利用微型逆变器优化太阳能系统的设计

        每当考虑改变架构时都会关注其成本。为满足系统的价格目标，为每个面板都配备一个控制器意味着该控制器的成本必须要有竞争力、外形较小，但仍能同时处理所有的控制、通信和计算任务。

        片上集成恰当的控制外设以及高模拟集成度是保证系统低成本的两个基本要素。为执行针对优化转换、系统监控和能量存储各环节中的效率所开发出的算法，高性能也是必需的。

        使用除可满足微型逆变器本身要求之外，还可处理包括AC/DC转换、DC/DC转换以及面板间通讯等整个系统大部分要求的MCU，可以减少因使用多个MCU所导致的成本增加。

        MCU特性

        仔细权衡这些高层次要求是确定MCU需要哪些功能的最好方法。例如，当并联面板时需要负载平衡控制。所选MCU必须能检测负载电流以及能通过开/关输出MOSFET升高或降低输出电压。这需要一个高速片上ADC来采样电压和电流。

        微型逆变器设计没有“一成不变”的模式。这意味着设计者必须有能力和创新精神采用新技巧、新技术，特别是在面板间和系统间的通信方面。最合适的MCU应支持各种协议，包括一些平常不会想到的如电力线通讯(PLC)和控制器局域网(CAN)等。特别是电力线通讯，因不再需专门的通信线路，所以可降低系统成本。但这需要MCU内置高性能PWM、高速ADC和高性能CPU。

        对于针对太阳能逆变器应用所设计的MCU，一个意想不到但极具价值的特性是双片上振荡器，它们可用于时钟故障检测以提高可靠性。能够同时运行两个系统时钟的能力也有助于减少太阳能电池板安装时出现的问题。

        由于在太阳能微型逆变器设计中凝聚了如此多的创新，对MCU来说，其最重要的特性也许就是软件编程能力了。该特性使得在电源电路设计和控制中拥有最高的灵活性。

        C2000微控制器配备了可高效处理算法运算的先进数字运算处理内核以及用于能量转换控制的片上外设集，已广泛应用于传统的太阳能电池板逆变器拓扑中。新推出的Piccolo系列C2000系列微控制器是经济款，该系列的最小封装只有38个引脚，但其架构更先进、外设也得到增强，从而可把32位实时控制的好处带给要求低总体系统成本的微型逆变器等应用。

        此外，Piccolo MCU系列的各款产品都集成了两个用于时钟比较的片上10MHz振荡器，以及带上电复位和掉电保护的片上VREG、多个高分辨率150ps的PWM、一个12位4.6兆次采样/秒的ADC以及I2C(PMBus)、CAN、SPI和UART等通信协议接口。图3显示了一个与基于微型逆变器的光伏系统一起使用的计算机系统配置。

图3：面向基于微逆变器PV的系统的MCU系统包含CPU、存储器、电源及时钟、外设。

        性能是微型逆变器的关键特性。尽管Piccolo系列器件相比其它C2000 MCU产品尺寸更小、价格更低，但其功能却有提升，例如它具有可为CPU分担处理复杂高速控制算法的可编程浮点控制律加速器(CLA)，从而使CPU无需处理I/O和反馈回路，在闭环应用中，可使性能提高5倍。

        光伏电池的挑战

        基于太阳能发电系统的缺点之一是转换效率。太阳能电池板能从每100mm2的光伏电池获取约1mW的平均电能。典型效率约为10％。光伏电源的功率系数(即在阳光一直照射的条件下，太阳能电池实际产生的平均电能与理论上可产生的电能之比)约为15％至20％。有多种原因导致这一结果，包括阳光本身的变化，如夜间完全消失，以及即使在白天，阴影和天气条件也常常导致光照减少。

        光电转换为效率计算引入了更多变数，包括太阳能电池板的温度及其理论峰值效率。对设计工程师来说，另一个问题是光伏电池产生的电压约有0.5V不规则变化。当选择能量转换拓扑时，这种变化会带来严重影响。例如，对低效的能量转换技术来说，它有可能消耗掉所采集到的很大一部分光伏电能。

        为适应太阳不是全天24小时都照射这一事实，太阳能供电系统要包含电池以及给电池高效充电所需的复杂电子器件。当电池被集成到系统中时，电池充电需要额外的DC/DC转换电路，同时还需要电池管理和监控。

        许多由太阳能供电的系统还与电网对接，从而要求相位同步和功率因数校正。还有许多需要复杂控制的使用环境。例如，必须内置故障预警机制以防范公共电网的停掉电等事件。这些仅仅是设计工程师必须要考虑的头等大事。

作者：Yu, Z

Ogboenyira, K

德州仪器