光伏转换器如何应对众多挑战

随着越来越多的工程师致力于光伏解决方案，我们的B-G474E-DPOW1 探索套件及其STM32G474可以帮助他们设计更好的太阳能逆变器。就像STM32F334一样，这款 MCU 集成了高分辨率定时器以提供更严格的电压调节。光伏系统利用太阳能并将其转化为可用电能。它们基于三个主要要素：发电 （1）、电力负荷 （2） 和系统或 BOS 的平衡 （3）。发电是太阳能电池板阵列，其中光子敲除自由电子以产生直流电。电源负载是为家庭、工厂等设备供电的交流电。BOS是位于太阳能电池板和负载之间的基础设施。它包括接线、电池组、电池充电器，以及其他将成为这篇博文中心的电源转换器。

光伏转换器：如何应对众多挑战？

太阳能转换器是任何光伏系统的核心，但它们的设计也特别具有挑战性，因为它们必须承受极端条件。最明显的风险是过热，因为它并不总是可以保护它免受高温影响。同样，由于逆变器经常在户外，它们应该与高湿度和寒冷环境兼容。它们还必须处理显着的电压变化。由于多排太阳能电池板试图捕捉阳光，它们不会都有相同的曝光，曝光也不会是恒定的。高效的电源转换器是一种无论天气或一天中的时间如何都能产生尽可能少的能量损失的电源转换器。 最后，逆变器必须便宜，否则太阳能将永远无法渗透到主流市场并达到临界规模。

最近，这些挑战的解决方案以 MPPT 太阳能转换器的形式出现。最大功率点跟踪是一种通过连续跟踪转换器的输入功率来最大化太阳能电池板可以输出的功率的技术。通过调整其输入特性（阻抗），面板保持在峰值功率工作点，无论太阳辐射水平或面板温度如何。简而言之，由于太阳能电池的输出特性不是线性的，因此 MPPT 逆变器会监控发电量，并在算法的帮助下改变其行为以从太阳能电池板中提取尽可能多的电力。 为了实现各种 MPPT 策略以最大限度地提高功率负载，太阳能转换器必须使用能够适应这些变化的灵活设备，例如搭载高分辨率定时器 （HRTIM1） 的 STM32F334 或 STM32G474 MCU。

光伏转换器：高分辨率定时器有什么好处？

模拟转换器往往徘徊在 100 kHz 左右，这限制了转换器的紧凑性，因为较低的开关频率意味着更大的无源元件，如磁性元件和电容器。因此，工程师转向微控制器，但这些数字设备仍然需要高分辨率定时器。在以 100 MHz 运行的标准 MCU 中，生成 1 MHz 脉冲宽度调制意味着每个 PWM 步骤将花费 10 纳秒。STM32G474 使用分辨率为 184 皮秒的计时器，对应于大约 5 GHz 的频率，从而将整体精度提高了 50 倍，而 STM32F334 紧随其后，为 217 皮秒。 这种性能允许更严格地控​​制输出电压和电流，以及对负载瞬态的更好响应。简而言之，高分辨率定时器提供了 MPPT 转换器所需的灵活性。

高分辨率定时器提供的余量允许使用更具成本效益的无源元件，例如具有较低电感的绕组。事实上，性能的提高显着降低了开关损耗。因此，设计人员可以选择余量较小的部件，因为电压或电流的变化会更小。同样，他们也可以使用性价比更高的陶瓷电容。 工程师传统上需要在太阳能逆变器中使用电解电容器。然而，BOS 必须在非常高的温度下工作，并且获得与这种环境兼容的电解电容器的成本很高。此外，由于老化导致的泄漏通常会危及整个系统并迫使公司更换整个逆变器。高分辨率定时器允许使用陶瓷电容器，从而绕过所有这些问题，并可以显着降低初始和维护成本。

期待 LLC 谐振拓扑中的 SiC 和 GAN

具有高分辨率定时器的 MCU 的优势还远远超出 MPPT 太阳能转换器，有利于其他 LLC 谐振拓扑，这些拓扑现在在消费电子、工业应用、服务器群等的电源中很流行。通过使用一个电感 （L） 和一个电容器 （C），可以在略低于开关频率的情况下产生谐振，从而实现零电压或接近零电压的开关，从而显着降低损耗。开关晶体管易受损耗影响，但如果在电压为零或接近时进行开关，则损耗变得微不足道。因此，这种拓扑结构极大地受益于数字控制器，可以快速响应负载变化。

此外，许多人正在关注碳化硅设备的出现，并想知道他们将如何驱动这些设备。他们提供了出色的表现，但常规计时器是不够的。答案是 STM32F334 和 STM32G474 的高分辨率定时器，它们不仅支持更精确的 LLC 拓扑，而且支持更现代的 SiC 甚至氮化镓 （GAN） 器件系统。公司往往会忽略这一事实，因为目前还没有多少人登上 SiC 或 GAN 列车，但这意味着他们现在可以开始认证这些 MCU，并在未来几年使用它们，因为他们知道它们已经有能力迎接电子领域的下一个突破。

如何构建数字 MPPT 太阳能转换器

为了帮助工程师设计他们的数字 MPPT 太阳能转换器，我们在社区平台上发布了设计文件 （Altium）、制造文件和要导入 STM32CubeMX 的软件项目。他们将在解决该系统中一些最具挑战性的方面大有帮助，并且可以作为希望开发逆变器的团队的一个很好的起点或测试平台。它还展示了高分辨率定时器如何确保使用更小、更可靠的组件来实现紧凑的设计，并在宽功率范围内实现 90% 以上的效率。该转换器的工作频率为 1 MHz，并使用 STM32F334 的 HRTIM1 高分辨率定时器，但鉴于该项目的开源性质，任何人都可以对其进行更新以使用 STM32G474。

审核编辑：郭婷