Інвертори для СНЕ / сонячних систем: провід із потрійною ізоляцією працює в допоміжному джерелі живлення, а не в головному силовому каскаді

Розробникам інверторів для фотоелектричних (PV) систем і систем накопичення енергії (ESS) часто ставлять одне запитання: «Чи можна цей провід із потрійною ізоляцією (TIW) застосувати в інверторі?» Таке формулювання змішує весь інвертор в одне ціле, а чесна відповідь розкладається по каскадах. Головне силове коло (підвищувальний дросель DC/DC, дросель мережевого фільтра DC/AC — у багатьох мережевих моделях головного розділового трансформатора немає взагалі) намотують провідником великого перерізу та літцендратом, і це не територія жодного однодротового проводу з потрійною ізоляцією; місце проводу з потрійною ізоляцією — малий ізольований трансформатор зворотноходового перетворювача (flyback) у допоміжному джерелі живлення / джерелі зміщення (auxiliary / bias). У цій статті інвертор розкладено на каскади, по кожному пояснено, який магнітний компонент у ньому стоїть і де нарешті настає черга TIW, — чесна лінія зіставлення для інженерів із джерел живлення, магнітних компонентів, безпеки та закупівель. Стаття дає лише напрям і критерії; усі значення продукції DAH JIN — «згідно з листом погодження».

1. Спочатку розкласти PV / ESS-інвертор на каскади

Робота інвертора — перетворення між постійним і змінним струмом: сонячний інвертор перетворює постійний струм PV-панелей на змінний для мережі; система перетворення енергії (PCS) накопичувача має бути двонапрямленою — перетворювати постійний струм акумулятора на змінний і випрямляти змінний струм для заряджання акумулятора. З погляду безпеки обидва застосування підпадають під IEC 62109 (див. §4), частина 2 якого прямо включає до сфери дії інвертори, що «можуть бути призначені для використання разом з акумуляторами або іншими формами накопичення енергії».

Візьмімо для прикладу поширений сонячний стринговий інвертор. Прикладна нотатка TI щодо допоміжних джерел живлення розкладає його на кілька каскадів перетворення: перший — каскад DC/DC, який з постійного струму PV-стрінга формує стабільну напругу шини постійного струму (DC-шини); далі інверторний каскад (DC/AC) перетворює цю шину на змінний струм для подачі в мережу. Інший документ TI щодо силових топологій стрингових інверторів так само ділить його на три великі силові блоки — однонапрямлений каскад DC/DC, двонапрямлений каскад DC/DC і двонапрямлений інверторний каскад DC/AC — і зазначає, що в чутливих до вартості застосуваннях вхідний DC/DC здебільшого виконують як неізольований підвищувальний (boost) перетворювач.

Якщо розкласти інвертор за «розташуванням магнітних компонентів», отримаємо приблизно два наведені нижче кола з цілком різними вимогами до магнітних компонентів:

• Вхідний DC/DC (boost / MPPT) — Функція：Формує стабільну DC-шину з PV-стрінга або акумулятора；Типовий магнітний компонент：Підвищувальний дросель / дросель (великий струм, велике осердя)；Категорія однодротового TIW?：Ні (див. §2)
• Інверторний каскад DC/AC — Функція：Перетворює DC-шину на змінний струм для мережі；Типовий магнітний компонент：Дросель мережевого фільтра (зазвичай LCL-фільтр, два дроселі)；Категорія однодротового TIW?：Ні (див. §2)
• Головний розділовий трансформатор (за ізольованої топології) — Функція：Розділення первинного/вторинного кіл і узгодження напруги；Типовий магнітний компонент：Потужний намотаний або планарний трансформатор；Категорія однодротового TIW?：Ні (обмотки великого перерізу, див. §2)
• Допоміжне джерело живлення / джерело зміщення (aux / bias) — Функція：«Господарське» живлення керування, вимірювання та драйверів затворів；Типовий магнітний компонент：Малий ізольований трансформатор зворотноходового перетворювача；Категорія однодротового TIW?：Так, звичайне місце (див. §3)

Головне наперед: головне силове коло (підвищувальний дросель, дроселі LCL-фільтра, головний розділовий трансформатор) не є категорією продукції для однодротового проводу з потрійною ізоляцією DAH JIN; справжнє місце TIW — малий розділовий трансформатор в останньому рядку. Далі — по каскадах.

2. Чому головний силовий каскад — не місце для однодротового TIW

Два ключові факти про головний силовий каскад від самого початку виводять його за межі досяжності однодротового проводу з потрійною ізоляцією.

По-перше, багато мережевих інверторів узагалі не мають головного розділового трансформатора. Однофазні та трифазні безтрансформаторні (transformerless) стрингові інвертори — поширена галузева практика, і література прямо зазначає, що такі топології «не мають гальванічної розв'язки» — інакше кажучи, між PV-стороною та мережевою стороною немає жодного намотаного силового трансформатора; магнітні компоненти головного силового каскаду — це підвищувальний дросель і дросель мережевого фільтра (поширений LCL-фільтр сам містить два дроселі). Без головного розділового трансформатора питання «чи застосовувати TIW в обмотці головного силового каскаду» навіть не виникає.

По-друге, дроселі головного силового каскаду — це силові магнітні компоненти з великим струмом і великим осердям, обмотки яких виконують провідником великого перерізу. Обмотка дроселя на великий струм має балансувати між опором постійному струму та високочастотним опором змінному струму; чотири практичні інженерні варіанти — суцільний дріт, літцендрат, плоска фольга та формована фольга. Суцільний однодротовий провідник на високій частоті проводить лише в поверхневому шарі й має великі втрати в міді на змінному струмі, тому високочастотні дроселі на великий струм переходять на літцендрат (багато тонких жил, що ділять між собою струм) або фольгову обмотку, щоб знизити втрати. Провід із потрійною ізоляцією позиціонований прямо протилежно: це порівняно тонкий однодротовий емальований провід із товстою тришаровою ізоляцією, цінність якого в тому, що одним проводом досягають посиленої ізоляції (Reinforced) і обходяться без шляху спливу, завдяки чому малі трансформатори низької та середньої потужності стають компактнішими. Покласти такий тонкий однодротовий провід із товстою ізоляцією на обмотку великого струму дроселя головного силового каскаду не виходить ні за струмовим навантаженням, ні за високочастотними втратами в міді — і цього не виправить ні бренд, ні лист погодження.

Навіть якщо інвертор використовує ізольовану топологію і справді має головний розділовий трансформатор, це потужний силовий трансформатор з обмотками великого перерізу, і це так само не місце для однодротового TIW. Тож чесна відповідь на запитання «чи потрібен провід із потрійною ізоляцією в головному силовому каскаді сонячного / ESS-інвертора» — ні. Це узгоджується з позицією статті «Джерела живлення для дата-центрів / AI-серверів» із цієї серії: головний силовий каскад — територія провідників великого перерізу (літцендрат / фольга / планарні), а TIW розташований в іншому каскаді.

3. Місце проводу з потрійною ізоляцією: трансформатор зворотноходового перетворювача в допоміжному джерелі живлення / джерелі зміщення

Крім головного силового каскаду, кожен інвертор має «господарське» джерело живлення. Прикладна нотатка TI визначає його чітко: допоміжне джерело живлення «призначене для живлення пристроїв керування, сигнального тракту, вимірювання та драйверів затворів» і «зазвичай має вигляд ізольованого контролера зворотноходового перетворювача, який перетворює напругу DC-шини або мережі змінного струму (або обох)» на форму, потрібну для роботи внутрішніх компонентів; без нього електроніка всього пристрою знеструмлена і вся система не працює. Документ також зазначає, що такі пристрої, як драйвери затворів, «потребують правильної напруги зміщення, щоб правильно керувати силовими ключами».

Дві характеристики цього допоміжного джерела визначають місце TIW: мала потужність, але з безпечною розв'язкою між первинним і вторинним колами. Наскільки мала? Референсна конструкція допоміжного джерела, на яку посилається той самий документ TI, має вхід 350 V – 1500 V і вихід лише близько 150 W — порівняно з головним силовим каскадом від кількох кіловат до кількох сотень кіловат це тонка скибка. І використовує вона саме малий намотаний розділовий трансформатор (зворотноходовий): досягти на такому малому трансформаторі посиленої ізоляції одним обмотувальним проводом — це якраз звичайний галузевий спосіб застосування проводу з потрійною ізоляцією; і сторонні конструкторські матеріали щодо трансформаторів зворотноходових перетворювачів, і дослідження допоміжних джерел PV-інверторів зазначають, що TIW застосовують на вторинній обмотці трансформатора зворотноходового перетворювача там, де потрібна посилена розв'язка між первинним і вторинним колами. Саме цьому рівню застосування реально відповідають чотири типи проводу з потрійною ізоляцією DAH JIN (TLW-B, TLW-BB, TLW-B7S, TLW-F).

Для цього каскаду першоджерелом, яке може надати DAH JIN, є фіксований набір умов сертифікації, а не твердження «вже застосовано в певному інверторі»: усі чотири типи внесені до обсягу оцінювання IEC 62368-1 Annex J за VDE 40008834 Anlage 200; конкретні значення — робоча напруга, пікова напруга, частота випробування — згідно з листом погодження та сертифікатом VDE; діаметр проводу 0.10–1.00 mm (TLW-B7S — скручений провідник із 7 жил, жили 0.10–0.30 mm); клас нагрівостійкості 130(B), TLW-F — Class F (155 °C). Підхід на боці розробника: взяти фактичну робочу точку власного трансформатора зворотноходового перетворювача допоміжного джерела / джерела зміщення і зіставити її з умовами Annex J, наведеними в листі погодження — у межах умов провід можна обирати, якщо хоч один пункт виходить за межі, потрібне окреме оцінювання. Стаття не перераховує робочу точку трансформатора з напруги PV-стрінга чи DC-шини й не стверджує, що провід із потрійною ізоляцією DAH JIN застосовано в якомусь конкретному інверторі. Про межу між класом нагрівостійкості проводу та класом нагрівостійкості системи ізоляції див. Клас нагрівостійкості проводу та клас нагрівостійкості системи ізоляції.

4. Система норм безпеки: як IEC 62109 розглядає розв'язку

Безпека готового інвертора регулюється IEC 62109. Частина 1 (загальні вимоги) встановлює для PV-обладнання перетворення енергії захист від ураження електричним струмом, енергетичних, пожежних, механічних та інших небезпек, включно із системами ізоляції (основна / додаткова / посилена) та шляхами спливу і повітряними проміжками для відповідного рівня напруги та ступеня забруднення, і застосовується до 1500 V на стороні постійного струму та 1000 V на стороні змінного; частина 2 (особливі вимоги до інверторів) прямо охоплює мережеві та автономні інвертори і включає випадок «можуть бути призначені для використання разом з акумуляторами або іншими формами накопичення енергії» — отже, PCS накопичувача підпадає під ту саму систему.

Тут треба розрізняти два рівні (лише в загальних рисах; подробиці — за текстом стандарту): IEC 62109 — це норма безпеки готового інвертора, яка визначає, якого рівня розв'язка потрібна пристрою і на якому бар'єрі вона лежить; лист погодження TIW — це оцінювання ізоляції на рівні матеріалу (проводу), виконане за системою UL 2353 / IEC 62368-1 Annex J (ІКТ / аудіо-відео) та IEC 60601-1 (медицина, згідно з листом погодження). Це не один рівень, і вони не замінюють один одного. Правильний підхід розробника: готовий виріб проходить IEC 62109, а коли певний трансформатор зворотноходового перетворювача допоміжного джерела / джерела зміщення має досягти посиленої ізоляції в обмотці, обирають провід із потрійною ізоляцією, умови листа погодження якого охоплюють цю робочу точку, — як один із засобів досягнення посиленої ізоляції. Який рівень розв'язки потрібен і які витримувана напруга та відстані йому відповідають, визначає класифікація готового виробу за IEC 62109, а не зворотний висновок із каталогу проводів. Відповідні значення DAH JIN — згідно з листом погодження, у статті вони не повторюються.

5. Інженерні критерії: спочатку визначити каскад, потім говорити про провід

Односторінковий висновок для інженерів із джерел живлення / магнітних компонентів у порядку «спочатку віднести компонент до каскаду, потім вирішувати щодо TIW»:

1. Головне силове коло (підвищувальний дросель, дроселі мережевого LCL-фільтра та, якщо є, головний розділовий трансформатор): провідники великого перерізу — на високій частоті та великому струмі літцендрат або фольгова обмотка для зниження втрат у міді; безтрансформаторні моделі не мають навіть головного розділового трансформатора. Цей каскад — не категорія однодротового проводу з потрійною ізоляцією; думати тут про TIW не потрібно й не варто.
2. Малий розділовий трансформатор (зворотноходовий) допоміжного джерела живлення / джерела зміщення: ось це намотаний розділовий трансформатор і місце проводу з потрійною ізоляцією. Щоб обрати TIW, візьміть фактичну робочу напругу, пікову напругу та частоту випробування цього трансформатора і зіставте їх з умовами сертифікації Annex J, наведеними в листі погодження (діаметр проводу в межах 0.10–1.00 mm, жили TLW-B7S — у межах 0.10–0.30 mm) — у межах умов провід можна обирати, якщо хоч один пункт виходить за межі, потрібне окреме оцінювання.
3. Не перераховувати, не екстраполювати: не перераховуйте робочу точку трансформатора з напруги PV-стрінга чи DC-шини; для медичних застосувань Annex L (2 MOOP / 2 MOPP) має окремий набір умов, прив'язаний лише до TLW-BB і TLW-B7S, значення — так само згідно з листом погодження. Перше розгалуження вибору (B 130 °C vs F 155 °C) див. у посібнику з вибору проводу з потрійною ізоляцією.