根據(jù)國際能源署 (IEA) 的數(shù)據(jù)，隨著太陽能逆變器市場快速增長，設計人員必須能夠更快地設計系統(tǒng)以滿足市場需求。但是這些類型系統(tǒng)的高電壓需要在組件選擇和系統(tǒng)設計方面格外小心，以開發(fā)安全運行的設備。由于 1,000 V RMS 的系統(tǒng)電壓和 5 V 微控制器 (MCU) 在太陽能逆變器系統(tǒng)中共存，因此高低壓側之間的隔離是給定的。工程師選擇正確的數(shù)字隔離器有助于確保這些系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖 1 顯示了無變壓器并網太陽能轉換系統(tǒng)的簡化系統(tǒng)框圖。太陽能由光伏 (PV) 面板收集并由后級 DC/DC 和 DC/AC 轉換器處理。DC/DC 轉換器實現(xiàn)太陽能的最大功率點跟蹤 (MPPT)。DC/AC 逆變器將 DC 電源轉換為 AC 電源以連接到公用電網。

圖 1：無變壓器太陽能轉換系統(tǒng)的典型系統(tǒng)框圖

控制模塊處理來自電壓和電流傳感器的反饋信號，并向絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)/碳化硅 (SiC) MOSFET 柵極驅動器提供正確序列和頻率的脈寬調制 (PWM) 控制信號以調節(jié)電源轉換器的電壓和電流。電壓和電流調節(jié)旨在實現(xiàn)對電網的 MPPT 和潮流控制?？刂颇K通過 RS-485、控制區(qū)域網絡 (CAN) 或工業(yè)以太網等標準通信接口與控制網絡的其余部分連接。

此外，控制模塊具有人類可以接觸到的部件；例如，通信接口的連接器。這些外露部件與高壓電路（連接到直流母線和公用電網的電路）之間需要足夠的安全隔離。隔離式柵極驅動器、隔離式電壓放大器和電流檢測放大器可以實現(xiàn)這種隔離。在圖 1 中，顯示了一個人類可訪問的控制模塊，隔離式柵極驅動器的輸入側和隔離式放大器的輸入側以接地為參考，與高壓系統(tǒng)安全隔離。圖 2 顯示了如何在控制模塊和通信接口之間引入額外的隔離。

圖 2：無變壓器太陽能轉換系統(tǒng)的替代系統(tǒng)框圖

國際電工委員會 (IEC) 62109-1 是太陽能轉換器的安全標準。本標準定義了設計和制造電力轉換設備 (PCE) 的最低要求，以防止電擊、能量、火災、機械和其他危險。我們如何選擇合適的隔離器來滿足 IEC62109-1 標準規(guī)定的隔離要求？這是我們可以遵循的簡單六步流程。

步驟 1：確定系統(tǒng)中存在的隔離器，并確定每個隔離器是否需要功能性、基本或增強型隔離。可以通過兩個串聯(lián)的基本隔離器或一個增強型隔離器來實現(xiàn)安全隔離。在圖 1 中，隔離式柵極驅動器以及隔離式電壓和電流檢測電路都需要支持增強隔離。在圖 2 中，數(shù)字隔離器需要支持增強隔離，因為隔離的柵極驅動器和放大器以 DC– 為參考，并且僅實現(xiàn)了功能隔離。

第 2 步：確定系統(tǒng)電壓。PV 和并網電路的系統(tǒng)電壓分別定義。對于光伏電路，系統(tǒng)電壓是光伏電池板的開路電壓。對于并網電路，系統(tǒng)電壓取決于接地方案。中性接地的三相 400 V RMS Terra Neutral (TN) 電網電壓具有 230 V RMS的系統(tǒng)電壓。并網電路不允許插值系統(tǒng)電壓；因此，我們將需要使用下一個更高的系統(tǒng)電壓。例如，根據(jù) IEC62109-1，230V RMS的系統(tǒng)電壓被視為 300V RMS。三相480V RMS角接地系統(tǒng)的系統(tǒng)電壓為480V有效值。

步驟3：根據(jù)IEC62109-1標準確定每個隔離器對臨時過電壓和沖擊/浪涌電壓的要求。我們可以根據(jù)預先確定的系統(tǒng)電壓和過電壓類別確定臨時電壓和脈沖電壓要求，同時遵守 IEC62109-1 中定義的規(guī)則。對于增強隔離，我們將需要使用下一個更高級別的脈沖電壓，同時將臨時過壓要求加倍。

第4 步：確定設計中使用的每個隔離器所需的間隙。我們可以根據(jù)步驟 4 中確定的脈沖電壓和暫時過電壓以及污染程度，同時遵循 IEC62109-1 中定義的規(guī)則來推導出間隙。對于增強隔離，我們將需要使用下一個更高的脈沖電壓和 1.6 倍的過電壓。

第五步：根據(jù)隔離器的實際工作情況確定工作電壓（峰值和有效值）。確定工作電壓并不簡單，取決于系統(tǒng)電壓、系統(tǒng)配置和操作模式。例如，DC/AC逆變器的工作電壓取決于調制指數(shù)。更高的調制指數(shù)意味著更高的工作電壓。我們可以將直流母線電壓視為最壞情況下的工作電壓。

第 6 步：根據(jù) IEC62109-1 根據(jù)工作電壓確定爬電距離。我們可以按照 IEC 62109-1 中定義的規(guī)則，根據(jù)工作電壓、污染程度和封裝模塑料材料確定爬電距離。對于增強隔離，我們需要將爬電距離要求加倍。

選擇隔離器時，請確保其滿足上述步驟中獲得的浪涌電壓、暫時過電壓、工作電壓、爬電距離和間隙要求。勾選完這六個步驟后，我們就可以很好地設計一個強大的太陽能逆變器系統(tǒng)。