摘要：  本文从太阳能逆变器设计的新方案研讨入手对提高太阳能系统转换效率的新技术作分析说明。

关键字：  系统转换效率，数字信号控制器

由于目前太阳能产业持续蓬勃发展，但是仍然存在转换效率低和成本过高的问题，因此发展逆变器技术就成为太阳能应用提出的重要课题。为此本文从太阳能逆变器设计的新方案研讨入手对提高太阳能系统转换效率的新技术作分析说明。
1 当今太阳能逆变器面临挑战
目前，太阳能逆变器基本架构，见图1所示。太阳能逆变器可将光伏电池的可变直流输出转换成清洁正弦50- 或 60Hz 电流。太阳能逆变器已有多种拓扑结构，作为重点太阳能并网逆变电源已开发并应用了多年，其基本设计方案可通过下述框图1表示：
作为光伏并网发电系统（如组合型），整个系统由控制系统和功率主电路两部分组成。功率主电路使用大功率智能功率模块IPM，控制系统以DSP为核心，检测直流侧及网侧的电量信号，通过最大功率寻优，电压、电流调节，以及空间矢量PWM波形发生控制，向功率驱动回路发出控制指令，将太阳能直流转换单元输出的直流电变换成交流电，并回馈至电网。
而太阳能并网逆变器是并网发电系统的核心部分，其主要功能是将太阳能电池板发出的直流电逆变成单相交流电，并送入电网。它是将直流电转变为交流电的装置，是太阳能发电系统的核心部件。
而对于如此的太阳能逆变器最大的挑战是如何提高太阳能系统效率以及具有体积小方便携带等特点可在不同场合应用之功能。从而导出本文多种新技术的应用方案的研讨。
2 太阳能逆变器设计的新方案
2.1 以数字信号控制器(DSC)为控制系统的太阳能并网逆变电源设计方案
数字信号控制器技术优势：
数字信号控制器(DSC)平台是能将微控制器(MCU)的控制外设和—流的DSP（数字信号处理）技术的处理能力与经济性相结合，其特点是简便易用。如今TI、Microchip等公司提供了DSP的高性能及微控制器集成与易用性，优异的处理能力、中断处理功能、控制特定外设集成能力与经济性的独特组合为控制系统提供了实质性的益处。通过这些优势，诸如改善的系统效率及增加的创新性能，我们能够采用更少的外部组件，更低的成本，为空间受限的应用推出极小化封装产品。而作为数字信号控制器(DSC)在开发与生产太阳能光伏组件及太阳能光伏系统上可谓是恰到好处并且是多方面的。
由于DSP芯片是DSC 核心部件，所以太阳能并网逆变电源设计方案是基于DSP技术的太阳能并网逆变电源设计方案。值此以TMS320C2000TM DSP为典型应用作分析。因为以TMS320C2000TM DSP的平台能够最佳地响应太阳能逆变器多条实施线路的实时挑战。该TMS320C2000TM，内核32位CPU以150MHz的最高频率运行，能够高效地执行在最大功率点下操作面板所需的高精度算法，可确保最高的电源转换效率，甚至在最苛刻与不断变化的条件下也是如此。其DC/AC转换器主桥的驱动由TMS320C 2000器件高度灵活的PWM模块执行并与片上高速12位ADC配合使用，调节所需的电流与电压，从而获得最常见的正弦波形。图2以TMS320C2000 DSP为控制系统的太阳能并网逆变电源设计方案示意框图。太阳能并网逆变电源设计方案由控制系统和功率主电路两部分组成。
其控制系统的工作简介：当控制电路上电后，首先检测电网参数和光伏电池的电压，当网压正常，全桥逆变器工作在PWM整流器状态，中间电压为400V左右。逆变器工作过程中，由控制芯DSP检测中间电压、并网电流，如果中间电压过高或者并网电流超过最大电流时，由控制芯片封锁全桥逆变器和Boost升压斩波器的开关管控制脉冲，同时断开继电器。延时一段后再尝试重新启动，若故障仍然存在，则断开逆变器，DSP能快速响应命令。
太阳能电池输出的最大功率随着光照强度和温度的变化而变化，系统的最大功率跟踪由前级Boost升压斩波器控制，为实现与电网电压同频同相的并网电流，其由后级全桥逆变器控制。他们的控制都是由DSP芯片TMS320C2000 协调完成逆变器的设计。太阳能并网逆变器是并网发电系统的核心部分，其主要功能是将太阳能电池板发出的直流电逆变成单相交流电，并送人电网。由此可知以DSC为控制系统的太阳能并网逆变电源设计方案最适用太阳能等绿色能源领域。
其优势为：DSC芯片控制，智能功率模块组装；MPPT（最大功率点附近，即MPPT工作方式）控制，适时追踪太阳能电池板的最大输出功率；纯正弦波输出，自动同步并网，电流谐波含量小，对电网无污染、无冲击；具有扰动检出技术，实现运行控制；采用LCD、LED显示功能，其保护和报警功能齐全；RS232/485通讯，实现远程数据采集和监视；具有并网／独立运行功能。技术指标参数（例如1kW-50kW）如下：输入直流电压(200V-400V)，输出谐波失真率≤5%，过载能力 150%、10秒，逆变效率>92%，使用环境温度-25℃~+55℃。
2.2 具有电池管理的超低功耗升压转换器与DSP巧用为太阳能电网提供无损耗电源的性能提高
太阳能逆变器是整个太阳能系统的关键组件。它可将光伏电池的可变直流输出转换成清洁正弦50Hz或60Hz电流，非常适用于为商业电网或地方电网提供电源。其DSP 数字信号处理器，可高效地执行非常精确的算法，这些算法是为系统电池充电并为电网提供无损耗电源所必需的。这称为在其最大功率点执行系统操作。DC/AC的主桥接器是由高度灵活的控制器PWM外设驱动的。图3(a)为巧用DSP为太阳能逆变器系统提高性能组成示意图。[#page#]
对图3(a)中提高太阳能效率新技术应用的分析：
具有电池管理的超低功耗升压转换器(bq25504)用于太阳能量收集器的应用。
在图3(a)中的上方，特别指出的是应用了提高太阳能效率新技术，即具有电池管理的超低功耗升压转换器(bq25504)用于太阳能量收集器。它是用于纳米级功耗能量收集应用的高效升压充电器，其效率优化，将能量收集效率提高30%到70%。值此作分析说明。
BQ25504可以将能量存储在可重新充电锂电池、薄膜电池、超级电容器，或者BQ25504支持高效DC/DC升压转换器/充电器的超低功率。BQ25504是用于毫微瓦（超低）功耗能量收集和管理应用的高效升压充电器芯片。本芯片将从太阳能、热电、电磁和振动能量等广泛能量源产生的功率从微瓦特(W)管理转变为毫瓦特(mW)。其低静态电流、高转换功率、连接各种能量源和能量存储元件的灵活性，使得IC在市场上脱颖而出。该芯片的独特属性可从太阳能面板示例中得到最好的应用。即在特定操作条件下，借助可对比的光强度则bq25504能将可用能量收集效率提高30%到70%，这样在太阳能面板收集区中使所需太阳能面板数量和充电时间都可得到削减；所有这些都有助于降低终端设备方案的成本。故它是一个新智能集成能量采集纳瓦级功率管理解决方案系列芯片，此系列产品能满足超低功率应用的需要。其BQ25504 DC/DC的应用从升压转换器/充电器开始，此升压转换器/充电器的开始工作功率只有几微瓦。图3(b)为bq2554芯片组成框图与太阳能及充电电池等外设连接示意图。其bq2554芯片由电池管理、升压充电器集中式最大功率点输入电压寄存器、电源指示器及接口与冷启动电路等组件构成，见图3(b)虚线框内。
bq2554主要特性：其一、支持高效DC/DC升压转换器/充电器的超低功率，包括：从低输入源持续能量采集《VIN≥80mV（典型值）》；超低静态电流《IQ<330nA（典型值）》和高转换效率使从能量收集器中提取的能量得到最大化；冷启动电压：《VIN≥330mV（典型值）》。其二、可编程动态最大功率点跟踪(MPPT)，包括：集成动态最大功率点跟踪用于从多个能量生成源中的最优源中提取能量，即最大功率点跟踪(MPPT)使从太阳能电板和热电发电机等DC收集器中提取出的能量分别在不同光热条件下得到优化；输入电压调节防止输入源损坏。其三、能量存储， 包括：可以将能量存储在可重新充电锂电池、薄膜电池、超级电容器，或者传统电容器中。即用户可编程设置支持IC与各种能量源和能量存储元件（不同电池化合物或超级电容器）配合使用。其四、电池充电和保护，包括：用户可编程欠压 / 过压电平；支持可编程过热关闭的片载温度传感器。其五、电池状态输出，包括：电池正常输出引脚，可编程阀值和磁滞，附加微传感器能耗挂起损失警告，可被用于打开/关闭系统负载。
bq2554应用：由于BQ25504可用于能量收集与太阳能充电器等采集等领域。为此就应用技术作分析。
图3(c)为具有电池管理的超低功耗升压转换器(BQ25504)在太阳能能量收集器中应用连接与芯片引脚示意图。
应用分析-图3(c)功能的说明：一旦启动升压转换器/充电器(BQ2550)可以有效地从低压输出采集器，例如单、双太阳能电池面板中抽取能量。升压转换器(BQ2550)能够在VIN低至330mV时启动，并且一旦启动，它能够在VIN=80mV持续采集能量。bq25504还采用一个可编程最大功率点跟踪采样网络以优化至器件的功率传输。采样VIN_DC开电路电压可使用外部电阻器ROC2与ROC1进行编程，并由一个外部电容器保持(CREF)。对于太阳能电池，此电池运行在电路电压80%的最大功率点上，电阻分压器可被设定到VIN_DC电压的80%并且此网络将控制VIN_DC使其工作在接近采样基准电压下。或者，可以由一个MCU提供一个外部基准电压以生成一个更复杂的MPPT算法。bq25504具有灵活性的设计使其可以支持多种能量存储元件。采集器抽取能量的来源可以是零星的或者随时间变化的。系统通常需要一些类型的能量存储元件，例如可充电电池、超级电容器，或者传统电容器。当系统需要时，存储元件将提供特定恒定电流。
3 用新型电池充电技术简化电池板最大功率点跟踪的实现
问题的提出-复杂算法的困惑：
众所周知，就照明而言，太阳能电池板有一个特定产生最大功率的工作点。而随着阴影呈现等照明条件的改变，要保持在这个峰值功率点上运行的做法（称为最大峰值功率跟踪(MPPT)），就要执行最大峰值功率跟踪功能，常常需要使用复杂的算法，例如周期性地改变电池板的负载，同时直接测量电池板的输出电压和输出电流，计算电池板的输出功率，然后随着照明和／或温度条件的改变，强制在提供峰值输出功率的工作点上运行。从而导致这类算法需要复杂的电路及微处理器控制方法，这就给设计与制造人员带来困惑或挑战。
应对方案：
太阳能电池板作为能量收集电源有巨大的发展潜力，它们仅需要电池储存所收集的能量，并在光线暗淡时继续供电。太阳能电池板相对昂贵，因此从电池板抽取最大功率对于最大限度地减小电池板尺寸至关重要。然而怎样平衡太阳能电池板尺寸和所需功率？就成为难点。实践告知，太阳能电池板的特性要求是要仔细管理随负载变化的电池板输出功率，以在各种不同的照明条件下，有效优化电池板的输出功率。又知，在太阳能电池板的输出电压和该电池板产生的功率之间存在一种有趣的关系。在最大功率点时，无论照明量大小，太阳能电池板的输出电压都保持相对固定。因此，在电池板工作时，强制保持输出电压在这个峰值功率电压(VMP)上，就能使电池板产生峰值输出功率。因此，利用这个VMP特性，而不是采用复杂的最大峰值功率跟踪电路和算法，而电池充电器就能保持峰值功率传送。[#page#]
采用单片降压型电池充电器是解决应用的有效途径。
采用的典型单片降压型电池充电器是LT3652HV。该器件适合新式电池化学组成。LT3652运用了一种创新的输入电压调节环路，该环路负责控制充电电流，旨在将输入电压保持在一个编程的电平上。当把LT3652连接至一块太阳能电池板时，输入调节环路将把电池板保持在峰值输出功率。
LT3652HV接受4.95V至34V的宽输入范围，具有40V的绝对最大额定值以增加系统裕度。在输入电源调节欠佳时（这时输入可能在过流状态下崩溃），输入电压调节环路还允许优化充电。该器件可为各种配置的电池组充电，包括1至4节串联的锂离子/聚合物电池、1至5节串联的磷酸铁锂(LiFePO4)电池和高达18V的密封铅酸(SLA)电池。应用包括太阳能供电系统、12V至24V汽车设备以及电池充电器。
LT3652HV的充电电流可编程至高达2A。这个独立的电池充电器不需要外部微控制器，具有用户可选的终端，包括C/10或内置定时器。该器件的1MHz固定开关频率可实现小的解决方案尺寸。浮置电压反馈准确度规定为0.5%、充电电流准确度为5%、C/10检测准确度为±2.5%。一旦充电终止，LT3652HV就自动进入低电流备用模式，这种模式将输入电源电流降至85μA。在停机模式，输入偏置电流降至15μA。就自主充电控制而言，如果电池电压降至比设定的浮置电压低2.5%，那么自动再充电功能就启动一个新的充电周期。