อินเวอร์เตอร์ระบบกักเก็บพลังงาน／โซลาร์: ลวดฉนวนสามชั้นใช้ในแหล่งจ่ายไฟเสริม ไม่ได้ใช้ในภาคกำลังหลัก

ฝ่ายออกแบบอินเวอร์เตอร์โซลาร์เซลล์ (PV) และระบบกักเก็บพลังงาน (ESS) มักถูกถามคำถามเดียวกันว่า "ลวดฉนวนสามชั้น (TIW) รุ่นนี้ใช้ในอินเวอร์เตอร์ได้ไหม" คำถามแบบนี้เหมารวมอินเวอร์เตอร์ทั้งเครื่องเข้าด้วยกัน แต่คำตอบที่ตรงไปตรงมาต้องแยกเป็นรายภาค: เส้นทางกำลังหลัก (ตัวเหนี่ยวนำบูสต์ DC/DC, ตัวเหนี่ยวนำกรองฝั่งกริด DC/AC ซึ่งอินเวอร์เตอร์แบบเชื่อมต่อกริดหลายรุ่นไม่มีแม้แต่หม้อแปลงแยกวงจรหลัก) ใช้ตัวนำหน้าตัดใหญ่และลวดลิตซ์ (Litz wire) ไม่ใช่พื้นที่ของลวดฉนวนสามชั้นแบบเส้นเดี่ยวใด ๆ ส่วนตำแหน่งของลวดฉนวนสามชั้นคือหม้อแปลงฟลายแบ็ก (flyback) แบบแยกวงจรตัวเล็กในแหล่งจ่ายไฟเสริม／ไบแอส (auxiliary／bias) บทความนี้แยกอินเวอร์เตอร์หนึ่งเครื่องออกเป็นหลายภาค อธิบายทีละภาคว่าใช้ชิ้นส่วนแม่เหล็กแบบใด และภาคไหนจึงถึงคิวของ TIW เพื่อให้วิศวกรด้านแหล่งจ่ายไฟ ชิ้นส่วนแม่เหล็ก ความปลอดภัย และจัดซื้อมีเส้นเทียบที่ตรงไปตรงมา บทความนี้ให้เพียงทิศทางและเกณฑ์ตัดสิน ค่าตัวเลขของผลิตภัณฑ์ DAH JIN ทั้งหมดให้ยึด "ตามเอกสารอนุมัติสเปก"

1. แยกอินเวอร์เตอร์ PV／ESS ออกเป็นภาคต่าง ๆ ก่อน

หน้าที่ของอินเวอร์เตอร์คือแปลงระหว่างไฟกระแสตรงกับกระแสสลับ: อินเวอร์เตอร์โซลาร์แปลงไฟกระแสตรงจากแผง PV เป็นไฟกระแสสลับเพื่อจ่ายเข้ากริด ส่วนระบบแปลงกำลังไฟฟ้า (PCS) ของระบบกักเก็บพลังงานต้องทำงานสองทิศทาง คือแปลงไฟกระแสตรงจากแบตเตอรี่เป็นกระแสสลับ และเรียงกระแสไฟกระแสสลับกลับไปชาร์จแบตเตอรี่ มาตรฐานความปลอดภัยของทั้งสองการใช้งานคือ IEC 62109 (ดู §4) ซึ่ง Part 2 ระบุชัดเจนให้อินเวอร์เตอร์ที่ "อาจใช้ร่วมกับแบตเตอรี่หรือการกักเก็บพลังงานรูปแบบอื่น" อยู่ในขอบเขต

ยกตัวอย่างสตริงอินเวอร์เตอร์ (string inverter) โซลาร์ที่พบบ่อย เอกสารแอปพลิเคชันเรื่องแหล่งจ่ายไฟเสริมของ TI แบ่งมันออกเป็นภาคแปลงกำลังหลายภาค: ภาคแรกคือภาค DC/DC ซึ่งสร้างแรงดันบัส DC ที่เสถียรจากไฟกระแสตรงของสตริง PV จากนั้นภาคอินเวอร์เตอร์ (DC/AC) แปลงบัส DC เป็นไฟกระแสสลับที่จ่ายเข้ากริด เอกสารของ TI อีกฉบับว่าด้วยโทโพโลยีของสตริงอินเวอร์เตอร์ก็แบ่งออกเป็นสามบล็อกกำลังหลักเช่นกัน ได้แก่ ภาคแปลง DC/DC ทิศทางเดียว ภาค DC/DC สองทิศทาง และภาคอินเวอร์เตอร์ DC/AC สองทิศทาง และชี้ว่าในงานที่ไวต่อต้นทุน DC/DC ด้านหน้ามักใช้โทโพโลยีบูสต์ (boost) แบบไม่แยกวงจร

เมื่อกางอินเวอร์เตอร์ออกตาม "ตำแหน่งของชิ้นส่วนแม่เหล็ก" จะได้สองเส้นทางคร่าว ๆ ดังนี้ ซึ่งความต้องการด้านชิ้นส่วนแม่เหล็กต่างกันโดยสิ้นเชิง:

• DC/DC ด้านหน้า (บูสต์／MPPT) — หน้าที่：สร้างบัส DC ที่เสถียรจากสตริง PV หรือแบตเตอรี่；ชิ้นส่วนแม่เหล็กทั่วไป：ตัวเหนี่ยวนำบูสต์／โช้ก (กระแสสูง แกนใหญ่)；เป็นหมวดของ TIW เส้นเดี่ยวหรือไม่：ไม่ใช่ (ดู §2)
• ภาคอินเวอร์เตอร์ DC/AC — หน้าที่：แปลงบัส DC เป็นไฟกระแสสลับเข้ากริด；ชิ้นส่วนแม่เหล็กทั่วไป：ตัวเหนี่ยวนำกรองฝั่งกริด (ที่พบบ่อยคือตัวกรอง LCL มีตัวเหนี่ยวนำสองตัว)；เป็นหมวดของ TIW เส้นเดี่ยวหรือไม่：ไม่ใช่ (ดู §2)
• หม้อแปลงแยกวงจรหลัก (หากใช้โทโพโลยีแบบแยกวงจร) — หน้าที่：แยกวงจรปฐมภูมิ／ทุติยภูมิและปรับแรงดัน；ชิ้นส่วนแม่เหล็กทั่วไป：หม้อแปลงกำลังสูงแบบพันลวดหรือแบบแพลนาร์；เป็นหมวดของ TIW เส้นเดี่ยวหรือไม่：ไม่ใช่ (ขดลวดหน้าตัดใหญ่ ดู §2)
• แหล่งจ่ายไฟเสริม／ไบแอส (aux／bias) — หน้าที่："ไฟเลี้ยงภายใน" สำหรับวงจรควบคุม การตรวจวัด และเกตไดรเวอร์；ชิ้นส่วนแม่เหล็กทั่วไป：หม้อแปลงฟลายแบ็กแบบแยกวงจรกำลังต่ำ；เป็นหมวดของ TIW เส้นเดี่ยวหรือไม่：ใช่ ตำแหน่งที่พบบ่อย (ดู §3)

ประเด็นสำคัญขอพูดก่อน: เส้นทางกำลังหลัก (ตัวเหนี่ยวนำบูสต์ ตัวเหนี่ยวนำตัวกรอง LCL หม้อแปลงแยกวงจรหลัก) ไม่ใช่หมวดผลิตภัณฑ์ของลวดฉนวนสามชั้นเส้นเดี่ยวของ DAH JIN ตำแหน่งที่แท้จริงของ TIW คือหม้อแปลงแยกวงจรตัวเล็กในแถวสุดท้าย ต่อไปนี้จะอธิบายทีละภาค

2. เหตุใดภาคกำลังหลักจึงไม่ใช่ที่ของ TIW เส้นเดี่ยว

ข้อเท็จจริงสำคัญสองประการของภาคกำลังหลักทำให้มันอยู่นอกระยะของลวดฉนวนสามชั้นเส้นเดี่ยวตั้งแต่ต้น

ประการแรก อินเวอร์เตอร์แบบเชื่อมต่อกริดจำนวนมากไม่มีหม้อแปลงแยกวงจรหลักเลย สตริงอินเวอร์เตอร์แบบไม่มีหม้อแปลง (transformerless) ทั้งเฟสเดียวและสามเฟสเป็นแนวทางที่พบบ่อยในอุตสาหกรรม และเอกสารวิชาการระบุชัดว่าโทโพโลยีแบบนี้ "ไม่มีการแยกทางไฟฟ้า (galvanic isolation)" กล่าวอีกนัยหนึ่งคือระหว่างฝั่ง PV กับฝั่งกริดไม่มีหม้อแปลงพันลวดสำหรับกำลังหลักอยู่เลย ชิ้นส่วนแม่เหล็กของภาคกำลังหลักก็คือตัวเหนี่ยวนำบูสต์กับตัวเหนี่ยวนำกรองฝั่งกริด (ตัวกรอง LCL ที่พบบ่อยมีตัวเหนี่ยวนำสองตัวในตัวอยู่แล้ว) เมื่อไม่มีหม้อแปลงแยกวงจรหลัก คำถามว่า "ควรใช้ TIW ในขดลวดกำลังหลักหรือไม่" ก็ไม่เกิดขึ้นตั้งแต่แรก

ประการที่สอง ตัวเหนี่ยวนำของกำลังหลักเป็นชิ้นส่วนแม่เหล็กกำลังที่มีกระแสสูง แกนใหญ่ และพันด้วยตัวนำหน้าตัดใหญ่ ขดลวดของตัวเหนี่ยวนำกระแสสูงต้องชั่งน้ำหนักระหว่างความต้านทานไฟกระแสตรงกับความต้านทานไฟกระแสสลับที่ความถี่สูง ทางเลือกเชิงปฏิบัติสี่แบบในงานวิศวกรรมคือ ลวดตัน ลวดลิตซ์ แผ่นฟอยล์แบน และฟอยล์ขึ้นรูป ลวดตันเส้นเดี่ยวที่ความถี่สูงจะนำกระแสเฉพาะชั้นผิว ทำให้การสูญเสียในทองแดงจากไฟกระแสสลับสูง ตัวเหนี่ยวนำความถี่สูงกระแสสูงจึงเปลี่ยนไปใช้ลวดลิตซ์ (เส้นเล็กหลายเส้นช่วยกันกระจายกระแส) หรือพันด้วยแผ่นฟอยล์เพื่อลดการสูญเสีย ตำแหน่งการออกแบบของลวดฉนวนสามชั้นกลับตรงกันข้าม: มันคือลวดอาบน้ำยาเส้นเดี่ยวที่ค่อนข้างเล็กซึ่งหุ้มด้วยฉนวนสามชั้นหนา คุณค่าอยู่ที่การใช้ลวดเพียงเส้นเดียวให้ได้ฉนวนเสริมแรง (Reinforced) และตัดระยะห่างตามผิวฉนวนออกไป ทำให้หม้อแปลงตัวเล็กกำลังต่ำถึงปานกลางทำได้เล็กลง การนำลวดเส้นเดี่ยวเล็กฉนวนหนาแบบนี้ไปใช้ในขดลวดกระแสสูงของตัวเหนี่ยวนำกำลังหลักจึงไม่ลงตัวทั้งด้านความสามารถนำกระแสและการสูญเสียในทองแดงที่ความถี่สูง และนี่ไม่ใช่สิ่งที่ยี่ห้อหรือเอกสารอนุมัติสเปกจะชดเชยได้

แม้อินเวอร์เตอร์จะใช้โทโพโลยีแบบแยกวงจรและมีหม้อแปลงแยกวงจรหลักจริง นั่นก็เป็นหม้อแปลงกำลังที่มีกำลังสูงและขดลวดหน้าตัดใหญ่ ซึ่งไม่ใช่ที่ของ TIW เส้นเดี่ยวเช่นกัน ดังนั้นคำตอบที่ตรงไปตรงมาต่อคำถาม "กำลังหลักของอินเวอร์เตอร์โซลาร์／ESS ต้องใช้ลวดฉนวนสามชั้นหรือไม่" คือ ไม่ต้อง ซึ่งสอดคล้องกับจุดยืนของบทความ "แหล่งจ่ายไฟของศูนย์ข้อมูล／เซิร์ฟเวอร์ AI" ในชุดเดียวกันนี้: กำลังหลักเป็นพื้นที่ของตัวนำหน้าตัดใหญ่ (ลิตซ์／ฟอยล์／แพลนาร์) ส่วน TIW อยู่ในอีกภาคหนึ่ง

3. ตำแหน่งของลวดฉนวนสามชั้น: หม้อแปลงฟลายแบ็กของแหล่งจ่ายไฟเสริม／ไบแอส

นอกจากกำลังหลัก อินเวอร์เตอร์ทุกเครื่องมี "ไฟเลี้ยงภายใน" อยู่หนึ่งชุด เอกสารแอปพลิเคชันของ TI นิยามไว้ชัดเจน: แหล่งจ่ายไฟเสริม "ออกแบบมาเพื่อจ่ายไฟให้อุปกรณ์ควบคุม สายสัญญาณ การตรวจวัด และเกตไดรเวอร์" และ "มักอยู่ในรูปของตัวควบคุมฟลายแบ็กแบบแยกวงจรที่แปลงแรงดันจากบัส DC หรือกริด AC (หรือทั้งสอง)" ให้เป็นรูปแบบที่อุปกรณ์ภายในต้องการเพื่อทำงาน หากขาดแหล่งจ่ายไฟนี้ วงจรอิเล็กทรอนิกส์ทั้งเครื่องจะไม่มีไฟเลี้ยงและทั้งระบบจะล้มเหลว เอกสารยังชี้ว่าอุปกรณ์อย่างเกตไดรเวอร์ "ต้องมีแรงดันไบแอสที่ถูกต้องจึงจะขับสวิตช์กำลังได้อย่างถูกต้อง"

ลักษณะสองประการของแหล่งจ่ายไฟเสริมนี้กำหนดตำแหน่งของ TIW: กำลังต่ำ แต่ต้องมีการแยกวงจรเพื่อความปลอดภัยระหว่างปฐมภูมิกับทุติยภูมิ กำลังต่ำแค่ไหน? ดีไซน์อ้างอิงของแหล่งจ่ายไฟเสริมที่ TI อ้างถึงในเอกสารฉบับเดียวกันรับอินพุต 350 V ถึง 1500 V และจ่ายเอาต์พุตเพียงระดับ 150 W ซึ่งเมื่อเทียบกับภาคกำลังหลักที่มีขนาดหลายกิโลวัตต์ถึงหลายร้อยกิโลวัตต์ นี่เป็นเพียงส่วนเล็ก ๆ และสิ่งที่มันใช้ก็คือหม้อแปลงแยกวงจรตัวเล็กแบบพันลวด (ฟลายแบ็ก) นั่นเอง การใช้ลวดพันเพียงชนิดเดียวให้ได้ฉนวนเสริมแรงบนหม้อแปลงตัวเล็กแบบนี้คือวิธีที่อุตสาหกรรมใช้ลวดฉนวนสามชั้นกันเป็นปกติ ทั้งเอกสารโครงสร้างหม้อแปลงฟลายแบ็กจากบุคคลที่สามและงานวิจัยเรื่องแหล่งจ่ายไฟเสริมของอินเวอร์เตอร์ PV ต่างชี้ว่า TIW ถูกใช้ในขดลวดทุติยภูมิของหม้อแปลงฟลายแบ็กที่ต้องการการแยกวงจรแบบเสริมแรงระหว่างปฐมภูมิ／ทุติยภูมิ นี่คือระดับการใช้งานที่ลวดฉนวนสามชั้นสี่รุ่นของ DAH JIN (TLW-B, TLW-BB, TLW-B7S, TLW-F) ตรงกับจริง ๆ

สำหรับภาคนี้ หลักฐานชั้นต้นที่ DAH JIN ให้ได้คือชุดเงื่อนไขการรับรองที่ตายตัว ไม่ใช่คำกล่าวอ้างว่า "ถูกนำไปใช้ในอินเวอร์เตอร์รุ่นใดรุ่นหนึ่งแล้ว": ทั้งสี่รุ่นอยู่ในขอบเขตการประเมิน IEC 62368-1 Annex J ของ VDE 40008834 Anlage 200 ค่าตัวเลขที่แน่นอน เช่น แรงดันใช้งาน แรงดันพีค ความถี่ทดสอบ ให้ยึดตามเอกสารอนุมัติสเปก และใบรับรอง VDE ขนาดลวด 0.10–1.00 mm (TLW-B7S เป็นลวดตีเกลียว 7 เส้น เส้นเดี่ยว 0.10–0.30 mm) ระดับความทนความร้อน 130(B) และ TLW-F เป็น Class F (155 °C) แนวทางฝั่งออกแบบคือนำจุดทำงานจริงของหม้อแปลงฟลายแบ็กเสริม／ไบแอสของตนไปเทียบกับเงื่อนไข Annex J ที่ระบุในเอกสารอนุมัติสเปก หากอยู่ในเงื่อนไขก็เลือกใช้ได้ หากข้อใดข้อหนึ่งเกินต้องประเมินแยกต่างหาก บทความนี้ไม่คำนวณย้อนกลับจุดทำงานของหม้อแปลงจากแรงดันสตริง PV หรือบัส DC และไม่อ้างว่าลวดฉนวนสามชั้นของ DAH JIN ถูกนำไปใช้ในอินเวอร์เตอร์รุ่นใดเป็นการเฉพาะ เส้นแบ่งระหว่างระดับความทนความร้อนของลวดกับระดับความทนความร้อนของระบบฉนวน ดูที่ ระดับความทนความร้อนของลวดกับระดับความทนความร้อนของระบบฉนวน

4. ระบบมาตรฐานความปลอดภัย: IEC 62109 มองการแยกวงจรอย่างไร

มาตรฐานความปลอดภัยของอินเวอร์เตอร์สำเร็จรูปคือ IEC 62109 โดย Part 1 (ข้อกำหนดทั่วไป) กำหนดการป้องกันอันตรายจากไฟฟ้าช็อต พลังงาน อัคคีภัย กลไก ฯลฯ ของอุปกรณ์แปลงกำลังไฟฟ้า PV ครอบคลุมระบบฉนวน (หลัก／เสริม／เสริมแรง) และระยะห่างตามผิวฉนวนกับระยะห่าง (clearance) ตามระดับแรงดันและระดับมลภาวะ (pollution degree) ที่สอดคล้องกัน ใช้กับฝั่ง DC ถึง 1500 V และฝั่ง AC ถึง 1000 V ส่วน Part 2 (ข้อกำหนดเฉพาะสำหรับอินเวอร์เตอร์) ครอบคลุมอินเวอร์เตอร์แบบเชื่อมต่อกริดและแบบแยกเดี่ยวอย่างชัดเจน และรวมกรณี "อาจใช้ร่วมกับแบตเตอรี่หรือการกักเก็บพลังงานรูปแบบอื่น" เข้าไว้ด้วย ดังนั้น PCS ของระบบกักเก็บพลังงานจึงอยู่ในระบบมาตรฐานชุดเดียวกันนี้

ตรงนี้ต้องแยกให้ชัดสองระดับ (กล่าวเพียงพอสังเขป รายละเอียดให้ยึดตามตัวบทมาตรฐาน): IEC 62109 คือมาตรฐานความปลอดภัยของอินเวอร์เตอร์สำเร็จรูป ซึ่งกำหนดว่าทั้งเครื่องต้องการการแยกวงจรระดับใดและอยู่ที่แนวกั้นใด ส่วน เอกสารอนุมัติสเปกของ TIW คือการประเมินการแยกวงจรในระดับวัสดุ (ลวด) ซึ่งประเมินตามระบบ UL 2353／IEC 62368-1 Annex J (ไอซีที／ภาพและเสียง) และ IEC 60601-1 (การแพทย์ ตามเอกสารอนุมัติสเปก) ทั้งสองไม่ใช่ระดับเดียวกันและใช้แทนกันไม่ได้ แนวทางที่ถูกต้องของฝั่งออกแบบคือ ผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปต้องผ่าน IEC 62109 และเมื่อหม้อแปลงฟลายแบ็กเสริม／ไบแอสตัวใดต้องได้ฉนวนเสริมแรงที่ขดลวด ก็เลือกลวดฉนวนสามชั้นที่เงื่อนไขในเอกสารอนุมัติสเปกครอบคลุมจุดทำงานนั้น เป็นหนึ่งในวิธีให้ได้ฉนวนเสริมแรง ส่วนจะต้องใช้การแยกวงจรระดับใด แรงดันทนได้และระยะห่างเท่าใด ให้การจัดระดับตาม IEC 62109 ของผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปเป็นตัวกำหนด ไม่ใช่อนุมานย้อนกลับจากแคตตาล็อกลวด ค่าตัวเลขที่เกี่ยวข้องของ DAH JIN ให้ยึดตามเอกสารอนุมัติสเปกทั้งหมด บทความนี้ไม่ลอกค่าซ้ำ

5. เกณฑ์ทางวิศวกรรม: จัดระดับก่อน แล้วค่อยพูดถึงลวด

ข้อสรุปหน้าเดียวสำหรับวิศวกรแหล่งจ่ายไฟ／ชิ้นส่วนแม่เหล็ก ตามลำดับ "ระบุก่อนว่าชิ้นส่วนอยู่ภาคใด แล้วค่อยพูดว่าต้องใช้ TIW หรือไม่":

1. เส้นทางกำลังหลัก (ตัวเหนี่ยวนำบูสต์ ตัวเหนี่ยวนำกรองฝั่งกริด LCL และหม้อแปลงแยกวงจรหลักหากมี): ใช้ตัวนำหน้าตัดใหญ่ ตรงที่ความถี่สูงกระแสสูงใช้ลวดลิตซ์หรือพันด้วยแผ่นฟอยล์เพื่อลดการสูญเสียในทองแดง รุ่นแบบไม่มีหม้อแปลงไม่มีแม้แต่หม้อแปลงแยกวงจรหลัก ภาคนี้ไม่ใช่หมวดของลวดฉนวนสามชั้นเส้นเดี่ยว ไม่จำเป็นและไม่ควรนึกถึง TIW
2. หม้อแปลงแยกวงจรตัวเล็ก (ฟลายแบ็ก) ของแหล่งจ่ายไฟเสริม／ไบแอส: นี่คือหม้อแปลงแยกวงจรแบบพันลวด และเป็นตำแหน่งของลวดฉนวนสามชั้น หากจะเลือก TIW ให้ดึงแรงดันใช้งาน แรงดันพีค และความถี่ทดสอบจริงของหม้อแปลงตัวนั้นออกมา แล้วเทียบกับเงื่อนไขการรับรอง Annex J ที่ระบุในเอกสารอนุมัติสเปก (และขนาดลวดอยู่ในช่วง 0.10–1.00 mm เส้นเดี่ยวของ TLW-B7S อยู่ในช่วง 0.10–0.30 mm) หากอยู่ในเงื่อนไขก็เลือกใช้ได้ หากข้อใดข้อหนึ่งเกินต้องประเมินแยกต่างหาก
3. ไม่คำนวณย้อนกลับ ไม่ประมาณเกินขอบเขต: อย่าคำนวณย้อนกลับจุดทำงานของหม้อแปลงจากแรงดันสตริง PV หรือบัส DC สำหรับงานการแพทย์ Annex L (2 MOOP／2 MOPP) มีชุดเงื่อนไขแยกต่างหากและผูกกับ TLW-BB และ TLW-B7S เท่านั้น ค่าตัวเลขให้ยึดตามเอกสารอนุมัติสเปกเช่นกัน ทางแยกแรกของการเลือกรุ่น (B 130 °C vs F 155 °C) ดูที่ คู่มือการเลือกลวดฉนวนสามชั้น