隔离技术有助于将太阳能光伏系统集成到智能电网中

直接从太阳辐射产生的电能的主要部分是由太阳能光伏（PV）电池产生的，它将光能的光子转换为构成电流的电子流。

太阳能光伏（PV）逆变器转换来自太阳能电池板的电力，并将其有效地部署到公用电网。来自太阳能电池板的直流电就像直流电流源一样，被转换为交流电，并以正确的相位关系馈送到公用事业的电网，效率高达98%。光伏逆变器转换过程可以分一个或多个阶段进行。

第1阶段通常是从构成面板的低压高电流太阳能电池到与电网交流电压兼容的高电压低电流水平的DC-DC转换。根据拓扑结构以及是否有足够的太阳能电池串联在直流侧，此阶段可能不是必需的，以确保在所有负载条件下稳定的高电压。

在第2级中，直流转换为交流，通常使用H桥拓扑。光伏逆变器设计可以使用H桥的变化，例如中性点钳位（NPC），以提高效率并降低系统中的无功功率。

早期的太阳能光伏逆变器只是将电力倾倒到公用电网的模块。较新的设计强调安全性、智能电网集成和降低成本。设计人员正在寻求现有太阳能逆变器模块中未使用的新技术，以提高性能并降低成本。

一个关键要素是基于计算机的仪器和控制，但隔离栅必须保护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。本文将介绍i耦合器隔离技术如何通过使用ADI公司的隔离式模数转换器（ADC）和栅极驱动器来降低成本、提高智能电网集成度并提高太阳能光伏逆变器的安全性。

智能电网

什么是智能电网？IMS Research将智能电网定义为“具有有效匹配和管理发电和消费的固有能力的公用事业供电基础设施，同时从可用资源中获得最大收益。这意味着新一代太阳能光伏逆变器需要更多的智能来连接智能电网，特别是在多个来源可用的电力超过电网需求的情况下处理不平衡。因此，光伏系统智能化的重点需要放在电网整合上，其中系统电力的每个贡献者必须合作以稳定电网，而不是简单地提供电力开环。电网整合需要更好地测量、控制和分析馈入电网的能源质量。此外，新的指令和更高的技术要求需要新技术。

因此，智能电网集成的一个重要局部特征可能是储能，通过存储不需要的电能来减少电网上的湍流，直到高峰使用期间需要它。本文的其余部分将重点介绍电气隔离在保护用于测量和控制源、互连和存储元件的仪表电路方面的作用，主要强调i耦合器技术的关键作用。特别是AD7401A隔离式ADC和ADuM4223隔离式栅极驱动器，其性能可满足新型太阳能光伏逆变器设计的需求。

隔离技术

在i耦合器技术中，变压器将数据耦合到两个单独供电的电路之间，同时避免它们之间的任何电流连接。变压器采用晶圆级加工直接在芯片上制造。金层下方的高击穿聚酰亚胺层将上部线圈与下层线圈隔离开来。使用1 ns脉冲编码的输入逻辑转换被路由到变压器的初级侧。从一个变压器线圈耦合到另一个变压器线圈的脉冲由变压器副边的电路检测。

隔离式模数转换器

图2显示了一对太阳能光伏逆变器，如介绍中所述。它们连接到连接到电网的电源总线，可独立测量和切换。每个太阳能电池板都连接到其DC-DC升压电路，然后连接到DC-AC逆变器。（使用时，蓄电池将在控制下连接和切换。为了简化此解释，省略了对存储的任何讨论）。

图2.太阳能光伏系统示例。

数字信号处理器 （DSP） 控制该过程。AD7401A隔离式ADC测量25 A量级的交流输出电流，太阳能光伏逆变器系统的输出端可能有也可能没有隔离变压器。如果省略变压器以节省成本，太阳能光伏逆变器还必须测量输出电流的任何直流分量。这种“直流注入”的存在和大小是一个关键问题，因为注入电网的过多直流电流可能会使其路径中的任何变压器饱和。该值必须限制在低毫安范围内，因此AD7401A必须测量25 A范围内的交流电流和低千安直流电流。

AD7401A i耦合器隔离式Σ∆调制器ADC对分流器两端的电压进行连续采样，如图3所示。其输出为1位数据流，隔离并直接馈入DSP。输出流中1的密度代表输入幅度，可以使用DSP中实现的数字滤波器重建。

图3.隔离式AD7401A ADC。

太阳能光伏逆变器系统需要隔离，主要是因为交流电网上出现高电压。即使在单相系统中，交流电压也可能达到380 V的峰值。AD7401A的隔离可以处理高达561 V的双极性电压，非常适合此应用。使用AD7401A的一个关键优势是，其小封装允许ADC非常靠近实际交流分流器，而DSP可能距离一定距离，甚至位于系统的另一块电路板上。这提高了测量和控制系统中数据的准确性和可靠性。ADC 输出数据通过单比特流以 16MHz 时钟速率串行发送到 DSP，由 DSP 提供。

该系统可以测量高达 25 A 的交流电流和低毫安范围内的直流注入。图4显示了AD7401A SMS太阳能模块的失调和线性误差。这显示了分流器中在整个温度范围内±20 mA时的失调电流。因此，该模块可以使用单一解决方案测量低至 20 mA 的直流注入以及 25A（或更高）的系统电流。电流互感器和其他类型的测量系统可能需要两个设备，一个用于大交流电流（25 A范围），另一个用于小直流电流（300 mA范围）。这是i耦合器技术如何在节省成本的情况下提供智能电网集成的一个例子。

为了最大限度地减少分流器的功率损耗（以及自发热引起的热误差），需要将其电阻保持在尽可能低的值，通常为1 mΩ。Σ-∆转换器的高分辨率使分流损耗与传统的磁传感器解决方案相当，同时实现更好的精度和更低的失调，如图4所示。

图4.AD7401A SMS太阳能模块的失调和线性度

a. 偏移与温度的关系。b. 误差与输出电流的关系。

虽然满量程精度非常好，但对器件线性度的真正考验是其绝对误差，尤其是在低量程时。绝对误差是与其值范围内的测量相关的误差，而不仅仅是满量程下的误差。一些电流互感器将其器件指定为0.1%满量程范围。虽然这看起来不错，但它可能无法说明全部情况。

从图4所示的数据来看，使用AD7401A进行电流测量的绝对误差在整个范围内相当低，表明太阳能光伏逆变器输出波形的非线性度较低，谐波失真降低。反过来，这有助于减少与电网集成时的谐波失真，为这项新技术如何提高性能提供了另一个例子。

隔离式栅极驱动器

太阳能光伏逆变器的效率越高，它每年从给定的太阳能输入中产生的能量就越多，从而为太阳能农场带来更好的投资回报。由于成本较低，目前的趋势是将无变压器电气系统馈入公用电网。逆变器的效率水平相应越高，因此需要更加关注其测量和控制电子器件的内部隔离，即逆变器MOSFET和/或栅极驱动器的功率部分与低压电路之间的隔离。

图5.太阳能光伏逆变器的H桥电路示例。

图5显示了典型太阳能光伏逆变器DC-AC转换器的H桥配置的一种可能实现。对于当今市场上的新型SiC型JFET，电路中的直流母线电压范围为300 V至1000 V。H桥的电流输出波形使用电感器和电容器进行滤波。输出继电器以受控方式将滤波后的输出连接到电网。在高压环境中驱动MOSFET的栅极和源极端子需要一个栅极驱动器，这是太阳能光伏逆变器中隔离的又一次场合。

例如，ADuM4223 4 A隔离式双通道栅极驱动器具有两个独立的隔离通道，如图6所示。它的最大传播延迟为 60 ns，共模瞬态抗扰度为 >100 kV/μs（最大值）。该器件符合各种标准，如数据手册中所述的 DIN VDE0110、DIN VDE 088410 和 UL1577 的相关部分。

图6.ADuM4223栅极驱动器

以下是ADuM4223的一些最重要的隔离参数：

最大连续工作电压

交流单极性和直流 1131 V

交流双极 565 V

浪涌隔离电压 6 kV

额定介电绝缘电压 5 kV

该器件在一个封装中具有两个通道，分别用于高端和低侧 MOSFET。将两个通道集成在一个封装中可节省PCB的成本和空间。

对于传统的光耦合器，要么需要一个在隔离栅极上具有电平转换的光耦合器，要么可能需要两个光耦合器（有关更多详细信息，请参见MS-2318技术文章）——这是这种新型隔离技术如何降低成本的另一个示例。

太阳能光伏逆变器的另一个重要问题是需要高共模瞬态抗扰度，以确保系统中的任何大瞬变（dV/dt）不会越过隔离栅，无论是电容耦合还是其他方式，因为这将使高端和低侧MOSFET同时导通（并且是灾难性的）。ADuM4223具有高共模瞬态抗扰度：>100 kV/μs（最大值），为这项新技术如何提高系统安全性提供了另一个示例。

结论

电流隔离是实现集成大量太阳能光伏逆变器的智能电网所需的测量和控制系统的重要要求。ADI公司的隔离式ADC能够在单个解决方案中同时测量大电流和直流注入电流，能够紧凑而高效地为智能电网集成电路做出贡献。ADI隔离式栅极驱动器具有良好的共模瞬态抗扰度规格，有助于提高这些新型光伏逆变器系统的安全性和可靠性。

新技术将成为促进智能电网整合和安全高效生产绿色能源的主要因素，在电网稳定和提高所有电网系统工作人员的安全性方面发挥着关键作用。本文讨论的隔离产品是ADI公司广泛的工业测量和控制产品组合中创新的重要示例，适用于当前和未来的设计。

审核编辑：郭婷