广芯微发布基于自研主芯片的光伏微型逆变器参考设计平台

概述

光伏逆变器是将光伏（PV）太阳能板产生的可变直流电压转换为市电频率交流电（AC）的逆变器，并网输入到电网输电系统。光伏逆变器是光伏发电系统中重要的组成部分，可以配合一般交流供电的设备使用。为给客户提供一个稳定高效、安全可靠、支持快速验证与二次开发的光伏微型并网逆变器的参考设计方案，广芯微电子（广州）股份有限公司采用自研UM3243F主芯片，设计了一套2-in-1光伏微型并网逆变器方案平台，实现单级变压拓扑，单板尺寸仅为175mm x 155mm，单板高度为23mm。该拓扑结构还可用于AC-DC开关电源等数字电源领域，有助于提升效率、缩减尺寸、减少BOM和降低功耗。   

本光伏微型逆变器参考设计平台具有以下优点：

1. 高效率：市面主流的光伏逆变器采用双级功率转换结构，本方案采用单级变压结构，减少功率转换带来的损耗，提高率转效率；

2. 拓扑结构精益：采用单级变压结构，有效减少功率零件和信号采样数量，功耗更低、发热更少；

3. 紧凑尺寸: 采用自研Cortex-M4微处理器UM3243F芯片以及精益拓扑结构，进一步精简单板尺寸与元器件成本；

4. 保护：输入过压过流保护、输出过流保护、电网电压和频率检测及保护；

5. 无线通信：基于互联网的WiFi无线通讯，可实时监控系统状态和电量，并可搭配广芯微自研的Sub-GHz 无线数据采集系统，可以支持公里级户外数据无线传输，提供更加灵活的应用场景。

硬件方案介绍

在光伏微型逆变器控制模块中，主要组成部分包括广芯微自研主控高性能数字电源MCU UM3243F、功率半导体、无源元件和栅极驱动电路等。通过独立UM3243F控制，实现两路光伏电流输入，一路交流电流输出的2-in-1光伏微型逆变器方案。UM3243F以其高性能指标与数字电源控制算法，可以完全取代以往基于DSP的实现方案。

     

光伏微型逆变器方案

软件方案介绍

对光伏板和交流网进行电压、电流采样，通过“调频移相”控制方法实时计算出需要的开关频率和移相角度，实现对输入到220V/50Hz、220V /60Hz电网的交流电流的精确控制，同时获得高质量的输出电流和最大功率点跟踪（MPPT）。

光伏微型逆变器方案系统框图

保护方案介绍

输入过压保护：当直流侧输入电压高于逆变器允许的最大值时，逆变器不会启动或停止运行(当正在运行时)，同时会通过无线通信上送报警信息。直到直流侧电压恢复到逆变器允许的工作范围后，逆变器将会再自动正常启动运行。

输入过流保护：当微型逆变器运行时，其输入电流高于允许的最大值时，逆变器(当正在运行时) 会止运行并通过无线通信上送报警信息。

输出过流保护:当微型逆变器运行时，其输出电流峰值高于允许的最大输值时，逆变器会止运行并通过无线通信上送报警信息。

输出过/欠压，过/欠频保护：逆变器会实时测量交流电网的电压和频率，如果发现过/欠压，过/欠频等异常状态，逆变器会止运行并通过无线通信上送报警信息。在电网电压、频率恢复到允许的范围时，逆变器会再自动正常启动运行。

微型光伏逆变器平台演示板

下图是2-in-1 600W 光伏微型逆变器平台的演示板

2-in-1微型光伏逆变器的演示板 单板尺寸175mm （长）x 155mm（宽）  

功能参数及测试波形 

功能参数

功率：2 x 300W

峰值效率：~96.2%

电流总谐波畸变率：< 4%

功率因数：>0.99

测试波形

下图是微型逆变器工作在187 – 254V电网电压下2 x300W功率输出的波形，微型逆变器可以在不同的电网电压下进行可靠工作。

   

下图是微型逆变器在20 – 100%光照下的动态最大功率点跟踪效果。微型逆变器可以在不同的光照情况下，对光伏板最大功率点进行准确跟踪，确保最大发电量。

 

下图是微型逆变器在220V50Hz和60Hz的交流电网下工作波形，微型逆变器可以应用到不同交流电网场合。


220V/60Hz 电网

220V/50Hz 电网   

UM3243F芯片特点：

ARM Cortex -M4F内核，工作频率最高可达到240MHz；  

支持DSP指令与单精度FPU；

内置自研硬件运算协处理器Cordic运算单元；

ADC支持单端和差分，最高采样率6.375Msps；

PWM精度最高2.08ns；

内建加解密引擎AES(128/256）和SHA256；

动态功耗：100uA/MHz（低压模式下80uA/MHz）；

支持SDIO，CAN， EMAC接口。

 

审核编辑：刘清