Mikrokontroléry pro solární měniče

Pro fotovoltaický trh byly doposud příznačné dvoumístné míry růstu. Ovšem mezinárodní konkurence neustále přitvrzuje a pobízí výrobce k inovacím a úpravám cen klíčových komponent. Distributor, coby na výrobci nezávislý poradce, podává vývojářům fundovanou pomocnou ruku při výběru a návrhu technologicky a komerčně vhodných komponent. To ovšem předpokládá mít rozsáhlé znalosti nejen o součástkách, ale i o všech aplikacích včetně situace na trhu. Toto know-how sloučila firma Rutronik v týmu nazvaném Vertical Market Team Energy, v rámci něhož úzce spolupracují výrobní a aplikační inženýři se specialisty na bezdrátové aplikační protokoly (wireless) a displeje. Ti se pak na této úrovni zabývají rovněž měniči pro fotovoltaiku. Jednou z klíčových složek, která může výraznou měrou ovlivnit účinnost těchto měničů, je mikrokontrolér.

Možné varianty zapojení a blokové schéma zapojení

Na obrázku 1 je zobrazeno blokové schéma měniče pro fotovoltaické panely. Za měničem DC/DC s funkcí Maximum Power Point Tracking (MPPT, maximální využití solárního výkonu) následuje síťový měnič DC/AC. Invertor je v závislosti na síťovém výkonu realizován buď jako jednofázový, anebo třífázový. Novinkou v této oblasti jsou mikroinvertory, tedy malé solární invertory namontované přímo na každém fotovoltaickém modulu. Ceny mikroinvertorů jsou vzhledem k očekávaným objemům výroby citlivou záležitostí. Dokonce i konstrukční velikost u nich hraje významnější roli nežli u konvenčních solárních měničů.

Obr. 1 Blokové schéma zapojení referenčního návrhu solárního invertoru od firmy STMicroelectronics: Výkonová část se skládá z řízeného měniče DC/DC a za ním zařazeného síťového měniče. V zeleně označených polích jsou funkční softwarové bloky pro Maximum Power Point Tracing (MPPT) i pro regulaci činného a jalového výkonu ve vektorovém modelu.

Mikrokontrolér musí zajistit tyto funkce:

• Měřit a převádět stavové funkce, jako je teplota, proud a napětí, z analogových hodnot na digitální a obráceně.
• Maximum Power Point Tracking (MPPT, maximální využití solárního výkonu). Mikrokontrolér musí sledovat křivku MPPT a podle ní upravit chod invertoru.
• Ochranné funkce před nadměrnou teplotou, nadproudem atd. V takových případech se spouští rychlé bezpečnostně- regulační mechanismy chránící přístroj i provozovatele.
• Přesná fázová synchronizace se sítí, kvůli níž se musí zjistit okamžitý fázový posun.
• Různé regulační obvody podle druhu matematického modelu. Provádějí se obdobné výpočty, jaké se používají i pro regulaci pohonů AC řízených vektorově. Jedná se zejména o trigonometrické výpočetní operace, s jejichž pomocí lze převádět ukazatele napětí a proudu tam a zpět do různých částečně rotujících souřadnicových systémů.
• Vytvořit řídicí signál pro výkonový stupeň tak, aby byla účinnost pokud možno co nejvyšší s minimem nežádoucích harmonických signálů. To vyžaduje vhodné čítače/časovače pro vytvoření PWM (pulzně šířkové modulace) anebo dvoubodové regulátory s hysterezí.
• Obslužná rozhraní a komunikace. U mikrokontrolérů se nabízí coby Physical Layer (fyzická vrstva) především elektroenergetické kabely, tedy Powerline Communication (PLC, přenos zpráv po elektrické síti).

Požadavky jsou vesměs podobné těm pro řízení elektrických pohonů. Motor poháněný solárním invertorem je z pohledu energetického synchronním generátorem. V současné době mají všichni velcí výrobci ve své nabídce mikrokontroléry vhodné pro použití v invertorech. Protože jsou založeny na odlišných technologiích, mají různé silné a slabé stránky.

Porovnání běžných mikrokontrolérů

RX62T od společnosti Renesas pochází z řady 32bitových mikrokontrolérů RX Renesas Extreme vyráběných 90nm technologií. Klíčovým prvkem těchto mikrokontrolérů firmy Renesas je vlastní flash-technologie MONOS, která dovoluje běh programu z FLASH paměti až do kmitočtu 100 MHz bez waitstates (stavu čekání), což u RX vede k maximálnímu početnímu výkonu 165 DMIPS. Část této paměti je možné využít jako datovou flash s 30 000 E/W cykly. Díky tomu lze ušetřit v mnoha případech externí EEPROM. Nově vyvinuté jádro těchto mikrokontrolérů je kódově efektivní a dosahuje početního výkonu 1,65 DMIPS/MHz. Zabudovaná jednotka FPU nabízí jednoduchou přesnost výpočtů v pohyblivé řádové čárce s čísly ve formátu IEEE-754. Kromě toho jsou k dispozici dva příkazy MAC s posunem pro 32bitovou celočíselnou aritmetiku usnadňující digitální zpracování signálu. Díky těmto matematickým schopnostem se mikrokontroléry RX62T skvěle hodí pro početně náročné algoritmy, jaké jsou zpracovávány v solárních invertorech.

Obr. 2 RX62T od firmy Renesas

Rovněž u periférií RX62T vytěžila firma Renesas maximum: analogové vstupy s dvěma nezávislými převodníky ADC, každý s 12bitovým rozlišením, jsou dimenzovány bez jakéhokoliv kompromisu pro použití v invertorech. Nejkratší doba převodu činí 1μs. Každý ze šesti analogových vstupů je opatřen operačním zesilovačem s programovatelným zesílením (PGA) a vlastním obvodem S/H. Aby bylo možno signály PWM rychle deaktivovat, jsou na výstupech PGA navíc okénkové komparátory, takže ochranné funkce jsou aktivní i bez programové podpory a zpoždění. Z hlediska integrace jsou mikrokontroléry řady RX62T naprostá špička: protože mají integrovánu celou řadu analogových periferií, výrazně klesá potřeba externích součástek pro zpracování signálu v solárním invertoru. Pro řízení výkonových polovodičů jsou k dispozici MTU3 (Motor Timer Unit, jednotka snímání motoru) a GPT (General Purpose Timer, univerzální časový spínač). Tyto jednotky pocházejí z osvědčené řady SH a rovněž pracují s řídicím kmitočtem až 100 MHz.

Obr. 3 Mikrokontroléry řady STM32 od STMicroelectronics

Mikrokontroléry řady STM32 od firmy STMicroelectronics byly na trhu velice dobře přijaty – a právem, neboť v mikrokontrolérech je spojeno populární jádro ARM Cortex-M3™ se State-of-the-Art periferiemi. Tyto mikrokontroléry taktéž nabízí i dobrý poměr cena/výkon. Použitelnost těchto mikrokontrolérů pro solární invertory doložila firma STMicroelectronics svým referenčním návrhem 3kW invertoru, přičemž STM32 vypočítává všechny algoritmy a produkuje všechny řídicí signály jak pro ZVT (Zero Voltage Transition) dvojčinný převodník s fázově posunutou synchronní detekcí, tak i pro síťový vlastní měnič.

Obr. 4 Mikrokontroléry řady dsPIC33 firmy Microchip

V případě mikrokontrolérů řady dsPIC33 firmy Microchip se jedná o 16bitové digitální signální řadiče, tedy mikrokontroléry se schopnostmi DSP nebo o DSP s dobrými vlastnostmi mikrokontrolérů. Pro oblast řízení invertorů přinesl Microchip na trh svou vlastní podskupinu vybavenou příslušnými snímači a několika rychlými převodníky ADC. Pro aritmetiku s pevnou řádovou čárkou jsou k dispozici instrukce pro násobení a dělení. Mikrokontroléry dsPIC ovládají samozřejmě i násobení a sčítání v jednom cyklu (instrukce MAC –Multiple and Accumulate). Pro dílčí aplikace spínaných zdrojů, jako např. měniče DC/DC anebo síťové měniče v solárním invertoru, jsou první volbou dsPIC33FJxxGS, neboť tyto mají modul Power Supply PWM, který může být taktován frekvencemi až do 120 MHz. Tento modul nabízí až devět kanálů a je vhodný pro řízení plných i polovičních můstků, které jsou nezbytné např. i pro Phase-Shifted PWM se Zero Voltage Transition (ZVT). Microchip má v nabídce několik referenčních návrhů pro celou sérii GS, z nichž lze vybrat moduly pro solární invertory. Například pro jednofázový síťový měnič existuje „Digital Pure Sine Wave UPS Reference Design“, pro step-up i step-down měniče, ale i pro ZVT (Zero Voltage Transition) dvojčinné převodníky s fázově posunutou synchronní detekcí existuje „Digital Power AC/DC Reference Design“.

Obr. 5 8bitový mikrokontrolér výrobní řady XC800

Infineon se vydává se svým 8bitovým mikrokontrolérem výrobní řady XC800 originální cestou: jednoduché CPU jádro (8051) je obklopeno silnými periferními jednotkami, které ulehčují CPU. Například mikrokontroléry XC878 byly speciálně vyvinuty pro aplikace invertorů. Trigonometrické funkce důležité pro Parkovu transformaci souřadnic přebírá jednotka CORDIC (Coordinate Rotation Digital Computer). Vedle ní obsahuje řadič ještě jednotku pro násobení a dělení (MDU). Dohromady se strukturou CAPCOM6 sloužící k vytvoření PWM vznikl velmi výkonný komplex, u něhož jednotka CPU zásobuje tyto periferie údaji a vyzvedává si výsledky o několik pulsů (taktů) později.

Všechny zde popsané mikrokontroléry doporučujeme pro použití v solárních měničích s ohledem na integraci, početní výkon i poměr cena/výkon. RX je nejnovější s nejvyšší integrací analogových periferií. Řada mikrokontrolérů STM32 nabízí největší rozsah velikostí a pamětí. dsPIC je předdefinován pro rychlou 16bitovou aritmetiku. A konečně XC878 firmy Infineon vykazuje nejlepší výsledky v řízení výkonové elektroniky, a to díky velmi výkonným periferiím.