在“雙碳”目標推動下，分布式光伏因靈活部署優(yōu)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(tǒng)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(yè)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(yōu)勢，正引領微型逆變器技術變革。
兆易創(chuàng)新深耕半導體領域，根據(jù)光伏行業(yè)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(yōu)化等優(yōu)勢，可滿足用戶在分布式光伏系統(tǒng)中對智能運維、系統(tǒng)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(fā)展。
兆易創(chuàng)新500W單級型光伏微型逆變器方案
在單級架構上實現(xiàn)創(chuàng)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(yōu)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(yōu)化每塊組件的功率輸出，最大化系統(tǒng)發(fā)電量。目前，在戶用分布式光伏系統(tǒng)、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(jù)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(tǒng)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(yè)技術演進的主要方向。兆易創(chuàng)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(xiàn)了該技術方向的核心優(yōu)勢。
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(huán)節(jié)，在簡化電路結構的同時實現(xiàn)效率提升。值得注意的是，該架構在實現(xiàn)微逆核心功能的基礎上，同樣支持無功THD優(yōu)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(xié)同作用，調節(jié)變壓器漏感兩端的電壓，進而控制漏感電流的大小，實現(xiàn)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(yōu)化的雙重目標。而混合調制模式通過軟開關及功率傳輸?shù)臈l件，動態(tài)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(wǎng)的要求。
在技術實現(xiàn)層面，移相控制過程中很容易出現(xiàn)丟波、連波等問題。而兆易創(chuàng)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(shù)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(fā)波機制及豐富的模擬外設資源，滿足了單級微逆在發(fā)波、采樣及環(huán)路控制中的嚴苛需求，確保單級微逆在復雜工況下的穩(wěn)定運行。
全鏈路控制架構與系統(tǒng)級優(yōu)化設計
兆易創(chuàng)新500W單級微逆控制方案
在系統(tǒng)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(huán)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(huán)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(jīng)電壓環(huán)控制器實現(xiàn)對PV電壓參考值的動態(tài)跟蹤；電壓環(huán)計算得到的結果，與SOGI PLL鎖相環(huán)提取到的電網(wǎng)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(huán)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(xiàn)對功率電路的精準調控。
控制算法在MCU實現(xiàn)過程中，主要由鎖相環(huán)、前饋補償、閉環(huán)控制及移相轉換四部分組成，對這幾個部分進行了執(zhí)行時間的測試，結果表明GD32G553控制器展現(xiàn)出了良好的算力性能。
GD32G553系列MCU與納微雙向BDS GaN功率器件性能指標
通過系統(tǒng)級優(yōu)化，整個方案有著高效率、高質量并網(wǎng)以及高集成度的特點：在100kHz開關頻率下，實現(xiàn)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(xiàn)ZVS，顯著降低開關損耗；通過優(yōu)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(wǎng)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(wǎng)電壓的跟蹤效果；閉環(huán)Q-PR控制可無靜差跟蹤交流信號，提高并網(wǎng)電流質量。同時，通過原邊副邊移相控制量之間的協(xié)同調整，實現(xiàn)模式間無擾切換，從而平滑變壓器電流及并網(wǎng)電流。
最后，在高集成度與成本優(yōu)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(xiàn)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(tài)圈
高性能GD32 MCU在數(shù)字能源領域的應用
在新能源控制領域，兆易創(chuàng)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(yōu)化器、AI拉弧檢測、儲能ESS系統(tǒng)、BMS、逆變器、HMI通訊監(jiān)控等產品應用。在拉弧檢測、優(yōu)化器、Bi DC-DC、工商儲BMS等部分，兆易創(chuàng)新還提供了完整的方案供客戶直接使用或者二次開發(fā)，能大幅減少研發(fā)周期。在功率控制方面，兆易創(chuàng)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(chuàng)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(shù)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(shù)據(jù)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(fā)波方式。
除了算力及發(fā)波控制方面的優(yōu)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(xiàn)對PWM的封鎖或切換。
除了打造表現(xiàn)優(yōu)異的產品外，兆易創(chuàng)新還加強生態(tài)建設。兆易創(chuàng)新與納微半導體共建聯(lián)合研發(fā)實驗室通過將兆易創(chuàng)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(shù)字電源產品，為客戶帶來更多方案選擇。同時，配合兆易創(chuàng)新的全產業(yè)鏈的生態(tài)與納微對系統(tǒng)應用的深刻理解，加速在AI數(shù)據(jù)中心、光伏逆變器、儲能系統(tǒng)、充電樁、電動汽車等領域的布局。
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