ZHCUBL4C December   2023  – July 2026

 

  1.   1
  2.   说明
  3.   资源
  4.   特性
  5.   应用
  6.   6
  7. 1系统说明
    1. 1.1 主要系统规格
    2. 1.2 具有升压转换器的 PV 输入
    3. 1.3 双向直流/直流转换器
    4. 1.4 直流/交流转换器
  8. 2系统设计原理
    1. 2.1 升压转换器
      1. 2.1.1 电感器设计
      2. 2.1.2 整流器二极管选型
      3. 2.1.3 MPPT 运行
    2. 2.2 双向直流/直流转换器
      1. 2.2.1 电感器设计
      2. 2.2.2 低压侧电容器
      3. 2.2.3 高压侧电容器
    3. 2.3 直流/交流转换器
      1. 2.3.1 升压电感器设计
      2. 2.3.2 直流链路电容器
  9. 3系统概述
    1. 3.1 方框图
    2. 3.2 设计注意事项
      1. 3.2.1 升压转换器
        1. 3.2.1.1 高频 FET
        2. 3.2.1.2 输入电压和电流检测
      2. 3.2.2 双向直流/直流转换器
        1. 3.2.2.1 高频 FET
        2. 3.2.2.2 电流和电压测量
        3. 3.2.2.3 输入继电器
      3. 3.2.3 直流/交流转换器
        1. 3.2.3.1 高频 FET
        2. 3.2.3.2 电流测量
        3. 3.2.3.3 电压测量
        4. 3.2.3.4 辅助电源
        5. 3.2.3.5 无源器件选择
    3. 3.3 重点产品
      1. 3.3.1  TMDSCNCD28P55X - controlCARD 评估模块
      2. 3.3.2  TMDSCNCD280039C - TMS320F280039C 评估模块 C2000™ MCU controlCARD™
      3. 3.3.3  LMG3522R030 具有集成式驱动器、保护和温度报告功能的 650V 30mΩ GaN FET
      4. 3.3.4  TMCS1123 - 精密霍尔效应电流传感器
      5. 3.3.5  AMC1302 - 具有 ±50mV 输入电压的增强型隔离式精密放大器
      6. 3.3.6  ISO7741 EMC 性能优异的四通道、3 个正向、1 个反向增强型数字隔离器
      7. 3.3.7  ISO7762 EMC 性能优异的六通道、4 个正向、2 个反向增强型数字隔离器
      8. 3.3.8  UCC14131-Q1 汽车类、1.5W、12V 至 15V VIN、12V 至 15V VOUT、高密度、> 5kVRMS 隔离式直流/直流模块
      9. 3.3.9  ISOW1044 具有集成直流/直流电源的低辐射、5kVRMS 隔离式 CAN FD 收发器
      10. 3.3.10 ISOW1412 具有集成电源的低辐射、500kbps、增强型隔离式 RS-485、RS-422 收发器
      11. 3.3.11 OPA4388 四通道、10MHz、CMOS、零漂移、零交叉、真 RRIO 精密运算放大器
      12. 3.3.12 OPA2388 双通道、10MHz、CMOS、零漂移、零交叉、真 RRIO 精密运算放大器
      13. 3.3.13 INA181 26V 双向 350kHz 电流检测放大器
  10. 4硬件、软件、测试要求和测试结果
    1. 4.1 硬件要求
      1. 4.1.1 其他硬件建议
    2. 4.2 测试设置
      1. 4.2.1 升压级
      2. 4.2.2 双向直流/直流级
        1. 4.2.2.1 降压模式
        2. 4.2.2.2 升压模式
      3. 4.2.3 直流/交流级
    3. 4.3 测试结果
      1. 4.3.1 升压转换器
        1. 4.3.1.1 开关节点波形
        2. 4.3.1.2 效率测量
        3. 4.3.1.3 GaN 结温测量
      2. 4.3.2 双向直流/直流转换器
        1. 4.3.2.1 降压模式
          1. 4.3.2.1.1 效率测量
          2. 4.3.2.1.2 GaN 结温测量
        2. 4.3.2.2 升压模式
          1. 4.3.2.2.1 效率测量
          2. 4.3.2.2.2 开关节点波形
          3. 4.3.2.2.3 GaN 结温测量
      3. 4.3.3 直流/交流转换器
        1. 4.3.3.1 效率测量
        2. 4.3.3.2 开关节点波形
        3. 4.3.3.3 总谐波失真比较
        4. 4.3.3.4 GaN 结温测量
        5. 4.3.3.5 无功功率能力
        6. 4.3.3.6 防孤岛
  11. 5设计和文档支持
    1. 5.1 设计文件
      1. 5.1.1 原理图
      2. 5.1.2 BOM
    2. 5.2 工具与软件
    3. 5.3 文档支持
    4. 5.4 支持资源
    5. 5.5 商标
  12. 6关于作者
  13. 7修订历史记录

4.3.3.6 防孤岛

孤岛是指电网的一部分与主电网断开连接、但继续自行运行的情况，例如由本地能源（如光伏逆变器或发电机）供电。这个由发电设备和负载组成的隔离部分被称为孤岛。

意外形成孤岛可能会带来危险，因为它可能会伤害人员、因不受控制的电压或频率而损坏设备，以及违反电网法规和安全标准。

防孤岛方法是一种安全机制，可自动检测何时发生意外孤岛并在特定时间限制内关闭本地电源。该时间限制由网格代码和标准（如 IEEE 1547 或 IEC 62116）设置，以确保安全及时地断开连接。

防孤岛方法可分为两大类：被动方法和主动方法。被动方法涉及持续监测一个或多个电网参数（例如电压或频率），并将它们与预定义的限制进行比较。如果测量到的任何参数超出可接受的范围，系统会将此条件识别为静止状态并启动关断。

另一方面，主动方法的工作原理是有意将小干扰引入电网。根据设计，这些干扰在并网正常运行期间产生的影响可以忽略不计，但在发生孤岛时，其影响会变得很明显，从而能够更快地检测到干扰。两种最常见的主动方法是：

  • 桑迪亚频率偏移 (SFS)：在公共耦合点 (PCC) 处的电压频率中引入小幅正反馈。发生孤岛时，这会导致频率漂移超出可接受的范围，从而触发保护性关断。

  • 桑迪亚电压偏移 (SVS)：在 PCC 处的电流中引入小幅正反馈，这直接影响 PCC 电压幅度。发生孤岛时，这会将电压驱动到可接受的限值以上，从而触发保护性关断。

TIDA-010938 已在 IEC 62116 标准规定的条件下进行了测试。根据该标准，系统必须在主电网连接断开后的 2 秒内检测到孤岛并与电网断开。

以下是测试过程中遵循的一些条件和规格：

  • 400V 的受控直流母线电压
  • 对应于谐振频率 fr 的 RLC 负载：
    方程式 21. f r   =   1 2 π LC ~ 50Hz
  • 品质因数 Qf：
    方程式 22. Q f = R C L ~ 1
  • 调制方案：HERIC 拓扑
  • 考虑到额定功率为 3.2kW，我们在 25% 输出功率、50% 输出功率和 100% 输出功率的最坏情况下进行了测试
  • 不会发生功率变化（实际或无功）的情况
  • 电网频率设置为 50Hz

对于相应的功率级别以及上述注意事项，选择了如表 4-5所示的以下 R、L 和 C 组合。

表 4-5 RLC 负载组合
额定输出功率 额定值百分比 测试输出功率 R (Ohm) L (mH) C (uF)
3.2kW 100 3.2kW 16.5 50.0 200.0
3.2kW 50 1.6kW 33.0 100.0 100.0
3.2kW 25 0.8kW 66.0 200.0 50.0

结果

表 4-6展示了每个功率级别的检测时间比较以及相应的防孤岛检测方法。

表 4-6 检测时间
输出功率 SFS SVS SFS + SVS
3.2kW

0.21s

未检测到

0.21s
1.6kW

0.20s

1.52s

0.21s
0.8kW

0.20s

0.70s

0.20s

SFS 方法展示了在所有测试运行条件和功率级别下进行一致且可靠的孤岛检测。在所有情况下，系统都成功检测到孤岛状况，并在 IEC 62116 规定的两秒限值内断开连接。

虽然 SVS 在某些工作点展示了孤岛检测能力，但它展示了某些功率级别下的限制。具体而言，较高的功率等级不会检测到孤岛情况，而其他功率等级则会产生相对较长的断开时间。这些结果表明，仅 SVS 可能无法在所有工作条件和功率等级下提供可靠的防孤岛保护，可能需要与其他方法（例如 SFS 或无源技术）结合使用。从一起实现 SFS 和 SVS 时的断开时间可以看出这一点。

表 4-7 THD 比较
输出功率 正常运行 SFS SVS SFS + SVS
3.2kW 3.0 3.1 3.1 3.2
1.6kW 3.8 3.9 3.9 3.9
0.8kW 6.6 6.6 6.7 6.7

如表 4-7所示，两种防孤岛方法的整合对逆变器的总谐波失真 (THD) 性能的影响可以忽略不计。需要注意的是，TIDA-010938 是 4.6kW 额定功率转换级；因此，3.2kW 时的结果并不能反映满载性能。在较低功率级别下观察到的 THD 增加与预期行为一致。

表 4-8 效率比较
输出功率 正常运行 SFS SVS SFS + SVS
3.2kW 98.3% 98.3% 98.2% 98.2%
1.6kW 98.3% 98.3% 98.3% 98.3%
0.8kW 98.0% 98.0% 97.9% 97.9%
表 4-8显示了各种功率级别下的效率测量值以及相应的防孤岛方法实现。结果表明，与标称工作点相比，添加这两种方法后，性能不会明显下降。

图 4-26、图 4-27和图 4-28中展示了 TIDA-010938 的孤岛检测和断开连接波形。本文以 0.8kW、1.6kW 和 3.2kW 的功率等级为例介绍了三种情况，所有这些情况均使用 SFS 算法进行测试。在波形中，逆变器电压以蓝色显示，逆变器电流以粉色显示，S1 上的电压以红色显示，表示断开开始的触发条件和电网电流以绿色显示。电网电流几乎为零，因为电网的功率交换几乎为零，并且逆变器输出与连接的负载紧密匹配。黑色虚线表示断开触发点与逆变器电压和电流衰减至零的那一刻之间的间隔。

TIDA-010938 使用 SFS 算法进行 800W 测试的断开波形图 4-26 使用 SFS 算法进行 800W 测试的断开波形
TIDA-010938 使用 SFS 算法进行 1600W 测试的断开波形图 4-27 使用 SFS 算法进行 1600W 测试的断开波形
TIDA-010938 使用 SFS 算法进行 3200W 测试的断开波形图 4-28 使用 SFS 算法进行 3200W 测试的断开波形

请注意，这些是防孤岛测试的初步结果。该软件目前已针对使用 50Hz 电网运行的 TIDA-010938 硬件进行了硬调优，并且该软件尚未完全优化。还值得注意的是，实施主动防孤岛算法可能会导致转换器的电能质量出现一定程度的下降，但正如文献中所报告的，对这一点的详细分析超出了本文档的讨论范围。软件用户指南中介绍了有关测试设置的更多信息。