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从“双芯”到“双核”,太阳能逆变器迎来新的设计革命

上网日期: 2016年05月17日 ?? 作者: 邵乐峰 ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:能源转换? 光伏逆变器? 太阳能逆变器?

在2013年ADI面向电机控制和太阳能逆变器市场推出其混合信号控制处理器ADSP-CM40x三年后,该公司日前又推出了其全新的升级版本ADSP-CM41x系列。相比前一代产品,此番ADSP-CM41x设计的核心是突破性的“独立双核”安全概念——即将安全冗余和功能集成于一颗双核芯片中。

主角出场前,让我们先简单回顾一下CM40x这款面向电机控制和太阳能逆变器市场的处理器。CM40x搭载了一枚240MHz浮点ARM Cortex-M4处理器,并集成了精度达13.6ENOB的双通道16位ADC和全面的SINC滤波器实现模式,使其可以直接与用于分流电阻式电流检测系统架构中的隔离式Σ-Δ型调制器(AD7400A/AD7401A)接口,从而节省用FPGA实现同一功能所需要的成本和工程资源。

当前的光伏逆变器中通常都部署两个独立的处理器,一颗用于逆变处理,一颗用于安规管理。已确保当其中一颗发生异常时,另外一颗能及时将逆变器关掉或从电网断开,从而确保安全。但将“安全冗余和功能集成于一颗双核单芯片”中的做法却从未有厂商敢于尝试。ADI工业医疗及消费事业部的能源与隔离产品部总经理Ian Lawee对此解释说,其中一个重要的原因,是因为这样的架构要想通过安规认证,就必须要做一些特殊的改进和设计。而ADI则是业界第一个能够做成双核,并且通过TUV/VDE安规认证的供应商。

CM41x在240MHz浮点ARM Cortex-M4处理器的基础上新增了一个100MHz Cortex M0内核,用以替代传统的外部安规处理器。在Ian Lawee看来,这种“独立双核”架构的最大优点在于无需当今大多数设备标配的外部监控元件,从而大幅度节省了开发时间和系统成本。同样重要的改进是板载集成优化的硬件加速器(包括专门用于三角函数运算的浮点运算单元CORDIC、用于电伏检测的FFT等),以及板载电弧故障检测功能,不仅为处理器内核减负,提高内核处理能力,还能够简化设计,提高安全性,改进了设备的可靠性和精度。

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5年前,ADI开始在新能源方面展开投资,开发了一系列能够无缝集成的信号链路元件产品,公司内部将其称之为“高精度能源转换平台”。除了上文提及的ADSP-CM40x/CM41x混合信号处理器外,还包括AD740x Sigma Delta模数转换器,能够替代尺寸更大、更昂贵的传感器模块,从而降低系统成本,改进隔离电流测量水平;以及ADuM413x产品系列隔离式栅极驱动器,采用iCoupler隔离技术,能够更快速地切换,进一步提高系统效率。

光伏逆变技术在过去几年中取得了长足的进步,而且中国市场当前对太阳能产品的需求量极大。ADI行业市场高级经理陆磊提供的数据显示,2015年国内太阳能市场计划装机容量为15GW,但实际则达到了43GW,预计到2020年将达到150GW的规模,年增长率保持在20GW以上。

但横亘在新能源发电市场前一道迈不过去的坎,则是它离“市电平价”这一目标还有较大差距。也就是说,如果光伏发电的价格不能和水电/煤电等传统能源的价格持平,那么新能源就不可能被市场大力的接受和推广。所以,现在的新型太阳能逆变器设计对缩减尺寸、重量和成本的呼声极高,这就需要进一步挖掘数字处理技术的潜力。

“就像电视机从50年前厚厚的显像管电视到现在的平板电视一样,逆变器行业也会发生同样的革命。”Ian Lawee认为以下三方面将成为重要突破口:

1. 更快的切换速率,包括多层的拓扑结构和基于IGBT、氮化镓和碳化硅材料的宽禁带开关器件;

2. 在确保低成本的基础上提升安全规范标准;

3.更高的效率。

在他列举的一个客户案例中,世界第三大光伏逆变器厂商Solar edge公司通过采用ADI DSP和高精度电源转换平台,推出了自己的HD wave技术,使得新一代逆变器产品的体积降为原来的1/2,重量由22kg减为9.5kg,磁器件和散热器件数量分别减少16倍和2.5倍,效率提高到99%。

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