微型逆變器通過(guò)在單個(gè)面板級(jí)別管理太陽(yáng)能收集，而不是像中央逆變器那樣在整個(gè)裝置中管理太陽(yáng)能收集，從而幫助提高太陽(yáng)能裝置的效率。然而，在過(guò)去，確保太陽(yáng)能收集過(guò)程中最大功率輸出所需的復(fù)雜控制機(jī)制增加了成本并限制了微型逆變器的接受度。雖然復(fù)雜且具有成本效益的 IC 和基于處理器的解決方案處理微型逆變器設(shè)計(jì)的邏輯控制方面，但各種電壓控制器和穩(wěn)壓器提供了互補(bǔ)的解決方案，用于從太陽(yáng)能電池板直流輸出發(fā)電。

　　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。在這個(gè)過(guò)程中，這些邏輯器件監(jiān)控和調(diào)整電源轉(zhuǎn)換路徑，以產(chǎn)生具有電網(wǎng)要求特性的交流電壓。在這個(gè)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，在某些情況下，有效的轉(zhuǎn)換器解決方案可以利用集成 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，但這些設(shè)計(jì)通常建立在能夠驅(qū)動(dòng)所需柵極的電壓控制器上，以處理大多數(shù)微型逆變器所需的更高電壓和電流。

　　在功能能力方面，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)鋪?lái)最大限度地提高電源轉(zhuǎn)換效率。對(duì)于微型逆變器設(shè)計(jì)，正激和反激式轉(zhuǎn)換器仍然是 DC/DC 轉(zhuǎn)換最常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其采用可控硅整流器 （SCR） 或 MOSFET 全橋，用于在所需電網(wǎng)頻率下產(chǎn)生交流波形（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來(lái)自太陽(yáng)能電池板的低壓直流電，以提供電網(wǎng)所需的高壓交流電波形。（由微芯科技提供）

　　與電源設(shè)計(jì)一樣，微型逆變器設(shè)計(jì)需要多種設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)提高效率和可靠性。使用交錯(cuò)式反激拓?fù)溆兄谕ㄟ^(guò)降低通過(guò)它們的紋波電流 RMS 來(lái)延長(zhǎng)這些設(shè)計(jì)中通常使用的輸入大容量電解電容器的使用壽命。此外，這種方法提供的減小的輸出電流紋波會(huì)導(dǎo)致低輸出電流 THD。此外，有源鉗位技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)更高的最大占空比，從而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。

　　為確保最大能量輸出，轉(zhuǎn)換器必須能夠響應(yīng)微型逆變器控制邏輯，該邏輯旨在使轉(zhuǎn)換器電壓和電流盡可能接近其 MPPT 算法產(chǎn)生的理想特性。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將自己與電網(wǎng)斷開(kāi)連接。反過(guò)來(lái)，這些故障保護(hù)功能要求電源轉(zhuǎn)換器至少具有過(guò)壓和欠壓檢測(cè)能力。

　　綜合解決方案

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

　　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，用于為微型逆變器設(shè)計(jì)中的其他設(shè)備供電。德州儀器 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、濾波、電源良好和過(guò)壓檢測(cè)功能（圖 2）。

　　圖 2：設(shè)計(jì)人員可以使用德州儀器 SM72295 等開(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。（德州儀器提供）

　　雖然不是專門(mén)針對(duì)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換，但各種開(kāi)關(guān)控制器作為有吸引力的替代品，每一種都提供能夠滿足單個(gè)微型逆變器設(shè)計(jì)的特殊要求的功能。例如，Microchip Technology 的MCP1630V脈寬調(diào)制器 （PWM） 設(shè)計(jì)用于與還可以執(zhí)行 MPPT 并進(jìn)行整體控制的 MCU 輕松集成。借助該器件，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，從而形成一個(gè)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。

　　其他控制器（例如ON Semiconductor NCP1562）具有專門(mén)的功能，例如一對(duì)能夠驅(qū)動(dòng)功率轉(zhuǎn)換級(jí)內(nèi)不同功能的同相輸出。例如，主輸出可以驅(qū)動(dòng)正向轉(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，例如在檢測(cè)到嚴(yán)重故障時(shí)關(guān)閉轉(zhuǎn)換器的“軟停止”電路。

　　雖然控制器適用于高電壓、大電流應(yīng)用，但一些微型逆變器應(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，而無(wú)需額外的組件。例如，Maxim Integrated的 MAX5033降壓轉(zhuǎn)換器滿足了對(duì)功率敏感的微型逆變器應(yīng)用的需求，在空載時(shí)僅消耗 270 μA 的靜態(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，以在輕負(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)人員還可以利用其他 PMIC，例如STMicroelectronics SPV1020升壓轉(zhuǎn)換器（圖 3）和 Texas Instruments 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 MPPT 和故障控制器，STMicroelectronics SPV1020 還集成了用于有源開(kāi)關(guān)和同步整流器的功率 MOSFET，從而減少了實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換 DC/DC 轉(zhuǎn)換器所需的外部設(shè)備數(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 和故障控制器相結(jié)合。（意法半導(dǎo)體提供）

　　德州儀器 SM72485 集成了實(shí)現(xiàn)具有成本效益的降壓 DC/DC 穩(wěn)壓器所需的一整套功能。SM72485 使用不需要環(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。在這里，該器件監(jiān)控輸出電壓，當(dāng)電壓低于其內(nèi)部基準(zhǔn)電壓時(shí)，將打開(kāi)其集成的 100 V N 溝道降壓開(kāi)關(guān)，并持續(xù)一段由線路電壓和外部編程電阻決定的固定時(shí)間。

　　結(jié)論

　　微型逆變器設(shè)計(jì)帶來(lái)了對(duì)控制、功率轉(zhuǎn)換和效率的要求，這些要求在過(guò)去限制了它們的廣泛接受。然而，隨著集成解決方案的出現(xiàn)，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型逆變器所需的高級(jí)控制功能和 MPPT 功能，但功率轉(zhuǎn)換級(jí)的設(shè)計(jì)需要設(shè)備具有安全高效地向電網(wǎng)供電所需的性能特征和功能。通過(guò)利用多種可用的集成開(kāi)關(guān)控制器和 PMIC，工程師可以在微型逆變器設(shè)計(jì)中創(chuàng)建高效、具有成本效益的電源轉(zhuǎn)換級(jí)。