TI芯科技賦能中國(guó)新基建之解鎖光伏創(chuàng)新

Eric每年都會(huì)回老家，就在去年他看到老家的屋頂上新豎起了一排排的太陽(yáng)能光伏板，立刻意識(shí)到鄉(xiāng)親們能夠從中帶來(lái)一定的收益，作為德州儀器（TI）新能源應(yīng)用的技術(shù)專家，他很欣慰。其實(shí)Eric的家鄉(xiāng)正是全國(guó)如火如荼推進(jìn)的光伏發(fā)電（即太陽(yáng)能）中的一朵小浪花。

根據(jù)國(guó)家能源局網(wǎng)站的消息，我國(guó)2021年新增光伏發(fā)電并網(wǎng)裝機(jī)容量約5300萬(wàn)千瓦，連續(xù)9年穩(wěn)居世界首位。截至2021年底，光伏發(fā)電并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到3.06億千瓦，突破3億千瓦大關(guān)，連續(xù)7年穩(wěn)居全球首位。

回顧近20年的發(fā)展，光伏市場(chǎng)雖然也經(jīng)過(guò)了啟動(dòng)期、調(diào)整期、醞釀期以及高速發(fā)展期等不同階段，但裝機(jī)總?cè)萘渴冀K在節(jié)節(jié)攀升中。光伏的好處毋庸置疑，取之不盡且零污染，不過(guò)隨著產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，也有一些痛點(diǎn)亟待解決，包括成本、效率、智能化、可靠性等。

逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心電力電子設(shè)備，就像是整個(gè)光伏系統(tǒng)的心臟，其作用是將光伏組件產(chǎn)生的可變直流電壓轉(zhuǎn)換為市電頻率交流電。而芯片則是逆變器的核心組件，因此光伏行業(yè)所面臨的一系列痛點(diǎn)，同樣是芯片行業(yè)正在踐行的創(chuàng)新。“包括太陽(yáng)能在內(nèi)的可再生能源由于完全取決于自然環(huán)境，因此動(dòng)態(tài)性很大且不可控，這就給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了更多挑戰(zhàn)。”Eric指出。

更大功率的逆變器意味著更多的元件，且同時(shí)會(huì)存在功率并聯(lián)的情況，這會(huì)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)進(jìn)一步的挑戰(zhàn)，需要具備低輸出失真、高精確的電壓和電流模擬測(cè)量、高效率和功率密度以及實(shí)時(shí)通信和監(jiān)測(cè)等特性。那么什么樣產(chǎn)品和技術(shù)可以為光伏逆變器系統(tǒng)提供有競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案呢？

機(jī)敏的大腦——控制器

光伏逆變器一般具有兩個(gè)功率轉(zhuǎn)換級(jí)，一個(gè)是直流到直流的升壓過(guò)程，另一個(gè)則是直流到交流的逆變過(guò)程。這些都要依靠于控制器來(lái)進(jìn)行處理、傳感以及控制三方面的工作，控制器就是整個(gè)逆變器中的大腦，為了滿足高動(dòng)態(tài)性給系統(tǒng)帶來(lái)的挑戰(zhàn)，控制器的選擇成為關(guān)鍵。早在中國(guó)的光伏市場(chǎng)啟動(dòng)之時(shí)，TI的C2000™實(shí)時(shí)微控制器（MCU）就借助其電力電子控制領(lǐng)域的積累，廣泛應(yīng)用于光伏逆變器中。這些年來(lái)更是在各方面都不斷改進(jìn)，在提高芯片性能的同時(shí)，集成更多實(shí)時(shí)控制模擬外設(shè)。

在處理方面，C2000™ MCU具有超高性能的C28數(shù)字信號(hào)處理器、硬件算法加速器、CLA（控制律加速器）及CLB（可配置邏輯塊）等多種處理器內(nèi)核組成的異構(gòu)計(jì)算架構(gòu)，從而最大化處理性能。對(duì)于傳感而言，多個(gè)并行ADC模塊支持最高16位分辨率，最高3.46MSPS的采樣速率，可以精確測(cè)量及監(jiān)控系統(tǒng)各部分的電流、電壓，此外還包括比較器、DAC等豐富的外設(shè)。而對(duì)于控制端，150ps精度的多通道PWM控制器，可快速驅(qū)動(dòng)各類功率轉(zhuǎn)換器件，甚至基于SiC或GaN的寬帶隙器件等。

可靠的免疫組織——信號(hào)鏈隔離

逆變器系統(tǒng)支持從幾伏到數(shù)百伏的電壓，為確保高壓復(fù)雜環(huán)境下的信號(hào)完整性，需要像人類免疫組織的隔離器件，從而可靠地隔離高壓對(duì)低壓的潛在性破壞，或者隔離噪聲帶來(lái)的測(cè)量不準(zhǔn)確性。TI的數(shù)字隔離器技術(shù)基于專有二氧化硅 (SiO2) 絕緣柵，具有超高工作電壓、超高可靠性、支持高速率傳輸?shù)榷喾N優(yōu)勢(shì)，與光耦方案相比，功壽命更長(zhǎng)，功率更低且更緊湊。

特別地，針對(duì)逆變器的閉環(huán)控制邏輯而言，需要采樣高壓大功率系統(tǒng)中的電壓和電流信號(hào)，以便準(zhǔn)確轉(zhuǎn)換功率，并隨時(shí)確保系統(tǒng)可以可靠運(yùn)行。為此，TI將數(shù)字隔離技術(shù)與其信號(hào)鏈和電源產(chǎn)品廣泛集成，從而實(shí)現(xiàn)更高的集成度。比如集成直流/直流轉(zhuǎn)換器的增強(qiáng)型隔離放大器AMC3302，單芯片實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出電流信號(hào)的采集，相比于基于霍爾磁效應(yīng)的傳感器而言，精度更高，電路尺寸更小，抗電磁干擾和共模干擾能力更強(qiáng)，并且可擴(kuò)展性更強(qiáng)。

強(qiáng)健的肌肉——驅(qū)動(dòng)及功率器件

電源轉(zhuǎn)換的本質(zhì)是通過(guò)功率管的開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的電壓變化，就好像人體的肌肉與骨骼在大腦的指揮下執(zhí)行著一次次電源變化過(guò)程，因此更強(qiáng)健的功率器件和對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)是逆變器效率和可靠性的重要體現(xiàn)。

更高的輸入電壓以及更小的無(wú)源元件正在成為光伏逆變器的重點(diǎn)發(fā)展方向，前者可以減少損耗并且使功率器件體積更小，后者則需要功率器件具有更高的開(kāi)關(guān)速率。為了應(yīng)對(duì)更高的工作電壓和開(kāi)關(guān)速度的挑戰(zhàn)，可以采用寬禁帶半導(dǎo)體（例如SiC和GaN）。比如TI推出的具有集成驅(qū)動(dòng)器、保護(hù)和溫度報(bào)告功能的GaN FET，不僅可以提高整體轉(zhuǎn)換效率，降低系統(tǒng)成本，還可以實(shí)現(xiàn)更小、更輕及更可靠的逆變器。

盡管寬禁帶半導(dǎo)體已登場(chǎng)，但傳統(tǒng)的功率器件依然是目前逆變器市場(chǎng)的主流。實(shí)際上，無(wú)論何種功率器件，都需要對(duì)應(yīng)的柵極驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器既可簡(jiǎn)單也可復(fù)雜。由于功率器件是逆變器中最容易損壞的部分，集成米勒鉗位、分離輸出、欠壓鎖定(UVLO)、以及溫度保護(hù)的智能驅(qū)動(dòng)可以為功率器件長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行保駕護(hù)航。

另外，電路中的噪聲，無(wú)論是電源紋波還是柵極振鈴，噪聲都會(huì)導(dǎo)致功率器件錯(cuò)誤運(yùn)行并降低可靠性。TI集成隔離、保護(hù)功能的智能柵極驅(qū)動(dòng)器，可以有效隔離噪聲以及其他潛在的高壓危害，并可輕松適配各類功率器件。

智能及更多

目前，新型的逆變器或匯流箱普遍支持手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控，從而方便進(jìn)行監(jiān)控與維護(hù)。TI提供了多種有線或無(wú)線連接處理器，以滿足智能化的連接需求，其中包括Wi-Fi、Wi-Sun、ZigBee等無(wú)線通信技術(shù)，以及以太網(wǎng)、CAN、RS485等有線技術(shù)。此外，這些處理器也支持豐富的HMI，從而進(jìn)一步提升操作體驗(yàn)。

對(duì)于長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年運(yùn)行的光伏系統(tǒng)而言，半導(dǎo)體器件的壽命和供貨連續(xù)性是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定的可靠保證，TI 的產(chǎn)品生命周期通常為 10 ～ 15 年，并且通?？梢匝娱L(zhǎng)使用壽命。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量生產(chǎn)，TI 自1985年起就建立了的質(zhì)量綜合管理體系，并成為TI生產(chǎn)過(guò)程中的必要工具。對(duì)產(chǎn)品壽命和供貨連續(xù)性的承諾，以及對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的承諾，從來(lái)都是合作伙伴對(duì)TI最為認(rèn)可之處。

在產(chǎn)品的性能和質(zhì)量之外，開(kāi)發(fā)支持是用戶同樣關(guān)注的，而這是TI的優(yōu)勢(shì)所在。以C2000™為例，TI針對(duì)光伏等電源領(lǐng)域，提供了完整的數(shù)字電源軟件開(kāi)發(fā)套件，包含全面的軟件基礎(chǔ)架構(gòu)、工具和文檔，旨在更大程度地縮短基于 C2000™ MCU 的數(shù)字電源系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)間。

在開(kāi)發(fā)套件和參考設(shè)計(jì)方面，TI 2014年就針對(duì)組串式及微型逆變器推出了太陽(yáng)能微型逆變器開(kāi)發(fā)套件，基于TI F28003x MCU的C2000™太陽(yáng)能微型逆變器開(kāi)發(fā)套件使設(shè)計(jì)人員了解了一款完全適合的MCU，并通過(guò)把開(kāi)發(fā)流程分解成若干個(gè)便于管理的部分系統(tǒng)地解決了應(yīng)用難題。用戶一開(kāi)始可以通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的圖形界面對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估，而不必一頭扎進(jìn)代碼開(kāi)發(fā)工作之中。當(dāng)準(zhǔn)備好做更深一步的探究時(shí)，基于理論的詳盡文檔可通過(guò)太陽(yáng)能微型逆變器開(kāi)環(huán)至閉環(huán)操作的遞增式構(gòu)建，來(lái)指導(dǎo)用戶循序激進(jìn)地完成軟件與硬件實(shí)施方案。

目前，基于C2000™ MCU的參考設(shè)計(jì)可以快速實(shí)現(xiàn)包括MPPT、逆變、電弧檢測(cè)、快速關(guān)機(jī)（RSD）在內(nèi)的多種功能。

可持續(xù)的未來(lái)

“TI產(chǎn)品的廣度、對(duì)于垂直領(lǐng)域的關(guān)注度，決定了TI將服務(wù)于各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，光伏市場(chǎng)就是個(gè)最佳例子。”Eric介紹，TI一直以來(lái)同行業(yè)客戶緊密交流，將客戶的需求轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品及方案的創(chuàng)新，并通過(guò)本地化團(tuán)隊(duì)與客戶進(jìn)行同步聯(lián)動(dòng)，從而在新方案出來(lái)后更快選用。“TI一直以來(lái)服務(wù)于眾多國(guó)內(nèi)逆變器客戶，我們深知只有客戶的方案具有競(jìng)爭(zhēng)力，才可以使行業(yè)具有競(jìng)爭(zhēng)力，從而不斷去推動(dòng)市場(chǎng)發(fā)展。”

可持續(xù)發(fā)展的理念如今已深入人心，無(wú)論是技術(shù)創(chuàng)新還是市場(chǎng)容量都正在迅速崛起，Eric也因此變得越來(lái)越忙碌。從農(nóng)村到城市，從民居到工業(yè)園區(qū)，隨著藍(lán)色屋頂一排排地搭建起來(lái)，印證了越來(lái)越多的光伏在發(fā)揮作用。此時(shí)他更加堅(jiān)信這份工作有著更深遠(yuǎn)的價(jià)值，并且已經(jīng)和TI的愿景相一致。那就是通過(guò)TI的產(chǎn)品與服務(wù)，幫助可再生能源產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新，助力可持續(xù)發(fā)展的新征程，從而為所有人創(chuàng)造一個(gè)更清潔、更可持續(xù)的未來(lái)。