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TI芯科技赋能中国新基建之解锁光伏创新

2025China.cn   2022年09月08日

  Eric每年都会回老家,就在去年他看到老家的屋顶上新竖起了一排排的太阳能光伏板,立刻意识到乡亲们能够从中带来一定的收益,作为德州仪器(TI)新能源应用的技术专家,他很欣慰。其实Eric的家乡正是全国如火如荼推进的光伏发电(即太阳能)中的一朵小浪花。

  根据国家能源局网站的消息,我国2021年新增光伏发电并网装机容量约5300万千瓦,连续9年稳居世界首位。截至2021年底,光伏发电并网装机容量达到3.06亿千瓦,突破3亿千瓦大关,连续7年稳居全球首位。

  回顾近20年的发展,光伏市场虽然也经过了启动期、调整期、酝酿期以及高速发展期等不同阶段,但装机总容量始终在节节攀升中。光伏的好处毋庸置疑,取之不尽且零污染,不过随着产业的不断发展,也有一些痛点亟待解决,包括成本、效率、智能化、可靠性等。

  逆变器是光伏发电系统的核心电力电子设备,就像是整个光伏系统的心脏,其作用是将光伏组件产生的可变直流电压转换为市电频率交流电。而芯片则是逆变器的核心组件,因此光伏行业所面临的一系列痛点,同样是芯片行业正在践行的创新。“包括太阳能在内的可再生能源由于完全取决于自然环境,因此动态性很大且不可控,这就给系统设计带来了更多挑战。”Eric指出。

  更大功率的逆变器意味着更多的元件,且同时会存在功率并联的情况,这会给系统设计带来进一步的挑战,需要具备低输出失真、高精确的电压和电流模拟测量、高效率和功率密度以及实时通信和监测等特性。那么什么样产品和技术可以为光伏逆变器系统提供有竞争力的解决方案呢?

机敏的大脑——控制器

  光伏逆变器一般具有两个功率转换级,一个是直流到直流的升压过程,另一个则是直流到交流的逆变过程。这些都要依靠于控制器来进行处理、传感以及控制三方面的工作,控制器就是整个逆变器中的大脑,为了满足高动态性给系统带来的挑战,控制器的选择成为关键。早在中国的光伏市场启动之时,TI的C2000™实时微控制器(MCU)就借助其电力电子控制领域的积累,广泛应用于光伏逆变器中。这些年来更是在各方面都不断改进,在提高芯片性能的同时,集成更多实时控制模拟外设。

  在处理方面,C2000™ MCU具有超高性能的C28数字信号处理器、硬件算法加速器、CLA(控制律加速器)及CLB(可配置逻辑块)等多种处理器内核组成的异构计算架构,从而最大化处理性能。对于传感而言,多个并行ADC模块支持最高16位分辨率,最高3.46MSPS的采样速率,可以精确测量及监控系统各部分的电流、电压,此外还包括比较器、DAC等丰富的外设。而对于控制端,150ps精度的多通道PWM控制器,可快速驱动各类功率转换器件,甚至基于SiC或GaN的宽带隙器件等。

可靠的免疫组织——信号链隔离

  逆变器系统支持从几伏到数百伏的电压,为确保高压复杂环境下的信号完整性,需要像人类免疫组织的隔离器件,从而可靠地隔离高压对低压的潜在性破坏,或者隔离噪声带来的测量不准确性。TI的数字隔离器技术基于专有二氧化硅 (SiO2) 绝缘栅,具有超高工作电压、超高可靠性、支持高速率传输等多种优势,与光耦方案相比,功寿命更长,功率更低且更紧凑。

  特别地,针对逆变器的闭环控制逻辑而言,需要采样高压大功率系统中的电压和电流信号,以便准确转换功率,并随时确保系统可以可靠运行。为此,TI将数字隔离技术与其信号链和电源产品广泛集成,从而实现更高的集成度。比如集成直流/直流转换器的增强型隔离放大器AMC3302,单芯片实现了对输出电流信号的采集,相比于基于霍尔磁效应的传感器而言,精度更高,电路尺寸更小,抗电磁干扰和共模干扰能力更强,并且可扩展性更强。

强健的肌肉——驱动及功率器件

  电源转换的本质是通过功率管的开关来实现不同的电压变化,就好像人体的肌肉与骨骼在大脑的指挥下执行着一次次电源变化过程,因此更强健的功率器件和对应的驱动是逆变器效率和可靠性的重要体现。

  更高的输入电压以及更小的无源元件正在成为光伏逆变器的重点发展方向,前者可以减少损耗并且使功率器件体积更小,后者则需要功率器件具有更高的开关速率。为了应对更高的工作电压和开关速度的挑战,可以采用宽禁带半导体(例如SiC和GaN)。比如TI推出的具有集成驱动器、保护和温度报告功能的GaN FET,不仅可以提高整体转换效率,降低系统成本,还可以实现更小、更轻及更可靠的逆变器。

  尽管宽禁带半导体已登场,但传统的功率器件依然是目前逆变器市场的主流。实际上,无论何种功率器件,都需要对应的栅极驱动器,驱动器既可简单也可复杂。由于功率器件是逆变器中最容易损坏的部分,集成米勒钳位、分离输出、欠压锁定(UVLO)、以及温度保护的智能驱动可以为功率器件长时间运行保驾护航。

  另外,电路中的噪声,无论是电源纹波还是栅极振铃,噪声都会导致功率器件错误运行并降低可靠性。TI集成隔离、保护功能的智能栅极驱动器,可以有效隔离噪声以及其他潜在的高压危害,并可轻松适配各类功率器件。

智能及更多

  目前,新型的逆变器或汇流箱普遍支持手机远程监控,从而方便进行监控与维护。TI提供了多种有线或无线连接处理器,以满足智能化的连接需求,其中包括Wi-Fi、Wi-Sun、ZigBee等无线通信技术,以及以太网、CAN、RS485等有线技术。此外,这些处理器也支持丰富的HMI,从而进一步提升操作体验。

  对于长达数十年运行的光伏系统而言,半导体器件的寿命和供货连续性是实现系统稳定的可靠保证,TI 的产品生命周期通常为 10 ~ 15 年,并且通常可以延长使用寿命。同时,为了实现高质量生产,TI 自1985年起就建立了的质量综合管理体系,并成为TI生产过程中的必要工具。对产品寿命和供货连续性的承诺,以及对产品质量的承诺,从来都是合作伙伴对TI最为认可之处。

  在产品的性能和质量之外,开发支持是用户同样关注的,而这是TI的优势所在。以C2000™为例,TI针对光伏等电源领域,提供了完整的数字电源软件开发套件,包含全面的软件基础架构、工具和文档,旨在更大程度地缩短基于 C2000™ MCU 的数字电源系统开发时间。

  在开发套件和参考设计方面,TI 2014年就针对组串式及微型逆变器推出了太阳能微型逆变器开发套件,基于TI F28003x MCU的C2000™太阳能微型逆变器开发套件使设计人员了解了一款完全适合的MCU,并通过把开发流程分解成若干个便于管理的部分系统地解决了应用难题。用户一开始可以通过一个简单的图形界面对设计进行评估,而不必一头扎进代码开发工作之中。当准备好做更深一步的探究时,基于理论的详尽文档可通过太阳能微型逆变器开环至闭环操作的递增式构建,来指导用户循序激进地完成软件与硬件实施方案。

  目前,基于C2000™ MCU的参考设计可以快速实现包括MPPT、逆变、电弧检测、快速关机(RSD)在内的多种功能。

可持续的未来

  “TI产品的广度、对于垂直领域的关注度,决定了TI将服务于各个行业领域的技术发展,光伏市场就是个最佳例子。”Eric介绍,TI一直以来同行业客户紧密交流,将客户的需求转换为产品及方案的创新,并通过本地化团队与客户进行同步联动,从而在新方案出来后更快选用。“TI一直以来服务于众多国内逆变器客户,我们深知只有客户的方案具有竞争力,才可以使行业具有竞争力,从而不断去推动市场发展。”

  可持续发展的理念如今已深入人心,无论是技术创新还是市场容量都正在迅速崛起,Eric也因此变得越来越忙碌。从农村到城市,从民居到工业园区,随着蓝色屋顶一排排地搭建起来,印证了越来越多的光伏在发挥作用。此时他更加坚信这份工作有着更深远的价值,并且已经和TI的愿景相一致。那就是通过TI的产品与服务,帮助可再生能源产业创新,助力可持续发展的新征程,从而为所有人创造一个更清洁、更可持续的未来。

(德州仪器供稿)

标签:德州仪器 光伏发电系统 我要反馈 
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