Mikrocontroller für Wechselrichter
Hilfe bei der µC-Wahl für PV-Inverter
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Mikrocontroller im Vergleich
Aus der 32-Bit-»RX Extreme«-Motorsteuerfamilie in 90-nm-Technologie stammt der Mikrocontroller »RX62T« von Renesas (Bild 2). Die hauseigene »MONOS«-Flashtechnik des Herstellers erlaubt eine Codeausführung bei Taktfrequenzen bis 100 MHz ohne Waitstates, was beim RX zu einer maximalen Rechenleistung von 165 DMIPS führt. Ein Teil des ROM ist zudem als Datenflash mit bis zu 30000 Löschzyklen spezifiziert, dadurch lässt sich ein externes EEPROM einsparen.
Der neu entwickelte CPU-Core ist sehr codeeffektiv und erreicht eine Rechenleistung von 1,65 DMIPS/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 Barrel-shifter zur Verfügung. Mit diesen mathematischen Fähigkeiten eignet sich der Baustein besonders für die rechenintensiven Algorithmen in Solarinvertern. Auch die umfangreichen Peripheriefunktionen des RX62T bringen in Inverteranwendungen Vorteile, so zum Beispiel die analoge Eingangsstufe mit zwei unabhängigen A/D-Wandlern mit je 12 Bit Auflösung und einer kürzesten Wandlungszeit von 1 µs.
Jeder der sechs Analogeingänge ist mit einem Operationsverstärker mit programmierbarer Verstärkung (PGA) und einem eigenen Abtast-/Halteglied versehen.
Für schnelles Abschalten der PWM-Signale sind die Ausgänge der PGAs zusätzlich auf sechs Fensterkomparatoren gelegt, so dass Schutzfunktionen auch ohne Softwareeinfluss und deren Latenzzeit aktiv sind. Da der Mikrocontroller viele Analogkomponenten bereits integriert hat, reduziert sich der Bedarf an externen Bauteilen für die Signalaufbereitung im Solarinverter erheblich.
Für die Ansteuerung der Leistungshalbleiter stehen mit dem »MTU3« (Motor Timer Unit) und dem »GPT« (General Purpose Timer) zwei passende Timereinheiten zur Verfügung, die der SH-Baureihe entstammen und ebenfalls mit Eingangstaktfrequenzen bis 100 MHz arbeiten. Der auf dem Markt sehr erfolgreiche Mikrocontroller »STM32« von STMicroelectronics vereint den populären ARM-Rechenkern Cortex-M3 mit einer umfangreichen Peripherie und bietet zudem ein gutes Preis/Leistungs-Verhältnis.
Mit einem Referenzdesign eines 3-kW-Gerätes hat STMicroelectronics die Tauglichkeit des Controllers für Solarinverter bereits dokumentiert.
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In diesem Referenzdesign rechnet ein STM32 sämtliche Algorithmen und erzeugt alle Steuersignale sowohl für »Zero Voltage Transition«-Gegentaktflusswandler (ZVT) mit phasenversatzmodulierter Synchrongleichrichtung als auch für den Netzwechselrichter. Bei Microchips »dsPIC33« handelt es sich um einen 16-Bit-Digital-Signal-Controller, also einen Con-troller mit DSP-Fähigkeiten oder um einen DSP mit den Eigenschaften eines Mikrocontrollers.
Für Invertersteuerungen hat Microchip eine eigene Unterfamilie auf den Markt gebracht, die mit entsprechenden Timern und mehreren schnellen ADCs ausgestattet ist. Für Festkommaarithmetik stehen Multiplizier- und Divisionsbefehle zur Verfügung. Selbstverständlich beherrscht ein dsPIC auch das Multiplizieren und Akkumulieren in einem Zyklus.
Für Schaltnetzteilanwendungen, wie beispielsweise den DC/DC-Wandler oder den Netzwechselrichter in einem Solarinverter, eignet sich besonders der »dsPIC33FJxxGS« (Bild 3), denn er verfügt über ein Power-Supply-PWM-Modul, das sich mit Frequenzen bis zu 120 MHz takten lässt. Das Modul bietet bis zu neun Kanäle und kann Voll- oder Halbbrücken ansteuern, wie sie zum Beispiel auch für Phase-Shifted-PWMs mit ZVT benötigt werden.
Microchip bietet einige Referenzdesigns rund um die GS-Familie, aus denen man Module für einen Solarinverter entnehmen kann. So steht für den einphasigen Netzwechselrichter das »Digital Pure Sine Wave UPS«-Referenzdesign zur Verfügung, während sich das »Digital Power AC/DC«-Referenzdesign vor allem für Hoch- und Tiefsetzsteller sowie ZVT-Gegentaktflusswandler mit phasenversatzmodulierter Synchrongleichrichtung eignet.
Infineon geht mit seinen 8-Bit-Mikrocontrollern der Baureihe »XC800« einen originellen anderen Weg: Ein einfacher CPU-Kern (8051) ist umgeben von mächtigen Peripherieeinheiten, die ihn entlasten. So übernimmt beispielsweise im speziell für Inverterapplikationen entwickelten »XC878« (Bild 4) die »CORDIC«-Einheit (Coordinate Rotation Digital Computer) die für die Koordinatentransformation nach Park wichtigen trigonometrischen Funktionen.
Parallel dazu enthält der Controller auch noch eine Multiplikations- und Divisionseinheit (MDU). Zusammen mit der »CAPCOM6«-Timerstruktur zur PWM-Erzeugung ergibt sich eine leistungsfähige Kombination, bei der die CPU die Peripheriegeräte mit Daten beschickt und ein paar Takte später die Ergebnisse abholt.
Alle vorgestellten Mikrocontroller empfehlen sich für den Einsatz in Solarwechselrichtern hinsichtlich Integration, Rechenleistung und Preis/Leistungs-Verhältnis.
Der RX62T ist der neueste Baustein mit der höchsten Integration an Analogkomponenten, STM32 bietet die größte Gehäuse- und Speicherbandbreite, der dsPIC ist prädestiniert für schnelle 16-Bit-Arithmetik und der XC878 profitiert von der Kompetenz in Sachen Ansteuerung von Leistungselektronik, die Infineon in die Peripherals einfließen ließ.
Über den Autor:
Ralf Hickl arbeitet im Mikrocontroller-Support bei Rutronik
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