太陽能不再是一項(xiàng)新興技術(shù)，而是正在經(jīng)歷重大技術(shù)變革的技術(shù)，日趨成熟。我們朝著電網(wǎng)平價(jià)(太陽能成本與傳統(tǒng)能源發(fā)電類型的成本相當(dāng))，并且改進(jìn)傳統(tǒng)能源發(fā)電類型構(gòu)成的目標(biāo)前進(jìn)，因?yàn)閷⒚姘逯械闹绷麟娹D(zhuǎn)換為可用交流電的過程變得更加高效且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

    但是，雖然太陽能面板在近幾年價(jià)格顯著降低，但下一波太陽能發(fā)展浪潮將由功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的新技術(shù)推動(dòng)。先進(jìn)復(fù)雜的多級功率開關(guān)拓?fù)涞呐d起將基于碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)材料，加上更高的工作電壓(最高1600VDC)，實(shí)現(xiàn)更加快速的功率開關(guān)，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，性能將大幅提高。更高的開關(guān)頻率意味著功率轉(zhuǎn)換器的無源元件，即感應(yīng)線圈和電容尺寸可以大幅減小，從而可減輕重量、降低成本。這兩項(xiàng)均為太陽能市場進(jìn)一步擴(kuò)大的關(guān)鍵優(yōu)勢。

    因此，這些新的功率開關(guān)拓?fù)湔谕苿?dòng)可提供相關(guān)控制和支持的器件的變革。更小、更快的系統(tǒng)需要整個(gè)功率轉(zhuǎn)換信號鏈的改進(jìn)更快地處理和更好地器件集成。但是，隨著現(xiàn)代光伏逆變器越來越小，這些創(chuàng)新加劇了處理功率轉(zhuǎn)換所固有的重要安全性問題的挑戰(zhàn)，也就是說，由于這些系統(tǒng)尺寸縮小，危險(xiǎn)電壓的物理隔離變得更加復(fù)雜。

   雖然太陽能面板或太陽能模塊是太陽能系統(tǒng)的核心，也是較為明顯的部分，但在整個(gè)信號鏈中，更復(fù)雜的部分是光伏逆變器——控制系統(tǒng)的大腦。光伏逆變器需要經(jīng)過仔細(xì)設(shè)計(jì)，以保護(hù)電流測量和計(jì)算電路，使其不受功率處理電路以及開關(guān)所引起的瞬態(tài)信號影響。但是，這種保護(hù)代價(jià)不菲：多個(gè)冗余隔離器件會(huì)提升成本和系統(tǒng)復(fù)雜性。而且很明顯，通過可編程處理器來運(yùn)行這些系統(tǒng)所需的日益復(fù)雜的算法，需要考慮代碼完整性以保證系統(tǒng)自身的安全性問題。

    此外，官方的安全認(rèn)證是所有開發(fā)人員面臨的要求。必須遵守許多有關(guān)安全斷開連接(和重新連接)的法規(guī)。系統(tǒng)必須以多快的速度響應(yīng)、如何處理掉電和停電、快速斷開連接和電弧檢測，這些均必須得到解決—在許多情況下，每個(gè)國家/地區(qū)的解決辦法不同。由于認(rèn)證會(huì)增加開發(fā)時(shí)間(成本)，因此已證明合格的器件和方法極具吸引力，并且還需要足夠靈活，能夠適應(yīng)多個(gè)不斷演變的區(qū)域安全法規(guī)。

    幸運(yùn)的是，通過使用可集成先進(jìn)混合信號控制處理器、并被互補(bǔ)隔離電流檢測和柵極驅(qū)動(dòng)器技術(shù)包圍的功率逆變器平臺(tái)，這些問題便可以迎刃而解。

1單一故障安全

對于安全關(guān)鍵應(yīng)用，如太陽能光伏逆變器的交流監(jiān)控器和隔離器，除了監(jiān)控設(shè)備以外，安全標(biāo)準(zhǔn)需要冗余的監(jiān)控元件，以確保單一故障安全。在傳統(tǒng)光伏逆變器中，這一點(diǎn)通過在系統(tǒng)中添加監(jiān)控處理器來完成，該處理器充當(dāng)冗余監(jiān)控元件，然后控制繼電器K2(圖1)。在傳統(tǒng)光伏逆變器控制硬件中，單獨(dú)的監(jiān)控處理器負(fù)責(zé)冗余安全元件K2及相關(guān)監(jiān)控。兩個(gè)處理器均運(yùn)行部分安全軟件，并通過標(biāo)準(zhǔn)I/O設(shè)施通信。

PVStrings光伏串

PVInverterPowerHardware光伏逆變器功率硬件

ACGrid交流網(wǎng)

Supervisor電源監(jiān)控器

RedundantSafety冗余安全

ControlProcessor控制處理器

SystemManagement系統(tǒng)管理

ControlMPPT,DC-to-DC,DCAC控制MPPT、DC至DC、DCAC

RedundantSafety冗余安全

COMMsProcessor通信處理器

COMMs通信

圖1系統(tǒng)中添加監(jiān)控處理器來確保單一故障安全

2專為實(shí)現(xiàn)太陽能光伏逆變器的安全、速度和成本效益的設(shè)計(jì)

冗余器件使得系統(tǒng)控制硬件的總體成本顯著增加，因?yàn)殡m然監(jiān)控元件實(shí)際上包含具有良好性能要求的處理器，但也必須添加額外的支持基礎(chǔ)架構(gòu)。另一方面，這種配置的冗余元件分離顯而易見，因此在安全機(jī)構(gòu)進(jìn)行合格審計(jì)時(shí)，這是易于理解的安全布局。

雖然光伏逆變器制造商力求提高逆變器性能，但全球市場對降低太陽能光伏系統(tǒng)總運(yùn)行成本的需求使制造商不斷備受壓力，并且被迫加強(qiáng)研究，以改善逆變器拓?fù)洳⒖s減光伏逆變器安全關(guān)鍵器件的成本。因此，為了盡可能的縮減成本，安全隔離器的冗余監(jiān)控元件成為了應(yīng)嚴(yán)格審核的器件。

3雙核設(shè)計(jì)提供顯著優(yōu)勢

對同時(shí)簡化和增強(qiáng)逆變器操作的渴望，驅(qū)使ADI公司開發(fā)了一系列創(chuàng)新的混合信號控制處理器，ADSP-CM41x系列。ADSP-CM41x設(shè)計(jì)的核心是具有突破性的獨(dú)立雙核安全概念，可將安全冗余和功能集成到單芯片中。這個(gè)史無前例的架構(gòu)無需外部監(jiān)控元件(這是目前的標(biāo)準(zhǔn))，可以節(jié)省大量開發(fā)時(shí)間和系統(tǒng)成本。

全新ADSP-CM41x通過一組專門針對可再生能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)要求的特性，解決當(dāng)今的功率轉(zhuǎn)換問題，包括集成優(yōu)化的硬件加速器，旨在提高內(nèi)核處理能力。此外，設(shè)備的板載電弧故障檢測功能可以簡化設(shè)計(jì)，并通過智能決策增強(qiáng)安全性，從而提高可靠性和精度。

通過在單芯片上的主M4控制內(nèi)核中添加獨(dú)立的M0監(jiān)控內(nèi)核，帶有冗余監(jiān)控和控制信號路徑的單一故障容錯(cuò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)得到了顯著簡化，同時(shí)降低了整體系統(tǒng)成本(圖2)。雙核設(shè)計(jì)通過集成獨(dú)立M0監(jiān)控內(nèi)核，大大簡化了冗余安全元件的設(shè)計(jì)。處理器通過專用郵箱系統(tǒng)進(jìn)行通信，包括心跳信號的傳輸。

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圖2雙核設(shè)計(jì)通過集成獨(dú)立M0監(jiān)控內(nèi)核

雖然M0和M4內(nèi)核在同一片晶圓上—從安全的角度來看，成本最少—但內(nèi)核通過創(chuàng)新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以物理方式分離開來。通過雙端口RAM郵箱的處理器間通信可獨(dú)立檢查并驗(yàn)證冗余獲得的工藝參數(shù)。

4代碼安全

除了物理電源安全，務(wù)必要小心謹(jǐn)慎，以確保運(yùn)行這些系統(tǒng)的算法得到正確解讀;過程受破壞可導(dǎo)致安全性削弱的工作狀態(tài)。此外，使用可將處理器內(nèi)核功能分離的郵箱通信系統(tǒng)來隔離處理器之間的通信較為有利。郵箱系統(tǒng)允許任意內(nèi)核隨時(shí)隔離讀取/寫入數(shù)據(jù)，而不是直接的發(fā)送-接收信號交換通信方式。

為了代碼的安全，M4內(nèi)核具備1MB閃存和高達(dá)160kBSRAM，而M0具備32kBSRAM。M4和M0處理器L1SRAM、閃存和郵箱存儲(chǔ)器均采用零等待狀態(tài)SECDEDECC加以保護(hù)，并原生保護(hù)32位存儲(chǔ)器元件。在適當(dāng)?shù)牡胤綄懭?位、16位數(shù)據(jù)將導(dǎo)致后臺(tái)自動(dòng)讀取-修改-寫入ECC更新，通常不存在可觀察到的處理器停頓。刷新輔助硬件可周期性處理單個(gè)位錯(cuò)誤。多位錯(cuò)誤檢測還可用來觸發(fā)中斷和/或故障。此外，對于誤差檢測，使用循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)硬件模塊計(jì)算數(shù)據(jù)塊的CRC。它基于CRC32引擎，可計(jì)算傳遞給它的32位數(shù)據(jù)字的CRC值。特別地，可以使用CRC單元來驗(yàn)證閃存內(nèi)容，即SRAM中常數(shù)數(shù)據(jù)塊(文字或代碼)。

利用雙核混合信號控制處理器實(shí)現(xiàn)交流電網(wǎng)監(jiān)控

作為如何利用雙核設(shè)計(jì)的示例，我們來看看光伏逆變器中交流電網(wǎng)監(jiān)控的工作原理。交流電網(wǎng)監(jiān)控主要包含兩個(gè)功能—頻率監(jiān)控和電壓監(jiān)控：

對于頻率監(jiān)控，需要嚴(yán)格容許的基于時(shí)間的測量，當(dāng)使用RC振蕩器作為備份時(shí)基時(shí)，這可能很難實(shí)現(xiàn)。因此，處理器使用單振蕩器或晶振(XTAL)作為主系統(tǒng)時(shí)鐘(SYSCLK)輸入，使用M0上的其他XTAL監(jiān)控通過郵箱的主時(shí)鐘源漂移。SYSCLK線路上除漂移以外的時(shí)鐘故障由內(nèi)部振蕩器比較器單元(OCU)直接處理。它使用外部低頻率振蕩器(LFO)檢測各種條件，如時(shí)鐘消失和時(shí)鐘頻率超限，并且可生成數(shù)個(gè)事件，通知處理器相關(guān)違反情況。檢測到故障事件時(shí)，可以配置時(shí)鐘不良信號(CLKNG)，將芯片置于復(fù)位狀態(tài)，它還能初始化GPIO引腳安全狀態(tài)機(jī)制。

交流電壓監(jiān)控必須確保相電壓在所需容差范圍內(nèi)，還可以用于兩個(gè)隔離開關(guān)繼電器的功能自測。為實(shí)現(xiàn)單一故障耐電壓監(jiān)控，處理器的模擬前端(AFE)包含兩個(gè)單獨(dú)的ADC塊，分別具備各自的ADC控制器、基準(zhǔn)電壓和多電源路徑。當(dāng)然，一個(gè)ADC塊由M4控制，另一個(gè)由M0控制，以實(shí)現(xiàn)郵箱系統(tǒng)的完全冗余電壓測量和完整性檢查。除此之外，在使光伏逆變器聯(lián)網(wǎng)之前，板載DAC可用于在內(nèi)部單獨(dú)應(yīng)用AFE信號鏈的所有器件。

5光伏逆變器平臺(tái)

除了混合信號處理器，光伏系統(tǒng)中還有許多其他關(guān)鍵器件需要一起使用，以便安全地通信、控制和傳遞數(shù)據(jù)與電流。

VDE-AR-N4105EvaluationBoardVDE-AR-N4105評估板

PVInverter光伏逆變器

ACGrid交流網(wǎng)

RelaySupply繼電器電源

SystemManagement系統(tǒng)管理

ControlMPPT,DC-to-DC,DCAC控制MPPT、DC至DC、DCAC

RedundantSafety冗余安全

圖3VDE-AR-N-4105技術(shù)演示裝置框圖

設(shè)計(jì)采用冗余信號路徑概念，包括冗余參考、ADC和XTAL，以及內(nèi)部振蕩器和電壓監(jiān)控單元與處理器間郵箱系統(tǒng)，允許從監(jiān)控系統(tǒng)中完全消除其他外部監(jiān)控元件(圖3)。圖形LCD提供所有相關(guān)狀態(tài)信息，一目了然，只需按一下按鈕便可以執(zhí)行整個(gè)系統(tǒng)的完整校準(zhǔn)周期。該單元配備經(jīng)過廣泛驗(yàn)證的軟件包，并持有德國TüV-SüD在2016年3月頒發(fā)的VDE-AR-N4105合格認(rèn)證。ADI公司的VDE-AR-N-4105技術(shù)演示裝置如圖4所示