为太阳能逆变器应用选择合适的数字隔离器的六个简单步骤

根据国际能源署 (IEA) 的数据，随着太阳能逆变器市场快速增长，设计人员必须能够更快地设计系统以满足市场需求。但是这些类型系统的高电压需要在组件选择和系统设计方面格外小心，以开发安全运行的设备。由于 1,000 V RMS 的系统电压和 5 V 微控制器 (MCU) 在太阳能逆变器系统中共存，因此高低压侧之间的隔离是给定的。工程师选择正确的数字隔离器有助于确保这些系统的稳定性。

图 1 显示了无变压器并网太阳能转换系统的简化系统框图。太阳能由光伏 (PV) 面板收集并由后级 DC/DC 和 DC/AC 转换器处理。DC/DC 转换器实现太阳能的最大功率点跟踪 (MPPT)。DC/AC 逆变器将 DC 电源转换为 AC 电源以连接到公用电网。

图 1：无变压器太阳能转换系统的典型系统框图

控制模块处理来自电压和电流传感器的反馈信号，并向绝缘栅双极晶体管 (IGBT)/碳化硅 (SiC) MOSFET 栅极驱动器提供正确序列和频率的脉宽调制 (PWM) 控制信号以调节电源转换器的电压和电流。电压和电流调节旨在实现对电网的 MPPT 和潮流控制。控制模块通过 RS-485、控制区域网络 (CAN) 或工业以太网等标准通信接口与控制网络的其余部分连接。

此外，控制模块具有人类可以接触到的部件；例如，通信接口的连接器。这些外露部件与高压电路（连接到直流母线和公用电网的电路）之间需要足够的安全隔离。隔离式栅极驱动器、隔离式电压放大器和电流检测放大器可以实现这种隔离。在图 1 中，显示了一个人类可访问的控制模块，隔离式栅极驱动器的输入侧和隔离式放大器的输入侧以接地为参考，与高压系统安全隔离。图 2 显示了如何在控制模块和通信接口之间引入额外的隔离。

图 2：无变压器太阳能转换系统的替代系统框图

国际电工委员会 (IEC) 62109-1 是太阳能转换器的安全标准。本标准定义了设计和制造电力转换设备 (PCE) 的最低要求，以防止电击、能量、火灾、机械和其他危险。我们如何选择合适的隔离器来满足 IEC62109-1 标准规定的隔离要求？这是我们可以遵循的简单六步流程。

步骤 1：确定系统中存在的隔离器，并确定每个隔离器是否需要功能性、基本或增强型隔离。可以通过两个串联的基本隔离器或一个增强型隔离器来实现安全隔离。在图 1 中，隔离式栅极驱动器以及隔离式电压和电流检测电路都需要支持增强隔离。在图 2 中，数字隔离器需要支持增强隔离，因为隔离的栅极驱动器和放大器以 DC– 为参考，并且仅实现了功能隔离。

第 2 步：确定系统电压。PV 和并网电路的系统电压分别定义。对于光伏电路，系统电压是光伏电池板的开路电压。对于并网电路，系统电压取决于接地方案。中性接地的三相 400 V RMS Terra Neutral (TN) 电网电压具有 230 V RMS的系统电压。并网电路不允许插值系统电压；因此，我们将需要使用下一个更高的系统电压。例如，根据 IEC62109-1，230V RMS的系统电压被视为 300V RMS。三相480V RMS角接地系统的系统电压为480V有效值。

步骤3：根据IEC62109-1标准确定每个隔离器对临时过电压和冲击/浪涌电压的要求。我们可以根据预先确定的系统电压和过电压类别确定临时电压和脉冲电压要求，同时遵守 IEC62109-1 中定义的规则。对于增强隔离，我们将需要使用下一个更高级别的脉冲电压，同时将临时过压要求加倍。

第4 步：确定设计中使用的每个隔离器所需的间隙。我们可以根据步骤 4 中确定的脉冲电压和暂时过电压以及污染程度，同时遵循 IEC62109-1 中定义的规则来推导出间隙。对于增强隔离，我们将需要使用下一个更高的脉冲电压和 1.6 倍的过电压。

第五步：根据隔离器的实际工作情况确定工作电压（峰值和有效值）。确定工作电压并不简单，取决于系统电压、系统配置和操作模式。例如，DC/AC逆变器的工作电压取决于调制指数。更高的调制指数意味着更高的工作电压。我们可以将直流母线电压视为最坏情况下的工作电压。

第 6 步：根据 IEC62109-1 根据工作电压确定爬电距离。我们可以按照 IEC 62109-1 中定义的规则，根据工作电压、污染程度和封装模塑料材料确定爬电距离。对于增强隔离，我们需要将爬电距离要求加倍。

选择隔离器时，请确保其满足上述步骤中获得的浪涌电压、暂时过电压、工作电压、爬电距离和间隙要求。勾选完这六个步骤后，我们就可以很好地设计一个强大的太阳能逆变器系统。