下一波功率轉(zhuǎn)換浪潮 — 專為實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光伏逆變器的安全、速度和成本效益而設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能不再是一項(xiàng)新興技術(shù)，而是正在經(jīng)歷重大技術(shù)變革的技術(shù)，日趨成熟。我們朝著電網(wǎng)平價(jià)—太陽(yáng)能成本與傳統(tǒng)能源發(fā)電類型的成本相當(dāng)，并且改進(jìn)傳統(tǒng)能源發(fā)電類型的構(gòu)成—的目標(biāo)越來越近，因?yàn)閷⒚姘逯械闹绷麟娹D(zhuǎn)換為可用交流電的過程變得更加高效且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

但是，雖然太陽(yáng)能面板在近幾年價(jià)格顯著降低，但下一波太陽(yáng)能發(fā)展浪潮將由功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的新技術(shù)推動(dòng)。先進(jìn)復(fù)雜的多級(jí)功率開關(guān)拓?fù)涞呐d起將基于碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)材料，加上更高的工作電壓（最高1600 VDC），實(shí)現(xiàn)更加快速的功率開關(guān)，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，性能將大幅提高。更高的開關(guān)頻率意味著功率轉(zhuǎn)換器的無源元件—即，感應(yīng)線圈和電容—尺寸可以大幅減小，從而可減輕重量、降低成本。這兩項(xiàng)均為太陽(yáng)能市場(chǎng)進(jìn)一步擴(kuò)大的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。

因此，這些新的功率開關(guān)拓?fù)湔谕苿?dòng)可提供相關(guān)控制和支持的器件的變革。更小、更快的系統(tǒng)需要整個(gè)功率轉(zhuǎn)換信號(hào)鏈的改進(jìn)—更快的處理和更好的器件集成。但是，隨著現(xiàn)代光伏逆變器越來越小，這些創(chuàng)新加劇了處理功率轉(zhuǎn)換所固有的重要安全性問題的挑戰(zhàn)—也就是說，由于這些系統(tǒng)尺寸縮小，危險(xiǎn)電壓的物理隔離變得更加復(fù)雜。

雖然太陽(yáng)能面板或太陽(yáng)能模塊是太陽(yáng)能系統(tǒng)的核心，也是較為明顯的部分，但在整個(gè)信號(hào)鏈中，更復(fù)雜的部分是光伏逆變器—控制系統(tǒng)的大腦。光伏逆變器需要經(jīng)過仔細(xì)設(shè)計(jì)，以保護(hù)電流測(cè)量和計(jì)算電路，使其不受功率處理電路以及開關(guān)所引起的瞬態(tài)信號(hào)影響。但是，這種保護(hù)代價(jià)不菲：多個(gè)冗余隔離器件會(huì)提升成本和系統(tǒng)復(fù)雜性。而且很明顯，通過可編程處理器來運(yùn)行這些系統(tǒng)所需的日益復(fù)雜的算法，需要考慮代碼完整性以保證系統(tǒng)自身的安全性問題。

此外，官方的安全認(rèn)證是所有開發(fā)人員面臨的要求。必須遵守許多有關(guān)安全斷開連接（和重新連接）的法規(guī)。系統(tǒng)必須以多快的速度響應(yīng)、如何處理掉電和停電、快速斷開連接和電弧檢測(cè)，這些均必須得到解決—在許多情況下，每個(gè)國(guó)家/地區(qū)的解決辦法不同。由于認(rèn)證會(huì)增加開發(fā)時(shí)間（成本），因此已證明合格的器件和方法極具吸引力，并且還需要足夠靈活，能夠適應(yīng)多個(gè)不斷演變的區(qū)域安全法規(guī)。

幸運(yùn)的是，通過使用可集成先進(jìn)混合信號(hào)控制處理器、并被互補(bǔ)隔離電流檢測(cè)和柵極驅(qū)動(dòng)器技術(shù)包圍的功率逆變器平臺(tái)，這些問題便可以迎刃而解。

冗余—單一故障安全

對(duì)于安全關(guān)鍵應(yīng)用，如太陽(yáng)能光伏逆變器的交流監(jiān)控器和隔離器，除了監(jiān)控設(shè)備以外，安全標(biāo)準(zhǔn)需要冗余的監(jiān)控元件，以確保單一故障安全。在傳統(tǒng)光伏逆變器中，這一點(diǎn)通過在系統(tǒng)中添加監(jiān)控處理器來完成，該處理器充當(dāng)冗余監(jiān)控元件，然后控制繼電器K2（圖1）。

圖1. 在傳統(tǒng)光伏逆變器控制硬件中，單獨(dú)的監(jiān)控處理器負(fù)責(zé)冗余安全元件K2及相關(guān)監(jiān)控。兩個(gè)處理器均運(yùn)行部分安全軟件，并通過標(biāo)準(zhǔn)I/O設(shè)施通信。

很容易可以看到，這使得系統(tǒng)控制硬件的總體成本顯著增加，因?yàn)殡m然監(jiān)控元件實(shí)際上包含具有良好性能要求的處理器，但也必須添加額外的支持基礎(chǔ)架構(gòu)。另一方面，這種配置的冗余元件分離顯而易見，因此在安全機(jī)構(gòu)進(jìn)行合格審計(jì)時(shí)，這是易于理解的安全布局。

雖然光伏逆變器制造商力求提高逆變器性能，但全球市場(chǎng)對(duì)降低太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)總運(yùn)行成本的需求使制造商不斷備受壓力，并且被迫加強(qiáng)研究，以改善逆變器拓?fù)洳⒖s減光伏逆變器安全關(guān)鍵器件的成本。因此，為了盡可能的縮減成本，安全隔離器的冗余監(jiān)控元件成為了應(yīng)嚴(yán)格審核的器件。

雙核設(shè)計(jì)提供顯著優(yōu)勢(shì)

對(duì)同時(shí)簡(jiǎn)化和增強(qiáng)逆變器操作的渴望，驅(qū)使ADI公司開發(fā)了一系列創(chuàng)新的混合信號(hào)控制處理器，ADSP-CM41x系列。ADSP-CM41x設(shè)計(jì)的核心是具有突破性的獨(dú)立雙核安全概念，可將安全冗余和功能集成到單芯片中。這個(gè)史無前例的架構(gòu)無需外部監(jiān)控元件（這是目前的標(biāo)準(zhǔn)），可以節(jié)省大量開發(fā)時(shí)間和系統(tǒng)成本。

全新ADSP-CM41x通過一組專門針對(duì)可再生能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)要求的特性，解決當(dāng)今的功率轉(zhuǎn)換問題，包括集成優(yōu)化的硬件加速器，旨在提高內(nèi)核處理能力。此外，設(shè)備的板載電弧故障檢測(cè)功能可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，并通過智能決策增強(qiáng)安全性，從而提高可靠性和精度。

通過在單芯片上的主M4控制內(nèi)核中添加獨(dú)立的M0監(jiān)控內(nèi)核，帶有冗余監(jiān)控和控制信號(hào)路徑的單一故障容錯(cuò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)得到了顯著簡(jiǎn)化，同時(shí)降低了整體系統(tǒng)成本（圖2）。

圖2. 雙核設(shè)計(jì)通過集成獨(dú)立M0監(jiān)控內(nèi)核，大大簡(jiǎn)化了冗余安全元件的設(shè)計(jì)。處理器通過專用郵箱系統(tǒng)進(jìn)行通信，包括心跳信號(hào)的傳輸。

雖然M0和M4內(nèi)核在同一片晶圓上—從安全的角度來看，成本最少—但內(nèi)核通過創(chuàng)新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以物理方式分離開來。通過雙端口RAM郵箱的處理器間通信可獨(dú)立檢查并驗(yàn)證冗余獲得的工藝參數(shù)。

代碼安全

除了物理電源安全，務(wù)必要小心謹(jǐn)慎，以確保運(yùn)行這些系統(tǒng)的算法得到正確解讀；過程受破壞可導(dǎo)致安全性削弱的工作狀態(tài)。此外，使用可將處理器內(nèi)核功能分離的郵箱通信系統(tǒng)來隔離處理器之間的通信較為有利。郵箱系統(tǒng)允許任意內(nèi)核隨時(shí)隔離讀取/寫入數(shù)據(jù)，而不是直接的發(fā)送—接收信號(hào)交換通信方式。

為了代碼的安全，M4內(nèi)核具備1 MB閃存和高達(dá)160 kB SRAM，而M0具備32 kB SRAM。M4和M0處理器L1 SRAM、閃存和郵箱存儲(chǔ)器均采用零等待狀態(tài)SECDED ECC加以保護(hù)，并原生保護(hù)32位存儲(chǔ)器元件。在適當(dāng)?shù)牡胤綄懭?位、16位數(shù)據(jù)將導(dǎo)致后臺(tái)自動(dòng)讀取—修改—寫入ECC更新，通常不存在可觀察到的處理器停頓。刷新輔助硬件可周期性處理單個(gè)位錯(cuò)誤。多位錯(cuò)誤檢測(cè)還可用來觸發(fā)中斷和/或故障。此外，對(duì)于誤差檢測(cè)，使用循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)硬件模塊計(jì)算數(shù)據(jù)塊的CRC。它基于CRC32引擎，可計(jì)算傳遞給它的32位數(shù)據(jù)字的CRC值。特別地，可以使用CRC單元來驗(yàn)證閃存內(nèi)容，即SRAM中常數(shù)數(shù)據(jù)塊（文字或代碼）。

利用雙核混合信號(hào)控制處理器實(shí)現(xiàn)交流電網(wǎng)監(jiān)控

作為如何利用雙核設(shè)計(jì)的示例，我們來看看光伏逆變器中交流電網(wǎng)監(jiān)控的工作原理。交流電網(wǎng)監(jiān)控主要包含兩個(gè)功能—頻率監(jiān)控和電壓監(jiān)控：

對(duì)于頻率監(jiān)控，需要嚴(yán)格容許的基于時(shí)間的測(cè)量，當(dāng)使用RC振蕩器作為備份時(shí)基時(shí)，這可能很難實(shí)現(xiàn)。因此，處理器使用單振蕩器或晶振(XTAL)作為主系統(tǒng)時(shí)鐘(SYSCLK)輸入，使用M0上的其他XTAL監(jiān)控通過郵箱的主時(shí)鐘源漂移。SYSCLK線路上除漂移以外的時(shí)鐘故障由內(nèi)部振蕩器比較器單元(OCU)直接處理。它使用外部低頻率振蕩器(LFO)檢測(cè)各種條件，如時(shí)鐘消失和時(shí)鐘頻率超限，并且可生成數(shù)個(gè)事件，通知處理器相關(guān)違反情況。檢測(cè)到故障事件時(shí)，可以配置時(shí)鐘不良信號(hào)(CLKNG)，將芯片置于復(fù)位狀態(tài)，它還能初始化GPIO引腳安全狀態(tài)機(jī)制。

交流電壓監(jiān)控必須確保相電壓在所需容差范圍內(nèi)，還可以用于兩個(gè)隔離開關(guān)繼電器的功能自測(cè)。為實(shí)現(xiàn)單一故障耐電壓監(jiān)控，處理器的模擬前端(AFE)包含兩個(gè)單獨(dú)的ADC塊，分別具備各自的ADC控制器、基準(zhǔn)電壓和多電源路徑。當(dāng)然，一個(gè)ADC塊由M4控制，另一個(gè)由M0控制，以實(shí)現(xiàn)郵箱系統(tǒng)的完全冗余電壓測(cè)量和完整性檢查。除此之外，在使光伏逆變器聯(lián)網(wǎng)之前，板載DAC可用于在內(nèi)部單獨(dú)應(yīng)用AFE信號(hào)鏈的所有器件。

將器件連接起來—光伏逆變器平臺(tái)

除了混合信號(hào)處理器，光伏系統(tǒng)中還有許多其他關(guān)鍵器件需要一起使用，以便安全地通信、控制和傳遞數(shù)據(jù)與電流。

設(shè)計(jì)采用冗余信號(hào)路徑概念，包括冗余參考、ADC和XTAL，以及內(nèi)部振蕩器和電壓監(jiān)控單元與處理器間郵箱系統(tǒng)，允許從監(jiān)控系統(tǒng)中完全消除其他外部監(jiān)控元件（圖3）。圖形LCD提供所有相關(guān)狀態(tài)信息，一目了然，只需按一下按鈕便可以執(zhí)行整個(gè)系統(tǒng)的完整校準(zhǔn)周期。該單元配備經(jīng)過廣泛驗(yàn)證的軟件包，并持有德國(guó)TüV-SüD在2016年3月頒發(fā)的VDE-AR-N4105合格認(rèn)證。

圖3. VDE-AR-N-4105技術(shù)演示裝置框圖，包括VDE-AR-N-4105評(píng)估板和ADSP-CM419F EZ-KIT?。

圖4. ADI公司的VDE-AR-N-4105技術(shù)演示裝置采用構(gòu)成交流主電源路徑的兩個(gè)串聯(lián)型電源繼電器，以及在單相系統(tǒng)中冗余監(jiān)控交流電源電壓、光伏逆變器輸出和繼電器間電壓的四個(gè)獨(dú)立高精度隔離電壓測(cè)量通道。

太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)前景光明，但不斷進(jìn)步還不夠。在全平臺(tái)級(jí)別智能整合各種技術(shù)將確保功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的效率和安全。每個(gè)器件必須以能源市場(chǎng)的安全、效率和成本要求為考量，進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。提供完整穩(wěn)健的平臺(tái)—不只是器件—將允許未來功率轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品的制造商創(chuàng)造出清潔、安全且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的系統(tǒng)。

安全認(rèn)證

由于成本縮減工作很容易削弱所需的系統(tǒng)安全水平，因此ADI公司就如何將監(jiān)控元件作為第二個(gè)處理器集成到主處理器的相同硅片上，與科隆的德國(guó)雇主責(zé)任保險(xiǎn)協(xié)會(huì)BGETEM和施特勞賓的TüV-SüED合作，共同解決潛在安全問題。另一個(gè)考慮因素是此類雙核處理器必須滿足的最低要求，以便符合有關(guān)光伏逆變器上交流電安全斷開連接的監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)。

因此，ADI公司的全新ADSP-CM41x處理器系列現(xiàn)在持有德國(guó)TüVSüD在2016年3月頒發(fā)的VDE-AR-N4105合規(guī)認(rèn)證（文件D8 16 0395142 002）。該系列配備一組專門針對(duì)可再生能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)功率轉(zhuǎn)換要求的特性，包括所有必要的安全元件，以組成完全符合安全性的交流斷路器。

此外，為了支持安全性，ADI公司功率轉(zhuǎn)換平臺(tái)以其iCoupler?數(shù)字隔離器技術(shù)為基礎(chǔ)，集成了柵極驅(qū)動(dòng)器和電流傳感器。ADI公司的數(shù)字隔離器利用低應(yīng)力厚膜聚酰亞胺絕緣層實(shí)現(xiàn)數(shù)千伏的隔離，可以將其與標(biāo)準(zhǔn)硅IC集成，形成單通道、多通道和雙向配置。