基于集成的MCU实现高性价比微型逆变器设计

微逆变通过提供电力转换在各个面板水平提供了有效的解决方案，以太阳能收获。高度集成的MCU的出现提供了一个有吸引力的方法，以微型逆变器的设计，提供了一个选项，降低了复杂性成本这限制了广泛采用微逆变器的过去。现在，设计人员可以利用现有的MCU的半导体制造商，包括飞思卡尔半导体，英飞凌，Microchip的技术，Spansion公司和德州仪器，以及其他搭建高效微型逆变器的设计。太阳能收集系统继续演变远离传统的集中式的解决方案（图1）。不像基于单个中央逆变器甚至多个串逆变器系统，微逆变转换功率从一个单一的面板。反过来，由微逆变每个面板上产生的AC电源组合对输出到负载。

图1：太阳能能量采集方法继续从中央逆变器系统（左）至演进到更多分布式串逆变器系统（中），和最后微逆变（右）内置于单独面板。（飞思卡尔半导体公司提供）通过产生交流电力的每个太阳能电池板，所述微逆变方法减少或消除了昂贵的布线，冷却，并与中央 - 或甚至串逆变器系统相关联的其他设施要求相关的成本。设施级，在总转换效率，由于在照明，底纹，污垢，或面板的年龄差异损失大大降低。虽然使用微逆变的增加个体面板的成本，太阳能装置整体通常具有更低的成本和更高的转换效率。

高性价比的解决方案

对于所有的优势明显，微逆变器却迟迟没有出现，以传统的逆变器系统的成本效益的替代品。在过去，太阳能逆变器设计的复杂的功能增加了这些系统足以抵消集中-太阳能能源解决方案的缺点的成本。事实上，有必要响应变化的环境条件，以最大限度地提高太阳能转换需要复杂的系统设计，是很难达到在需要在单个太阳能电池板的使用成本和有效性。在理想的情况下，太阳能电池板产生其最大功率输出在它的IV曲线的特定点的环境的特性和面板本身（图2，左图）所决定的。在实践中，这种最大功率点（MPP）可以是难以捉摸的，转移到不同的点功率曲线上进行阴影通过横跨面板从云或碎片收集在面板上（图2中，右）。复杂的太阳能系统使用最大功率点追踪（MPPT）的方法修改面板的工作电压，以确保面板产生其最大功率输出，尽管不断变化的条件。

图2：从在充足的阳光（左）和在部分遮荫（右）72小区180瓦太阳能板输出功率达到最大的功率曲线上的特定点，但发现，最大功率点可代表一个显著挑战。（凌力尔特提供）热门MPPT的方法，如扰乱和观察（P＆O）使用的周期性调整面板的渐进步骤的工作电压，寻求任何增加或减少面板的工作电压，可以提高面板电源简单的权宜之计输出。如果在工作电压的逐步增加导致了低功率输出时，P＆O算法将逐渐降低工作电压在下一个调整步骤 - 重复这个过程，直到工作电压增量的变化在两个方向上会导致较低的面板输出功率。在实践中，然而，在电源输出曲线的局部最大值的外观（参见图2，右侧）通常需要比简单步骤增量的更复杂的方法。

基于MCU的解决方案

在过去，建立一个有效的MPPT系统是一个复杂的任务，可能迅速增加成本和延长的明细表工程师处理角落例如局部最大值或其他因素。如今，工程师们可以找到各种各样的能够提供完整的解决方案，用最少的附加组件可用设备。事实上，集成的MCU提供片上功能能够处理的测量和分析的要求，经常需要仅仅互补模拟电路的电压和电流检测上的输出的输入和功率调节（图3）。单片机制造商通常提供相关联的软件库，包括准备使用的MPPT算法，进一步简化了设计过程微逆变设计者。

图3：集成微控制器，如Microchip的PIC16F690提供了一套完整的功能和需要的微逆变器的数字控制的片上外设。（Microchip的技术提供）对于MPPT实现，适合的MCU如在Microchip Technology的PIC 16F系列，Spansion的FM3 MB9B520M系列，以及英飞凌XMC4000系列结合了处理器核心，内存模拟外设的全面补充。至少，这些MCU提供一种模拟 - 数字转换器（ADC），用于测量面板电压与电流，电压参考和模拟比较器，用于精确的模拟处理，并且脉冲宽度调制（PWM）输出需要在电压转换器级。例如，Microchip Technology的PIC MCU 16F系列器件结合了8位CMOS微控制器核心，闪存和所需的模拟外设集。该PIC16F690 MCU集成了一个12通道10位ADC，两个模拟比较器，可编程片上电压参考，并捕捉/比较/ PWM，提供16位捕捉，分辨率下降到12.5 NS和16位分辨率比较下来以200纳秒。对PIC MCU 16F系列的其他成员扩展这些功能与需要提供进一步的增强了微型逆变器设计的其他外围设备。例如，Microchip的PIC16F913 MCU扩充基座周边设置了一台液晶控制模块，使设计人员能够直接在面板上提供用户反馈。飞思卡尔半导体公司的MC56F82xx数字信号控制器（DSC）系列提供针对微型逆变器设计的32位DSP内核和片上外设。它的特点，该MC56F82xx系列是基于60 MIPS 32位56800E内核。该系列的哈佛建筑风格融合了并行操作的三个执行单元，允许每个指令周期多达六个操作。与此同时，这些装置提供一个MCU式编程模型和优化的指令集。在他们的外围设备，这些设备包括两个12位8通道ADC，三个模拟比较器，集成ADC和飞思卡尔的增强型FlexPWM（eFlexPWM）与对照，边安置浩如烟海，和触发功能。德州仪器解决了需要与C2000 MCU的产品线，包括32位Piccolo MCU的32位多核德尔菲诺MCU，32位定点DSC，以及16位DSP微控制器系列的实时性能。专为实时应用而设计，C2000 MCU系列提供了能够快速采集的模拟数据，执行所需的计算，并在单个时钟周期内调节PWM输出的高度集成的器件广泛的价格/性能点。除了为MCU需要用片上外设和实时性能，工程师开发的太阳能能量采集也能发现自己面临的安全要求，如IEC 61508 SIL-3安全标准的高电压应用的必要补充。为了满足这一新兴需求，德州仪器（TI）提供了大力神RM系列安全微控制器中。围绕着一对锁步操作的ARM Cortex-R4F内核，这些器件结合的ADC，用的PWM设计，不断监视自己的操作，并提供近乎实时的故障检测，而不影响性能的功能。

结论

放置每个单独的太阳能电池板，微逆变可以提供高效率的太阳能转换，降低成本。在过去，但是，需要能够从太阳能电池阵列中提取最大功率复杂的设计排除广泛使用这种分散的方法。如今，工程师们可以利用广泛的MCU阵列集成到执行有效的能量收集所需要的外围设备的优势。这样一来，工程师可以快速实现基于能够满足广泛的应用性能需求和功能能力的MCU的高性价比微逆变器的设计。