专为实现太阳能光伏逆变器的安全、速度和成本效益而设计

元件

Hans Brueggemann  ADI公司
太阳能不再是一项新兴技术，而是正在经历重大技术变革的技术，日趋成熟。我们朝着电网平价—太阳能成本与传统能源发电类型的成本相当，并且改进传统能源发电类型的构成—的目标越来越近，因为将面板中的直流电转换为可用交流电的过程变得更加高效且经济实惠。
但是，虽然太阳能面板在近几年价格显著降低，但下一波太阳能发展浪潮将由功率转换器系统的新技术推动。先进复杂的多级功率开关拓扑的兴起将基于碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)材料，加上更高的工作电压（最高1600 VDC），实现更加快速的功率开关，与传统系统相比，性能将大幅提高。更高的开关频率意味着功率转换器的无源元件—即，感应线圈和电容—尺寸可以大幅减小，从而可减轻重量、降低成本。这两项均为太阳能市场进一步扩大的关键优势。
因此，这些新的功率开关拓扑正在推动可提供相关控制和支持的器件的变革。更小、更快的系统需要整个功率转换信号链的改进—更快的处理和更好的器件集成。但是，随着现代光伏逆变器越来越小，这些创新加剧了处理功率转换所固有的重要安全性问题的挑战—也就是说，由于这些系统尺寸缩小，危险电
压的物理隔离变得更加复杂。
虽然太阳能面板或太阳能模块是太阳能系统的核心，也是较为明显的部分，但在整个信号链中，更复杂的部分是光伏逆变器—控制系统的大脑。光伏逆变器需要经过仔细设计，以保护电流测量和计算电路，使其不受功率处理电路以及开关所引起的瞬态信号影响。但是，这种保护代价不菲：多个冗余隔离器件会提升成本和系统复杂性。而且很明显，通过可编程处理器来运行这些系统所需的日益复杂的算法，需要考虑代码完整性以保证系统自身的安全性问题。
此外，官方的安全认证是所有开发人员面临的要求。必须遵守许多有关安全断开连接（和重新连接）的法规。系统必须以多快的速度响应、如何处理掉电和停电、快速断开连接和电弧检测，这些均必须得到解决—在许多情况下，每个国家/地区的解决办法不同。由于认证会增加开发时间（成本），因此已证
明合格的器件和方法极具吸引力，并且还需要足够灵活，能够适应多个不断演变的区域安全法规。
幸运的是，通过使用可集成先进混合信号控制处理器、并被互补隔离电流检测和栅极驱动器技术包围的功率逆变器平台，这些问题便可以迎刃而解。
冗余—单一故障安全
对于安全关键应用，如太阳能光伏逆变器的交流监控器和隔离器，除了监控设备以外，安全标准需要冗余的监控元件，以确保单一故障安全。在传统光伏逆变器中，这一点通过在系统中添加监控处理器来完成，该处理器充当冗余监控元件，然后控制继电器K2（图1）。


图1. 在传统光伏逆变器控制硬件中，单独的监控处理器负责冗余安全元件K2及相关监控。两个处理器均运行部分安全软件，并通过标准I/O设施通信。很容易可以看到，这使得系统控制硬件的总体成本显著增加，因为虽然监控元件实际上包含具有良好性能要求的处理器，但也必须添加额外的支持基础架构。另一方面，这种配置的冗余元件分离显而易见，因此在安全机构进行合格审计时，这是易于理解的安全布局。
虽然光伏逆变器制造商力求提高逆变器性能，但全球市场对降低太阳能光伏系统总运行成本的需求使制造商不断备受压力，并且被迫加强研究，以改善逆变器拓扑并缩减光伏逆变器安全关键器件的成本。因此，为了尽可能的缩减成本，安全隔离器的冗余监控元件成为了应严格审核的器件。
双核设计提供显著优势
对同时简化和增强逆变器操作的渴望，驱使ADI公司开发了一系列创新的混合信号控制处理器，ADSP-CM41x系列。ADSP-CM41x设计的核心是具有突破性的独立双核安全概念，可将安全冗余和功能集成到单芯片中。这个史无前例的架构无需外部监控元件（这是目前的标准），可以节省大量开发时间和系统成本。全新ADSP-CM41x通过一组专门针对可再生能源转换系统要求的特性，解决当今的功率转换问题，包括集成优化的硬件加速器，旨在提高内核处理能力。此外，设备的板载电弧故障检测功能可以简化设计，并通过智能决策增强安全性，从而提高可靠性和精度。
通过在单芯片上的主M4控制内核中添加独立的M0监控内核，带有冗余监控和控制信号路径的单一故障容错系统的设计得到了显著简化，同时降低了整体系统成本（图2）。


图2. 双核设计通过集成独立M0监控内核，大大简化了冗余安全元件的设计。处理器通过专用邮箱系统进行通信，包括心跳信号的传输。虽然M0和M4内核在同一片晶圆上—从安全的角度来看，成本最少—但内核通过创新的系统结构设计以物理方式分离开来。通过双端口RAM邮箱的处理器间通信可独立检查并验证冗余获得的工艺参数。
代码安全
除了物理电源安全，务必要小心谨慎，以确保运行这些系统的算法得到正确解读；过程受破坏可导致安全性削弱的工作状态。此外，使用可将处理器内核功能分离的邮箱通信系统来隔离处理器之间的通信较为有利。邮箱系统允许任意内核随时隔离读取/写入数据，而不是直接的发送—接收信号交换通信方式。
为了代码的安全，M4内核具备1 MB闪存和高达160 kB SRAM，而M0具备32 kB SRAM。M4和M0处理器L1 SRAM、闪存和邮箱存储器均采用零等待状态SECDED ECC加以保护，并原生保护32位存储器元件。在适当的地方写入8位、16位数据将导致后台自动读取—修改—写入ECC更新，通常不存在可观察到的处理器停顿。刷新辅助硬件可周期性处理单个位错误。多位错误检测还可用来触发中断和/或故障。此外，对于误差检测，使用循环冗余校验(CRC)硬件模块计算数据块的CRC。它基于CRC32引擎，可计算传递给它的32位数据字的CRC值。特别地，可以使用CRC单元来验证闪存内容，即SRAM中常数数据块（文字或代码）。
利用双核混合信号控制处理器实现交流电网监控作为如何利用双核设计的示例，我们来看看光伏逆变器中交流电网监控的工作原理。交流电网监控主要包含两个功能—频率监控和电压监控：
对于频率监控，需要严格容许的基于时间的测量，当使用RC振荡器作为备份时基时，这可能很难实现。因此，处理器使用单振荡器或晶振(XTAL)作为主系统时钟(SYSCLK)输入，使用M0上的其他XTAL监控通过邮箱的主时钟源漂移。SYSCLK线路上除漂移以外的时钟故障由内部振荡器比较器单元(OCU)直接处理。它使用外部低频率振荡器(LFO)检测各种条件，如时钟消失和时钟频率超限，并且可生成数个事件，通知处理器相关违反情况。检测到故障事件时，可以配置时钟不良信号(CLKNG)，将芯片置于复位状态，它还能初始化GPIO引脚安全状态机制。
交流电压监控必须确保相电压在所需容差范围内，还可以用于两个隔离开关继电器的功能自测。为实现单一故障耐电压监控，处理器的模拟前端(AFE)包含两个单独的ADC块，分别具备各自的ADC控制器、基准电压和多电源路径。当然，一个ADC块由M4控制，另一个由M0控制，以实现邮箱系统的完全冗余电压测量和完整性检查。除此之外，在使光伏逆变器联网之前，板载DAC可用于在内部单独应用AFE信号链的所有器件。
将器件连接起来—光伏逆变器平台
除了混合信号处理器，光伏系统中还有许多其他关键器件需要一起使用，以便安全地通信、控制和传递数据与电流。


图3. VDE-AR-N-4105技术演示装置框图，包括VDE-AR-N-4105评估板和ADSP-CM419F EZ-KIT®。设计采用冗余信号路径概念，包括冗余参考、ADC和XTAL，以及内部振荡器和电压监控单元与处理器间邮箱系统，允许从监控系统中完全消除其他外部监控元件（图3）。图形LCD提供所有相关状态信息，一目了然，只需按一下按钮便可以执行整个系统的完整校准周期。该单元配备经过广泛验证的软件包，并持有德国TÜV-SÜD在2016年3月颁发的VDE-AR-N4105合格认证。


图4. ADI公司的VDE-AR-N-4105技术演示装置采用构成交流主电源路径的两个串联型电源继电器，以及在单相系统中冗余监控交流电源电压、光伏逆变器输出和继电器间电压的四个独立高精度隔离电压测量通道。太阳能产业前景光明，但不断进步还不够。在全平台级别智能
整合各种技术将确保功率转换器设计的效率和安全。每个器件
必须以能源市场的安全、效率和成本要求为考量，进行专门设
计。提供完整稳健的平台—不只是器件—将允许未来功率转
换器产品的制造商创造出清洁、安全且经济实惠的系统。
安全认证
由于成本缩减工作很容易削弱所需的系统安全水平，因此ADI公司就如何将监控元件作为第二个处理器集成到主处理器的相同硅片上，与科隆的德国雇主责任保险协会BGETEM和施特劳宾的TÜV-SÜED合作，共同解决潜在安全问题。另一个考虑因素是此类双核处理器必须满足的最低要求，以便符合有关光伏逆变器上交流电安全断开连接的监管标准。
因此，ADI公司的全新ADSP-CM41x处理器系列现在持有德国TÜVSÜD在2016年3月颁发的VDE-AR-N4105合规认证（文件D816 0395142 002）。该系列配备一组专门针对可再生能源转换系统功率转换要求的特性，包括所有必要的安全元件，以组成完全符合安全性的交流断路器。
此外，为了支持安全性，ADI公司功率转换平台以其iCoupler®数字隔离器技术为基础，集成了栅极驱动器和电流传感器。ADI公司的数字隔离器利用低应力厚膜聚酰亚胺绝缘层实现数千伏的隔离，可以将其与标准硅IC集成，形成单通道、多通道和双向配置。
作者简介
Hans Brueggemann [hans.brueggemann@analog.com]，理科硕士，出生于不莱梅南部的下萨克森州，获得德国黑森州卡塞尔大学的Dipl. Ing. Nachrichtentechnik（电信理科硕士）学位。作为太阳能光伏功率转换产品的系统设计师，他具有丰富的专业知识背景，并且拥有一项在太阳能光伏系统中检测电弧的硬件优化方法专利。现在，他是ADI公司太阳能光伏系统工程师，负责客户接洽，推动微处理器和隔离信号路径器件的产品定义。

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