CN103973118A - 适用于低压光伏发电系统的高效隔离变流器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适用于低压光伏发电系统的高效隔离变流器，包括输入源、输入电容、三个电感、六个功率开关管、箝位电容、变压器、四个二极管、三个输出电容和负载，变压器包括原边绕组和三个副边绕组。此结构通过功率开关管及电感构建升压电路，在工作时，利用功率开关管和电感分别在变流器的变压器原边和副边形成升压电路，且利用变压器多绕组提升升压能力，利用副边的输出电容和二极管进一步形成具有升压能力的电路结构，从而整体达到非常高的电压增益，具有电压增益高、输入输出电流纹波小、软开关、高效率的特性。本发明还公开一种前述适用于低压光伏发电系统的高效隔离变流器的控制方法。

Description

适用于低压光伏发电系统的高效隔离变流器及其控制方法

技术领域

本发明属于光伏发电系统中的功率变流器技术领域，特别涉及一种适用于低压光伏发电系统的高升压高效隔离变流器及其控制方法。

背景技术

光伏并网发电已经成为太阳能发电应用的主要形式，也是解决能源危机、环境污染等问题，实现清洁能源利用的主要途径之一。

太阳能光伏电池的连接方式包括串联和并联两种方式。因为单个光伏电池的输出电压很低，典型值为20V～60V，低压并联光伏发电系统能够保证光伏侧的低电压，不存在高压直流引起的安全性、可靠性、电弧等问题，且能够使得各光伏电池之间的电流相互解耦，最大程度提高整个光伏发电系统的效率和可靠性。但是，为了实现光伏并网发电，必须要能够给并网逆变器提供足够高的直流母线电压，例如，单相光伏并网逆变器的直流母线电压一般为400V，而三相光伏并网逆变器的直流母线电压则达到800V以上。因此，对于低压光伏并网发电系统而言，其中需要解决的一个关键技术问题是如何构建高效率的隔离型升压直流变流器，将较低的光伏电压高效率地提升到并网逆变器所需的很高的直流母线电压。

常规的隔离直流变流器通常依靠调节变压器的变比来实现高升压的目的，但是变压器变比的增加会极大地增加变压器的漏感，增加功率器件特别是变压器副边整流侧功率器件的电压应力，从而降低变流器的效率。常规的隔离升压直流变流器通常在变压器的原边形成升压电路，能够在一定程度上减小所需的变压器变比，并且降低变压器副边整流侧功率器件的电压应力。但是，仅通过原边侧电路升压的方式，一方面升压能力有限，另一方面还会极大地增加原边侧开关器件的电压应力，也不利于变流器效率的提高。近年来，相继提出了一些软开关电路，虽然能够在一定程度上改善功率器件的开关特性，改善效率，但所附加的辅助器件数量较多、电路较复杂，而且其本身并没有能够提升变流器自身的升压能力，有待改进。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种适用于低压光伏发电系统的高效隔离变流器及其控制方法，其具有电压增益高、输入输出电流纹波小、软开关、高效率的特性。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种适用于低压光伏发电系统的高升压高效隔离变流器，包括输入源、输入电容、第一至第三电感、第一至第六功率开关管、箝位电容、变压器、第一至第四二极管、第一至第三输出电容和负载，其中，变压器包括原边绕组和第一至第三副边绕组；所述输入源的正极分别连接输入电容的一端、第一电感的一端和第二电感的一端，输入源的负极分别连接输入电容的另一端、箝位电容的一端、第二功率开关管的源极和第四功率开关管的源极，箝位电容的另一端分别连接第一功率开关管的漏极和第三功率开关管的漏极，而第一功率开关管的源极分别连接第一电感的另一端、第二功率开关管的漏极和变压器原边绕组的同名端，第三功率开关管的源极分别连接第二电感的另一端、第四功率开关管的漏极和变压器原边绕组的异名端；所述变压器的第一副边绕组的同名端连接第三电感的一端，而第三电感的另一端分别连接第二副边绕组的异名端、第五功率开关管的漏极和第一二极管的阳极，第二副边绕组的同名端则连接第二输出电容的一端，第二输出电容的另一端分别连接第三二极管的阳极和第二二极管的阴极，第三二极管的阴极分别连接第四二极管的阴极、第一输出电容的一端和负载的一端，第一输出电容的另一端分别连接负载的另一端、第五功率开关管的源极和第六功率开关管的源极，而第六功率开关管的漏极分别连接第一副边绕组的异名端、第二二极管的阳极和第三副边绕组的同名端，而第三副边绕组的异名端连接第三输出电容的一端，该第三输出电容的另一端分别连接第一二极管的阴极和第四二极管的阳极。

上述所有功率开关管采用具有内在体二极管或反并联二极管的功率器件。

上述所有功率开关管均采用MOSFET或IGBT。

一种如前所述的适用于低压光伏发电系统的高效隔离变流器的控制方法，第一至第六功率开关管的开关频率都相等，且所有功率开关管的占空比均为0.5，第一功率开关管和第四功率开关管始终同时导通同时关断，第二功率开关管和第三功率开关管始终同时导通同时关断，且第一功率开关管和第三功率开关管互补导通，第五功率开关管和第六功率开关管始终互补导通，通过调整第一功率开关管和第六功率开关管驱动信号之间的移相角来调整所述适用于低压光伏发电系统的高效隔离变流器的输出电压和功率。

采用上述方案后，本发明通过功率开关管及电感构建升压电路，在工作时，利用功率开关管和电感分别在变流器的变压器原边和副边形成升压电路，且利用变压器多绕组提升升压能力，利用副边的输出电容和二极管进一步形成具有升压能力的电路结构，从而整体达到非常高的电压增益，具有如下技术效果：

(1)变流器的原边电路和副边电路具有多重升压能力，能够实现非常高的电压增益；

(2)所有功率开关管能够在全负载范围内实现软开关，变换效率高；

(3)所有功率开关管能够实现电压自动箝位，器件应力低。

附图说明

图1是本发明隔离变流器的电路原理图；

图2是本发明隔离变流器的主要工作波形图；

图3至图7是本发明隔离变流器在各开关模态的等效电路图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明提供一种适用于低压光伏发电系统的高升压高效隔离变流器，包括输入源U_in、输入电容C_in、第一电感L_f1、第二电感L_f2、第三电感L_f3、第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、第三功率开关管S₃、第四功率开关管S₄、第五功率开关管S₅、第六功率开关管S₆、箝位电容C_a、变压器T、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄、第一输出电容C_o1、第二输出电容C_o2、第三输出电容C_o3和负载R_o，其中，变压器T包括原边绕组W_P、第一副边绕组W_S1、第二副边绕组W_S2和第三副边绕组W_S3；具体的连接关系是：输入源U_in的正极分别连接输入电容C_in的一端、第一电感L_f1的一端和第二电感L_f2的一端，输入源U_in的负极分别连接输入电容C_in的另一端、箝位电容C_a的一端、第二功率开关管S₂的源极和第四功率开关管S₄的源极，箝位电容C_a的另一端分别连接第一功率开关管S₁的漏极和第三功率开关管S₃的漏极，而第一功率开关管S₁的源极分别连接第一电感L_f1的另一端、第二功率开关管S₂的漏极和变压器T的原边绕组W_P的同名端，第三功率开关管S₃的源极分别连接第二电感L_f2的另一端、第四功率开关管S₄的漏极和变压器T的原边绕组W_P的异名端；所述变压器T的第一副边绕组W_S1的同名端连接第三电感L_f3的一端，而第三电感L_f3的另一端分别连接第二副边绕组W_S2的异名端、第五功率开关管S₅的漏极和第一二极管D₁的阳极，第二副边绕组W_S2的同名端则连接第二输出电容C_o2的一端，第二输出电容C_o2的另一端分别连接第三二极管D₃的阳极和第二二极管D₂的阴极，第三二极管D₃的阴极分别连接第四二极管D₄的阴极、第一输出电容C_o1的一端和负载R_o的一端，第一输出电容C_o1的另一端分别连接负载R_o的另一端、第五功率开关管S₅的源极和第六功率开关管S₆的源极，而第六功率开关管S₆的漏极分别连接第一副边绕组W_S1的异名端、第二二极管D₂的阳极和第三副边绕组W_S3的同名端，而第三副边绕组W_S3的异名端连接第三输出电容C_o3的一端，该第三输出电容C_o3的另一端分别连接第一二极管D₁的阴极和第四二极管D₄的阳极。

在具体实施时，前述所有功率开关管都应选用具有内在体二极管或者反并联二极管的功率器件，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，或IGBT等。

本发明还提供一种适用于低压光伏发电系统的高效隔离变流器的控制方法：所有功率开关管的开关频率都相等，且所有功率开关管的占空比都固定为0.5，第一功率开关管S₁和第四功率开关管S₄始终同时导通同时关断，第二功率开关管S₂和第三功率开关管S₃始终同时导通同时关断，且第一功率开关管S₁和第三功率开关管S₃互补导通，第五功率开关管S₅和第六功率开关管S₆始终互补导通，通过调整第一功率开关管S₁和第六功率开关管S₆驱动信号之间的移相角来调整输出电压和功率。

采用上述实施方法并结合图1可知，本发明的原边电路等效为交错并联Boost变换器，由于所有功率开关管的占空比都固定为0.5，且第一功率开关管S₁和第三功率开关管S₃都始终交错导通，这可以使得第一电感L_f1和第二电感L_f2的电流始终变化方向相反，因此只需要使得两电感的感值相等，就能够完全抵消输入电流纹波，实现总的输入电流为零纹波，这可以极大地减小输入侧的电压电流纹波，减小输入滤波器的体积，且有利于大幅提升光伏电池输出功率的稳定性和发电效率。结合图1还可以发现，本发明的副边电流也具备很高的升压能力，一方面第五功率开关管S₅和第六功率开关管S₆与第三电感L_f3形成了升压电路，另一方面，多个副边绕组的使用也能够大幅提升其升压能力，而第二输出电容C_o2和第三输出电容C_o3也形成了内在的升压单元，因此本发明的特殊结构能够使其实现非常高的电压增益，满足低压光伏发电系统高升压的应用需求。

下面结合图2至图7说明本发明的工作原理。假设所有电感、电容、开关管和二极管都为理想器件，忽略所有电容上的电压纹波。

图2是本发明的主要工作波形图，其中，U_o为输出电压；u_GS1、u_GS2、u_GS3、u_GS4、u_GS5和u_GS6分别为第一、第二、第三、第四、第五和第六功率开关管的驱动信号；u_WP为变压器T原边绕组W_P同名端和异名端之间的电压；i_in为输入电流；i_Lf1、i_Lf2和i_Lf3分别为流过第一、第二和第三电感的电流；t、t₀、t₁、t₂、t₃和t₄为时间。

t₀时刻之前，第二功率开关管S₂、第三功率开关管S₃和第五功率开关管S₅导通，等效电路如图3所示。

t₀时刻，第二功率开关管S₂和第三功率开关管S₃关断，在电感和变压器电流的工作作用下，第一功率开关管S₁和第四功率开关管S₄的体二极管导通，为两个功率开关管的零电压软开关导通提供了条件，由于第三电感L_f3的电流不能突变，变压器副边各器件的导通状态维持不变，等效电路如图4所示。

t₁时刻，第一功率开关管S₁和第四功率开关管S₄零电压导通，由于变压器绕组电压换向，第三电感L_f3的线性减小，直到t₂时刻减小为零，第二二极管D₂和第四二极管D₄零电流关断，该模态等效电路如图5所示。

t₂时刻，第三电感L_f3的电流开始线性增加，第六功率开关管S₆的体二极管导通，为第六功率开关管S₆的零电压软开关导通提供了条件，该模态的等效电路如图6所示。

t₃时刻，第五功率开关管S₅关断，第六功率开关管S₆零电压开通，第一二极管D₁和第三二极管D₃导通，输入源开始向负载传输功率，该模态等效电路如图7所示。

t₄时刻，下半个开关周期开始，工作过程与前述类似，不再重复叙述。

通过上述分析可以知道，本发明中的所有功率开关管、二极管都能够实现软开关，因此能够实现非常高的变换效率，满足低压光伏发电系统对系统效率的要求。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种适用于低压光伏发电系统的高效隔离变流器，其特征在于：，包括输入源、输入电容、第一至第三电感、第一至第六功率开关管、箝位电容、变压器、第一至第四二极管、第一至第三输出电容和负载，其中，变压器包括原边绕组和第一至第三副边绕组；所述输入源的正极分别连接输入电容的一端、第一电感的一端和第二电感的一端，输入源的负极分别连接输入电容的另一端、箝位电容的一端、第二功率开关管的源极和第四功率开关管的源极，箝位电容的另一端分别连接第一功率开关管的漏极和第三功率开关管的漏极，而第一功率开关管的源极分别连接第一电感的另一端、第二功率开关管的漏极和变压器原边绕组的同名端，第三功率开关管的源极分别连接第二电感的另一端、第四功率开关管的漏极和变压器原边绕组的异名端；所述变压器的第一副边绕组的同名端连接第三电感的一端，而第三电感的另一端分别连接第二副边绕组的异名端、第五功率开关管的漏极和第一二极管的阳极，第二副边绕组的同名端则连接第二输出电容的一端，第二输出电容的另一端分别连接第三二极管的阳极和第二二极管的阴极，第三二极管的阴极分别连接第四二极管的阴极、第一输出电容的一端和负载的一端，第一输出电容的另一端分别连接负载的另一端、第五功率开关管的源极和第六功率开关管的源极，而第六功率开关管的漏极分别连接第一副边绕组的异名端、第二二极管的阳极和第三副边绕组的同名端，而第三副边绕组的异名端连接第三输出电容的一端，该第三输出电容的另一端分别连接第一二极管的阴极和第四二极管的阳极。

2.如权利要求1所述的适用于低压光伏发电系统的高效隔离变流器，其特征在于：所述所有功率开关管采用具有内在体二极管或反并联二极管的功率器件。

3.如权利要求2所述的适用于低压光伏发电系统的高效隔离变流器，其特征在于：所述所有功率开关管均采用MOSFET或IGBT。

4.一种如权利要求1至3中任意一项所述的适用于低压光伏发电系统的高效隔离变流器的控制方法，其特征在于：第一至第六功率开关管的开关频率都相等，且所有功率开关管的占空比均为0.5，第一功率开关管和第四功率开关管始终同时导通同时关断，第二功率开关管和第三功率开关管始终同时导通同时关断，且第一功率开关管和第三功率开关管互补导通，第五功率开关管和第六功率开关管始终互补导通，通过调整第一功率开关管和第六功率开关管驱动信号之间的移相角来调整所述适用于低压光伏发电系统的高效隔离变流器的输出电压和功率。