

雖然太陽(yáng)能電池板或太陽(yáng)能模塊是太陽(yáng)能系統(tǒng)的核心和更明顯的部分，但鏈條中更復(fù)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(shè)計(jì)，以保護(hù)電流測(cè)量和計(jì)算電路免受功率處理電路以及開(kāi)關(guān)引起的瞬態(tài)信號(hào)的影響。但這種保護(hù)是有代價(jià)的：多個(gè)冗余、隔離的組件會(huì)增加系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。而且，顯然，采用可編程處理器來(lái)執(zhí)行運(yùn)行這些系統(tǒng)所需的日益復(fù)雜的算法，在代碼完整性方面受到其自身安全問(wèn)題的影響。

此外，官方安全認(rèn)證是所有開(kāi)發(fā)商面臨的要求。必須遵守許多關(guān)于安全斷開(kāi)（和重新連接）的規(guī)定。系統(tǒng)必須以多快的速度響應(yīng)、如何處理掉電與停電、快速斷開(kāi)連接和電弧檢測(cè)，所有這些都必須得到解決，而且在許多情況下是逐個(gè)國(guó)家/地區(qū)解決的。由于認(rèn)證增加了開(kāi)發(fā)時(shí)間（成本），因此具有經(jīng)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(yīng)多種不斷變化的區(qū)域安全法規(guī)。

幸運(yùn)的是，這些問(wèn)題的解決方案可以通過(guò)利用集成先進(jìn)混合信號(hào)控制處理器的功率逆變器平臺(tái)來(lái)解決，這些平臺(tái)周?chē)h(huán)繞著互補(bǔ)的隔離電流檢測(cè)和柵極驅(qū)動(dòng)器技術(shù)。

冗余 — 單故障安全

對(duì)于安全關(guān)鍵應(yīng)用，例如太陽(yáng)能光伏逆變器的交流監(jiān)視器和隔離開(kāi)關(guān)，安全標(biāo)準(zhǔn)要求在監(jiān)控設(shè)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(guò)向系統(tǒng)添加監(jiān)控處理器來(lái)實(shí)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(dú)的監(jiān)控處理器負(fù)責(zé)冗余安全元件K2和相關(guān)監(jiān)控。兩個(gè)處理器都運(yùn)行安全軟件的一部分，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)I/O設(shè)施進(jìn)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?yàn)楸M管監(jiān)控元件實(shí)際上由性能要求相當(dāng)良性的處理器組成，但還必須添加額外的支持基礎(chǔ)設(shè)施。另一方面，這種安排因其幾乎可見(jiàn)的冗余元素分離而受到青睞，因此在涉及安全當(dāng)局的符合性審核時(shí)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(chǎng)對(duì)降低太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)總運(yùn)營(yíng)成本的要求的壓力，并被迫加強(qiáng)對(duì)改進(jìn)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和降低光伏逆變器安全關(guān)鍵部件成本的研究。因此，安全隔離開(kāi)關(guān)的冗余監(jiān)控元件成為在可能降低成本方面受到仔細(xì)審查的組件。

雙核設(shè)計(jì)提供顯著優(yōu)勢(shì)

為了同時(shí)簡(jiǎn)化和增強(qiáng)逆變器工作，ADI公司開(kāi)發(fā)了一系列創(chuàng)新型混合信號(hào)控制處理器ADSP-CM41x系列。ADSP-CM41x設(shè)計(jì)的核心是其突破性的雙獨(dú)立內(nèi)核安全概念，可將安全冗余和功能集成到單個(gè)芯片中。這是有史以來(lái)第一個(gè)架構(gòu)，通過(guò)消除對(duì)外部監(jiān)控元件的需求（這是當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)），節(jié)省了大量的開(kāi)發(fā)時(shí)間和系統(tǒng)成本。

新型ADSP-CM41x通過(guò)一系列特別針對(duì)可再生能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)要求的特性解決了當(dāng)今的功率轉(zhuǎn)換問(wèn)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(cè)功能簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，并通過(guò)智能決策來(lái)提高可靠性和準(zhǔn)確性，從而提高了安全性。

在單個(gè)芯片上的主 M4 控制內(nèi)核上添加一個(gè)獨(dú)立的 M0 監(jiān)控內(nèi)核，大大簡(jiǎn)化了具有冗余監(jiān)測(cè)和控制信號(hào)路徑的單容錯(cuò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，同時(shí)降低了整體系統(tǒng)成本（圖 2）。

圖2.雙核設(shè)計(jì)通過(guò)集成獨(dú)立的 M0 監(jiān)控內(nèi)核，大大簡(jiǎn)化了冗余安全元件的設(shè)計(jì)。處理器通過(guò)專(zhuān)用郵箱系統(tǒng)進(jìn)行通信，包括心跳信號(hào)的傳輸。

雖然 M0 和 M4 內(nèi)核共享相同的芯片（從安全角度來(lái)看，成本降至最低），但內(nèi)核通過(guò)創(chuàng)新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保持物理分離。通過(guò)雙端口RAM郵箱進(jìn)行處理器間通信，允許對(duì)冗余獲取的過(guò)程參數(shù)進(jìn)行獨(dú)立檢查和驗(yàn)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(yùn)行這些系統(tǒng)的算法;損壞的流程可能導(dǎo)致安全受損的操作狀態(tài)。此外，使用分離處理器內(nèi)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(nèi)核隨時(shí)隔離讀/寫(xiě)數(shù)據(jù)。

為了代碼安全，M4內(nèi)核有自己的1 MB閃存和高達(dá)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(nèi)存均受零等待狀態(tài) SECDED ECC 保護(hù)，本機(jī)保護(hù) 32 位內(nèi)存元件。寫(xiě)入 8 位和 16 位數(shù)據(jù)（如果適用）將導(dǎo)致自動(dòng)后臺(tái)讀取-修改-寫(xiě)入 ECC 更新，通常沒(méi)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(cuò)誤。多比特錯(cuò)誤檢測(cè)可以選擇發(fā)出中斷和/或故障信號(hào)。此外，對(duì)于錯(cuò)誤檢測(cè)，循環(huán)冗余校驗(yàn) （CRC） 硬件塊用于計(jì)算數(shù)據(jù)塊的 CRC。這是基于CRC32引擎，該引擎計(jì)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(yàn)證SRAM中閃存和常量數(shù)據(jù)塊（文本或代碼）的內(nèi)容。

使用雙核混合信號(hào)控制處理器進(jìn)行交流電網(wǎng)監(jiān)控

作為如何使用雙核設(shè)計(jì)的示例，讓我們來(lái)看看交流電網(wǎng)監(jiān)控在光伏逆變器中的工作原理。交流電網(wǎng)監(jiān)測(cè)基本上包括兩個(gè)功能——頻率監(jiān)測(cè)和電壓監(jiān)測(cè)：

對(duì)于頻率監(jiān)控，它需要嚴(yán)格容忍的基于時(shí)間的測(cè)量，當(dāng)使用RC振蕩器作為備用時(shí)基時(shí)，這可能非常難以實(shí)現(xiàn)。因此，處理器使用單個(gè)振蕩器或晶體 （XTAL） 作為主系統(tǒng)時(shí)鐘 （SYSCLK） 輸入，并使用 M0 上的附加 XTAL 作為監(jiān)視器，防止主時(shí)鐘源通過(guò)郵箱發(fā)生漂移。除漂移外，SYSCLK 線路中的時(shí)鐘故障由內(nèi)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(lái)檢測(cè)各種情況，例如時(shí)鐘死區(qū)和時(shí)鐘頻率限制違規(guī)，并可以生成多個(gè)事件來(lái)通知處理器違規(guī)情況。時(shí)鐘不良信號(hào)（CLKNG）可以配置為在檢測(cè)到故障事件時(shí)將芯片置于復(fù)位狀態(tài)，并且還可以啟動(dòng)GPIO引腳安全狀態(tài)機(jī)制。

交流電壓監(jiān)測(cè)必須確保相電壓在所需的公差范圍內(nèi)，并且還用于兩個(gè)隔離開(kāi)關(guān)繼電器的功能自檢。為了實(shí)現(xiàn)單故障保護(hù)電壓監(jiān)控，處理器的模擬前端 （AFE） 由兩個(gè)獨(dú)立的 ADC 模塊組成，每個(gè)模塊由自己的 ADC 控制器、基準(zhǔn)電壓源和多個(gè)電源路徑組成。其中，一個(gè)ADC模塊由M4控制，而另一個(gè)由M0控制，允許在整個(gè)郵箱系統(tǒng)中進(jìn)行完全冗余的電壓測(cè)量和健全性檢查。最重要的是，在將光伏逆變器聯(lián)機(jī)之前，板載DAC可用于在內(nèi)部單獨(dú)練習(xí)AFE信號(hào)鏈的所有部分。

整合一切——光伏逆變器平臺(tái)

除了混合信號(hào)處理器之外，還有許多其他關(guān)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(shè)計(jì)采用冗余信號(hào)路徑概念，包括冗余基準(zhǔn)電壓源、ADC 和 XTAL，以及內(nèi)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(guān)的狀態(tài)信息，而只需按一下按鈕即可完成整個(gè)系統(tǒng)的完整校準(zhǔn)周期。該裝置配有一個(gè)記錄廣泛的軟件包，并持有德國(guó)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(shù)演示器框圖，由VDE-AR-N-4105評(píng)估板和ADSP-CM419F EZ-KIT組成。?

圖4.ADI公司的VDE-AR-N-4105技術(shù)演示器具有兩個(gè)串聯(lián)的電源繼電器，構(gòu)成交流電源路徑，以及四個(gè)獨(dú)立的高精度隔離電壓測(cè)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(yáng)能的未來(lái)看起來(lái)很光明，但漸進(jìn)式的進(jìn)步還不夠。正是在整個(gè)平臺(tái)級(jí)別上各種技術(shù)的智能集成，將確保功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的效率和安全性。每個(gè)單獨(dú)的組件都必須根據(jù)能源市場(chǎng)對(duì)安全性、效率和成本的要求進(jìn)行專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)。提供完整、強(qiáng)大的平臺(tái)（而不僅僅是零件）將使未來(lái)電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品的制造商能夠創(chuàng)建清潔、安全和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的系統(tǒng)。

安全認(rèn)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(guó)雇主責(zé)任保險(xiǎn)協(xié)會(huì)BGETEM和施特勞賓的TüV-SüED合作解決了可能的安全問(wèn)題，討論如何將監(jiān)控元件作為第二個(gè)處理器精確地集成到主處理器的同一硅芯片上。另一個(gè)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(kāi)的監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。

因此，ADI公司的新型ADSP-CM41x處理器系列現(xiàn)在擁有德國(guó)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(shū)。它具有一組專(zhuān)門(mén)針對(duì)可再生能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的功率轉(zhuǎn)換要求的功能，包括所有必要的安全元件，以彌補(bǔ)完全符合安全性的交流隔離開(kāi)關(guān)。

此外，為了支持安全性，ADI公司的電源轉(zhuǎn)換平臺(tái)集成了基于其i耦合器數(shù)字隔離器技術(shù)的柵極驅(qū)動(dòng)器和電流傳感器。ADI的數(shù)字隔離器采用低應(yīng)力、厚膜聚酰亞胺絕緣，可實(shí)現(xiàn)數(shù)千伏隔離，可與標(biāo)準(zhǔn)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