太阳能光伏逆变器的安全性、速度和成本效益设计

太阳能不再是一项新兴技术，而是一项正在经历重大技术变革的快速成熟的技术。随着直流电从面板到可用交流电的转换变得更加高效和实惠，电网平价的目标——太阳能的成本与传统能源发电类型的成本相匹配，甚至提高了传统能源发电类型的成本——越来越近。

但是，尽管近年来太阳能电池板的成本大大降低，但太阳能的下一波进步将由功率转换器系统的新技术推动。先进和复杂的多电平电源开关拓扑的出现将使基于碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）材料的功率开关速度更快，并具有更高的工作电压（高达1600 V）直流），与传统系统相比，性能大幅提高。更高的开关频率意味着功率转换器的无源元件（即电感线圈和电容器）的尺寸可以大大减小，从而可以减轻重量和降低成本。两者都是进一步扩大太阳能系统市场的关键优势。

因此，这些新的电源开关拓扑正在推动控制和支持它们的组件的变化。更小、更快的系统需要改进整个电源转换信号链——更快的处理速度和更好的组件集成。然而，随着现代光伏逆变器变得越来越小，这些创新加剧了处理功率转换中固有的重大安全问题的挑战，也就是说，随着这些系统的尺寸缩小，危险电压的物理隔离变得更加复杂。

虽然太阳能电池板或太阳能模块是太阳能系统的核心和更明显的部分，但链条中更复杂的部分是光伏逆变器 - 控制系统的大脑。光伏逆变器需要精心设计，以保护电流测量和计算电路免受功率处理电路以及开关引起的瞬态信号的影响。但这种保护是有代价的：多个冗余、隔离的组件会增加系统的成本和复杂性。而且，显然，采用可编程处理器来执行运行这些系统所需的日益复杂的算法，在代码完整性方面受到其自身安全问题的影响。

此外，官方安全认证是所有开发商面临的要求。必须遵守许多关于安全断开（和重新连接）的规定。系统必须以多快的速度响应、如何处理掉电与停电、快速断开连接和电弧检测，所有这些都必须得到解决，而且在许多情况下是逐个国家/地区解决的。由于认证增加了开发时间（成本），因此具有经证明的符合性的组件和方法具有吸引力，并且需要足够灵活，以便能够适应多种不断变化的区域安全法规。

幸运的是，这些问题的解决方案可以通过利用集成先进混合信号控制处理器的功率逆变器平台来解决，这些平台周围环绕着互补的隔离电流检测和栅极驱动器技术。

冗余 — 单故障安全

对于安全关键应用，例如太阳能光伏逆变器的交流监视器和隔离开关，安全标准要求在监控设备之外使用冗余监控元件，以确保单故障安全。在传统的光伏逆变器中，这是通过向系统添加监控处理器来实现的，该处理器采用冗余监控元件的角色，然后控制继电器K2（图1）。

图1.在传统的光伏逆变器控制硬件中，单独的监控处理器负责冗余安全元件K2和相关监控。两个处理器都运行安全软件的一部分，并通过标准I/O设施进行通信。

不难看出，这大大增加了系统控制硬件的总体成本，因为尽管监控元件实际上由性能要求相当良性的处理器组成，但还必须添加额外的支持基础设施。另一方面，这种安排因其几乎可见的冗余元素分离而受到青睐，因此在涉及安全当局的符合性审核时易于理解安全布局。

虽然光伏逆变器制造商正在努力提高逆变器性能，但他们不断受到全球市场对降低太阳能光伏系统总运营成本的要求的压力，并被迫加强对改进逆变器拓扑结构和降低光伏逆变器安全关键部件成本的研究。因此，安全隔离开关的冗余监控元件成为在可能降低成本方面受到仔细审查的组件。

双核设计提供显著优势

为了同时简化和增强逆变器工作，ADI公司开发了一系列创新型混合信号控制处理器ADSP-CM41x系列。ADSP-CM41x设计的核心是其突破性的双独立内核安全概念，可将安全冗余和功能集成到单个芯片中。这是有史以来第一个架构，通过消除对外部监控元件的需求（这是当前标准），节省了大量的开发时间和系统成本。

新型ADSP-CM41x通过一系列特别针对可再生能源转换系统要求的特性解决了当今的功率转换问题，包括集成优化的硬件加速器，旨在提高核心功能的处理能力。此外，该器件的板载电弧故障检测功能简化了设计，并通过智能决策来提高可靠性和准确性，从而提高了安全性。

在单个芯片上的主 M4 控制内核上添加一个独立的 M0 监控内核，大大简化了具有冗余监测和控制信号路径的单容错系统的设计，同时降低了整体系统成本（图 2）。

图2.双核设计通过集成独立的 M0 监控内核，大大简化了冗余安全元件的设计。处理器通过专用邮箱系统进行通信，包括心跳信号的传输。

虽然 M0 和 M4 内核共享相同的芯片（从安全角度来看，成本降至最低），但内核通过创新的系统结构设计保持物理分离。通过双端口RAM邮箱进行处理器间通信，允许对冗余获取的过程参数进行独立检查和验证。

代码安全

除了物理电源安全外，还必须非常小心地确保正确解释运行这些系统的算法;损坏的流程可能导致安全受损的操作状态。此外，使用分离处理器内核功能的邮箱通信系统隔离处理器到处理器的通信是有利的。邮箱系统不是直接发送-接收握手的通信方法，而是允许任一内核随时隔离读/写数据。

为了代码安全，M4内核有自己的1 MB闪存和高达160 kB SRAM，而M0有自己的32 kB SRAM。M4 和 M0 处理器 L1 SRAM、闪存和邮箱内存均受零等待状态 SECDED ECC 保护，本机保护 32 位内存元件。写入 8 位和 16 位数据（如果适用）将导致自动后台读取-修改-写入 ECC 更新，通常没有可观察到的处理器停顿。刷新辅助硬件支持定期清理单位错误。多比特错误检测可以选择发出中断和/或故障信号。此外，对于错误检测，循环冗余校验 （CRC） 硬件块用于计算数据块的 CRC。这是基于CRC32引擎，该引擎计算呈现给它的32位数据字的CRC值。特别是，CRC单元可用于验证SRAM中闪存和常量数据块（文本或代码）的内容。

使用双核混合信号控制处理器进行交流电网监控

作为如何使用双核设计的示例，让我们来看看交流电网监控在光伏逆变器中的工作原理。交流电网监测基本上包括两个功能——频率监测和电压监测：

对于频率监控，它需要严格容忍的基于时间的测量，当使用RC振荡器作为备用时基时，这可能非常难以实现。因此，处理器使用单个振荡器或晶体 （XTAL） 作为主系统时钟 （SYSCLK） 输入，并使用 M0 上的附加 XTAL 作为监视器，防止主时钟源通过邮箱发生漂移。除漂移外，SYSCLK 线路中的时钟故障由内部振荡器比较器单元 （OCU） 直接处理。它使用外部低频振荡器 （LFO） 来检测各种情况，例如时钟死区和时钟频率限制违规，并可以生成多个事件来通知处理器违规情况。时钟不良信号（CLKNG）可以配置为在检测到故障事件时将芯片置于复位状态，并且还可以启动GPIO引脚安全状态机制。

交流电压监测必须确保相电压在所需的公差范围内，并且还用于两个隔离开关继电器的功能自检。为了实现单故障保护电压监控，处理器的模拟前端 （AFE） 由两个独立的 ADC 模块组成，每个模块由自己的 ADC 控制器、基准电压源和多个电源路径组成。其中，一个ADC模块由M4控制，而另一个由M0控制，允许在整个邮箱系统中进行完全冗余的电压测量和健全性检查。最重要的是，在将光伏逆变器联机之前，板载DAC可用于在内部单独练习AFE信号链的所有部分。

整合一切——光伏逆变器平台

除了混合信号处理器之外，还有许多其他关键组件需要在光伏系统中协同工作，以安全地通信、控制和传递数据和电流。

该设计采用冗余信号路径概念，包括冗余基准电压源、ADC 和 XTAL，以及内部振荡器和电压监控单元以及处理器间邮箱系统，允许完全消除监控系统中额外的外部监控元件（图 3）。图形LCD一目了然地提供所有相关的状态信息，而只需按一下按钮即可完成整个系统的完整校准周期。该装置配有一个记录广泛的软件包，并持有德国TÜV-SÜD于2016年3月颁发的VDE-AR-N4105符合性证明。

图3.VDE-AR-N-4105技术演示器框图，由VDE-AR-N-4105评估板和ADSP-CM419F EZ-KIT组成。®

图4.ADI公司的VDE-AR-N-4105技术演示器具有两个串联的电源继电器，构成交流电源路径，以及四个独立的高精度隔离电压测量通道，用于冗余监控交流电源电压，以及单相系统中的PV逆变器输出和继电器间电压。

太阳能的未来看起来很光明，但渐进式的进步还不够。正是在整个平台级别上各种技术的智能集成，将确保功率转换器设计的效率和安全性。每个单独的组件都必须根据能源市场对安全性、效率和成本的要求进行专门设计。提供完整、强大的平台（而不仅仅是零件）将使未来电源转换产品的制造商能够创建清洁、安全和经济实惠的系统。

安全认证

由于降低成本的努力很容易损害系统所需的安全水平，ADI公司与科隆的德国雇主责任保险协会BGETEM和施特劳宾的TÜV-SÜED合作解决了可能的安全问题，讨论如何将监控元件作为第二个处理器精确地集成到主处理器的同一硅芯片上。另一个考虑因素是这种双核处理器必须满足的最低要求，以符合光伏逆变器安全交流断开的监管标准。

因此，ADI公司的新型ADSP-CM41x处理器系列现在拥有德国TÜV-SÜD于2016年3月颁发的VDE-AR-N4105（Doc D8 16 03 95142 002）合规证书。它具有一组专门针对可再生能源转换系统的功率转换要求的功能，包括所有必要的安全元件，以弥补完全符合安全性的交流隔离开关。

此外，为了支持安全性，ADI公司的电源转换平台集成了基于其i耦合器数字隔离器技术的栅极驱动器和电流传感器。ADI的数字隔离器采用低应力、厚膜聚酰亚胺绝缘，可实现数千伏隔离，可与标准硅IC集成，并可采用单通道、多通道和双向配置制造。

审核编辑：郭婷