當1,000VRMS的系統電壓和5V微控制器(MCU)共存在太陽能逆變器系統中,高壓側和低壓側之間的絕緣是給定的。而工程師選擇正確的數位隔離器有助於確保這些系統的穩定性。

圖1所示為無變壓器併網型太陽能轉換系統的簡化系統原理圖。太陽能由光電(PV)面板收集並由下一階段的DC/DC和DC/AC轉換器處理,DC/DC轉換器實現太陽能的最大功率點追蹤(MPPT)。DC/AC逆變器將DC功率轉換為AC功率,用以與公用電網互動。

20170627TA01P1 圖1 無變壓器太陽能轉換系統的典型系統原理圖。

控制模組處理來自電壓和電流感測器的回饋訊號,並且向絕緣閘雙極電晶體(IGBT)/碳化矽(SiC)MOSFET閘極驅動器提供脈衝寬度調變(PWM)控制訊號的正確序列和頻率,以調節功率轉換器的電壓和電流。電壓和電流的調節旨在實現對電網的MPPT和功率流控制。控制模組透過標準通訊介面(如RS-485、控制器區域網路(CAN)或工業乙太網路)與其餘控制網路的部分互動。

另外,控制模組的某些零件,例如通訊介面的連接器會與人體接觸。在這些暴露在外面的零件和高壓電路(連接到直流匯排流和公用電網的電路)之間需要足夠的安全絕緣。隔離式閘極驅動器、隔離電壓放大器和電流感測放大器能夠實現這種隔離。圖1所示為人類可能接觸到的控制模組,隔離式閘極驅動器的輸入側和隔離放大器的輸入側皆參考接地,並與高壓系統安全隔離。圖2所示為如何在控制模組和通訊介面間另外加入隔離。

20170627TA01P2 圖2 無變壓器太陽能轉換系統的替代系統原理圖。

國際電子電機委員會(IEC)62109-1是太陽能轉換器的安全標準。這個標準規定了用於預防觸電、能量、燃燒、機械等危險的電力轉換設備(PCE)設計和製造的最低要求。那麼,該如何選擇合適的隔離器來滿足IEC62109-1標準規定的隔離要求呢?以下為可遵循的簡易六步驟。

步驟1:辨識系統中的隔離器,並確定每個隔離器需要的是功能性、基本或強化型的隔離。 透過串聯的兩個基本隔離器或一個強化型隔離器都可實現安全隔離。在圖1中,隔離式閘極驅動器和隔離的電壓和電流感測電路,都需要支援強化型隔離。在圖2中,數位隔離器需要支援強化型隔離,因為絕緣閘極驅動器和放大器都參考連接DC-,並且僅發揮絕緣功能。

步驟2:決定系統電壓。 光電和併網電路的系統電壓是分開定義的。對於PV電路,系統電壓是PV面板的開路電壓,而併網電路的系統電壓取決於接地方案。

一個中性點接地的三相400VRMS TN(Terra Neutral)電網電壓具有230VRMS的系統電壓,併網電路不允許插入系統電壓;因此,您將需要使用更高的系統電壓。例如,在IEC62109-1的規定下,230VRMS的系統電壓被用作300VRMS,三相480VRMS不對稱接地系統的系統電壓為480VRMS

步驟3:根據IEC62109-1標準,決定每個隔離器所需的暫時過電壓和脈衝/浪湧電壓。 可以根據預先決定的系統電壓和過壓類別來決定臨時電壓和脈衝電壓的需求,並同時遵守IEC62109-1定義的規則。對於強化型隔離,在使暫時過電壓需求加倍下的同時,必須使用下一階的脈衝電壓。

步驟4:確認設計中使用的每個隔離器所需的間隙距離。 可以根據步驟4中所確認的脈衝電壓和暫時過電壓以及污染程度,在遵循IEC62109-1定義的規則下,推導出間隙距離。對於強化型隔離,需要使用更高的脈衝電壓和1.6倍的過電壓。

步驟5:根據隔離器實際的運作條件決定操作電壓(峰值和RMS)。 操作電壓無法以直觀的方式去決定,必須取決於系統電壓、系統配置和運作模式。例如,DC/AC逆變器的操作電壓取決於調變指數。較高的調變指數代表較高的操作電壓。在最壞情況下,可以將直流匯流排電壓視為操作電壓。

步驟6:根據IEC62109-1標準決定基於操作電壓的爬電距離。 可以在遵循IEC 62109-1定義的規則下,根據操作電壓、污染程度和封裝塑封材料決定爬電距離。對於強化型隔離,需要將爬電距離的要求增加一倍。

選擇隔離器時,要確保其滿足上述步驟中浪湧電壓、暫時過電壓、操作電壓、爬電距離和間隙距離的需求。核對完這六個步驟後,工程師應該已經有能力設計一個穩健的太陽能逆變器系統。