Fotovoltaik Mikrocontroller für Solarwechselrichter

Der wachstumsverwöhnte Fotovoltaik-Markt glänzte bisher mit hohen zweistelligen Steigerungsraten. Doch der internationale Wettbewerb wird härter. Der Druck zwingt die Hersteller zu Innovationen und Preisanpassungen bei den Systemkomponenten. Eine der Schlüsselkomponenten in Solarwechselrichtern ist der Mikrocontroller.

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Die Funktionsblöcke eines typischen Solarinverters mit einem Fotovoltaik-Modul-String zeigt Bild 1. Nach einem DC/DC-Wandler mit Maximum Power Point Tracking (MPPT) folgt ein DC/AC-Netzwechselrichter. Der Inverter ist je nach Netzanschlussleistung einphasig mit H-Brücke oder 3-phasig mit 6-Puls-Brücke ausgelegt. Relativ neu sind Mikroinverter, also kleine Solarinverter, die direkt an jedem Modul montiert sind. Die Mikroinverter sind wegen der zu erwartenden Stückzahlen besonders preissensibel. Auch die Baugröße spielt eine wichtigere Rolle als bei konventionellen String-Solarwechselrichtern.

Der Mikrocontroller muss folgende Funktionen bereitstellen:

• Messung und Analog/Digital-Umsetzung von Zustandsgrößen wie Temperaturen, Strömen und Spannungen

• Maximum Power Point Tracking (MPPT): die MCU multipliziert Strom und Spannung zur elektrischen Leistung

• Schutzfunktionen bei Fehlern wie Übertemperatur, Überstrom etc. Hier sind schnelle Abschaltmechanismen gefordert, die das Gerät und den Betreiber schützen.

• Phasengenaue Netzsynchronisierung, wozu der momentane Netzwinkel ermittelt werden muss.

• Je nach mathematischem Modell diverse Regelkreise. Dabei laufen ähnliche Berechnungen ab, wie sie auch für die feldorientierte Regelung von AC-Antrieben verwendet werden, z.B. trigonometrische Rechenoperationen, mit denen Spannungs- und Stromzeiger in verschiedene teilweise rotierende Koordinatensysteme hin- und rücktransformiert werden.

• Erzeugung der Ansteuersignale für die Leistungshalbleiter so, dass der Wirkungsgrad möglichst hoch ist und wenig Oberwellen erzeugt werden. Hierfür sind entsprechende PWM-Timer oder Zweipunktregler mit Hysterese erforderlich

• Bedienschnittstellen und Kommunikation. Bei Mikroinvertern bieten sich als Physical Layer besonders die Leistungskabel an, also Powerline Communication (PLC).

Die Anforderungen sind ganz ähnlich denen für die Ansteuerung von elektrischen Antrieben. Der Motor, den der Solarinverter antreibt, ist der Synchrongenerator im Energieversorgungsunternehmen. Derzeit bieten alle großen Hersteller MCUs an, die sich für den Einsatz in Invertern eignen. Da sie auf verschiedenen Technologien basieren, weisen sie unterschiedliche Stärken und Schwächen auf.

Aktuelle MCUs im Vergleich

Der RX62T von Renesas entstammt der Motorsteuerungs-Reihe der 32-Bit RX Renesas Extreme MCUs, die in 90-nm-Technologie gefertigt wird. Eine Kernkompetenz von Renesas ist das eigene MONOS-Flash, das eine Codeausführung bei Taktfrequenzen bis 100 MHz ohne Waitstates erlaubt, was beim RX zu einer maximalen Rechenperformance von 165 DMIPS führt. Ein Teil des ROMs ist zudem als Datenflash spezifiziert mit bis zu 30.000 Löschzyklen. Damit lässt sich ein externes EEPROM einsparen.

Der neu entwickelte CPU-Core ist codeeffizient und erreicht eine Rechenleistung von 1,65DMIPS/MHz. Die integrierte Fließkommaeinheit (FPU) bietet einfache Genauigkeit gemäß IEEE-754. Für 32-Bit-Integerarithmetik für die digitale Signalverarbeitung stehen außerdem zwei MAC-Befehle und ein Barrelshifter zur Verfügung. Mit diesen mathematischen Fähigkeiten eignet sich der Baustein für die rechenintensiven Algorithmen, wie sie in Solarinvertern abgearbeitet werden.

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