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兆易創新推出500W單級光伏微逆方案,助力控制精度更上層樓

2025-06-30
來源:兆易創新

  在“雙碳”目標推動下,分布式光伏因靈活部署優勢成為能源轉型的重要載體。作為光伏組件直流轉交流的核心設備,微型逆變器憑借組件級精準控制,有效解決傳統組串式方案的失配損耗與安全問題,在戶用及光伏建筑一體化(BIPV)場景中價值凸顯。隨著行業對高集成度、高效率及低成本的需求升級,單級式架構以極簡設計與高效能優勢,正引領微型逆變器技術變革。

  兆易創新深耕半導體領域,根據光伏行業熱點,正式推出基于高性能GD32G553 MCU的單級微型逆變器方案,該方案采用一拖一架構,具備高效率、低損耗、高集成度及成本優化等優勢,可滿足用戶在分布式光伏系統中對智能運維、系統可靠等多方面的應用需求,助力光伏微逆解決方案向更加智能化、集成化、低碳化方向發展。

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  兆易創新500W單級型光伏微型逆變器方案

  在單級架構上實現創新

  作為直接集成于單塊或少量光伏組件背部的能量轉換裝置,微型逆變器的核心技術優勢在于其獨有的組件級最大功率點跟蹤(MPPT)功能。該特性使其能夠在組件間性能差異或局部陰影遮擋場景下,通過獨立優化每塊組件的功率輸出,最大化系統發電量。目前,在戶用分布式光伏系統、光伏建筑一體化(BIPV)等對靈活性和安全性要求較高的場景中得到廣泛應用。

  根據電路結構的不同,微型逆變器主要分為兩級式和單級式兩種架構。與傳統兩級式架構相比,單級式架構憑借其更高的能量轉換效率、更簡潔的BOM以及更低的制造成本,成為行業技術演進的主要方向。兆易創新推出的500W單級微型逆變器解決方案,采用基于GD32G5系列MCU與納微半導體雙向GaNFast氮化鎵功率芯片的單級一拖一架構,集中體現了該技術方向的核心優勢。

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  單級式微逆與兩級式微逆架構對比

  單級架構通過省去一級直流-直流變換環節,在簡化電路結構的同時實現效率提升。值得注意的是,該架構在實現微逆核心功能的基礎上,同樣支持無功THD優化及一拖n擴展等,滿足不同應用場景下的技術需求。

  單級拓撲架構主要由原邊全橋電路、變壓器、副邊半橋電路及EMI濾波電路構成。通過原邊移相控制,與副邊移相控制的協同作用,調節變壓器漏感兩端的電壓,進而控制漏感電流的大小,實現高效的功率傳輸控制。為滿足微型逆變器應用中的寬電壓增益和功率傳輸比的需求,單一的調制模式難以兼顧功率傳輸范圍與效率優化的雙重目標。而混合調制模式通過軟開關及功率傳輸的條件,動態切換調制模式,在保證給定功率傳輸目標的同時,有效降低回流功率,并拓展軟開關范圍,從而滿足高效率能量傳輸與高質量并網的要求。

  在技術實現層面,移相控制過程中很容易出現丟波、連波等問題。而兆易創新GD32G553 MCU憑借高精度及高靈活性的高精度定時器(HRTIMER)外設,通過載波之間的移相計數復位及同步更新等功能,為上述問題提供了完善的解決方案。同時,GD32G553 MCU有著強大的算力,靈活的PWM發波機制及豐富的模擬外設資源,滿足了單級微逆在發波、采樣及環路控制中的嚴苛需求,確保單級微逆在復雜工況下的穩定運行。

  全鏈路控制架構與系統級優化設計

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  兆易創新500W單級微逆控制方案

  在系統控制架構中,GD32G553 MCU作為核心控制單元,承擔PWM生成、信號采樣及環路控制等功能。副邊功率轉換部分采用了納微雙向BDS GaN功率器件。整個控制環路如下:首先通過最大功率點跟蹤(MPPT)算法計算出PV電壓參考值,經電壓環控制器實現對PV電壓參考值的動態跟蹤;電壓環計算得到的結果,與SOGI PLL鎖相環提取到的電網電壓相位信息以及給定無功相角信息相結合,給前饋控制器及電流環控制器提供電流參考。最終,計算出原邊移相控制量與副邊移相控制量,并通過高精度定時器模塊,轉化為實際驅動脈沖,實現對功率電路的精準調控。

  控制算法在MCU實現過程中,主要由鎖相環、前饋補償、閉環控制及移相轉換四部分組成,對這幾個部分進行了執行時間的測試,結果表明GD32G553控制器展現出了良好的算力性能。

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  GD32G553系列MCU與納微雙向BDS GaN功率器件性能指標

  通過系統級優化,整個方案有著高效率、高質量并網以及高集成度的特點:在100kHz開關頻率下,實現了97.5%的峰值效率和97%的CEC加權效率,MPPT效率為99.9%;500W條件下,THD為3.2%,PF為0.999。

  首先,在高效率與低損耗方面。所有開關管均可實現ZVS,顯著降低開關損耗;通過優化的混合調制策略,拓寬了軟開關范圍;降低回流功率和變壓器電流有效值,減少了導通損耗;同時使用納微BDS GaN減少開關損耗。

  其次,在高質量并網方面。該方案的前饋控制能夠提高功率響應速度,加強對電網電壓的跟蹤效果;閉環Q-PR控制可無靜差跟蹤交流信號,提高并網電流質量。同時,通過原邊副邊移相控制量之間的協同調整,實現模式間無擾切換,從而平滑變壓器電流及并網電流。

  最后,在高集成度與成本優化方面。方案采用了單個集成電感的變壓器的磁集成技術,實現了磁性元件體積的縮小,并采用雙向BDS GaN來滿足對交流側雙向開關的需求,進一步縮小了尺寸,降低方案的整體BOM成本。

  打造豐富的產品矩陣,建設高質量生態圈

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  高性能GD32 MCU在數字能源領域的應用

  在新能源控制領域,兆易創新構建了覆蓋全場景的MCU產品矩陣,廣泛應用于光伏關斷器、優化器、AI拉弧檢測、儲能ESS系統、BMS、逆變器、HMI通訊監控等產品應用。在拉弧檢測、優化器、Bi DC-DC、工商儲BMS等部分,兆易創新還提供了完整的方案供客戶直接使用或者二次開發,能大幅減少研發周期。在功率控制方面,兆易創新分別有600Mhz高主頻的GD32H7系列以及216MHz的GD32G5系列MCU供客戶選擇。

  本方案中采用的GD32G553屬于兆易創新的GD32G5系列MCU。該系列有著出色的算力,采用Arm? Cortex?-M33內核,主頻高達216MHz,內置單精度浮點單元(FPU),以及硬件三角函數加速器(TMU)和其他多種硬件加速單元。這些特性大幅提升了數據處理速度和復雜運算能力。同時,GD32G5系列MCU能支持最多16個Channel的高精度PWM輸出,分辨率高達145ps。可支持變占空比、變頻、移相等發波方式。

  除了算力及發波控制方面的優勢以外,GD32G553還支持4個12位ADC模塊,采樣速率高達5.3MSPS,最多可支持高達42個采樣通道,能夠高效地采集和處理多種傳感器的信號。同時,GD32G553配備了8個CMP(片上比較器),具有快速響應及靈活配置等特點,其輸出信號可以內部直連至HRTIMER中,實現對PWM的封鎖或切換。

  除了打造表現優異的產品外,兆易創新還加強生態建設。兆易創新與納微半導體共建聯合研發實驗室通過將兆易創新高算力MCU和納微半導體的高頻、高效GaN技術進行整合,打造出智能、高效的數字電源產品,為客戶帶來更多方案選擇。同時,配合兆易創新的全產業鏈的生態與納微對系統應用的深刻理解,加速在AI數據中心、光伏逆變器、儲能系統、充電樁、電動汽車等領域的布局。




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