CN104242719A - 无开关损耗型全桥非隔离光伏并网逆变器及开关控制时序 - Google Patents

无开关损耗型全桥非隔离光伏并网逆变器及开关控制时序 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无开关损耗型非隔离光伏并网逆变器及开关控制时序，其中，逆变器包括分压电容支路、高频主开关单元、谐振网络和低频换向开关单元。通过加入两组由全控开关、谐振电容和谐振电感组成的谐振网络以及辅助续流箝位二极管构成零电流转换支路，配合上述开关控制时序，可以实现第五功率开关管S5和第六功率开关管S6的零电流开通和零电流关断条件、实现第五辅助开关管Sa5和第六辅助开关管Sa6的零电流开通和零电流关断条件，以及消除低频换向开关单元二极管D1~D4的反向恢复等问题，并保证逆变器在功率传输、谐振阶段和续流阶段时共模电压恒处于二分之一的电池电压来消除漏电流，从而可以实现非隔离并网逆变器的高频化、小型化。

Description

无开关损耗型全桥非隔离光伏并网逆变器及开关控制时序
技术领域
本发明涉及高效并网逆变器拓扑技术领域，尤其是一种无开关损耗型全桥非隔离光伏并网逆变器。 
背景技术
非隔离型光伏并网逆变器电路结构简单、变换效率高在业界得到大量应用。如图1所示，现有技术均工作在硬开关方式，仅运行在较低的开关频率(10～20kHz)下才能达到理想的效率，而且还需要比较大的滤波电感和滤波电容，这样既增加了并网逆变器的体积重量，又增加了成本。 
经研究发现：限制非隔离并网逆变器开关频率提升的主要因素是高频开关的开关损耗问题，随着逆变器开关频率的提升，开关损耗大幅增加，导致逆变器效率快速下降和需要更大的散热器，并且电磁环境更加恶劣。 
由此可见，若能降低现有非隔离并网逆变器的开关损耗，实现高频开关的软开关工作，就能大幅提高并网逆变器的工作频率，减小滤波器体积，从而实现了并网逆变器的高频化、小型化。现有技术针对此缺陷提出了非隔离并网逆变器的软开关方案，但是现有技术中存在谐振电容电压不能可靠箝位在固定电压值的问题，使得谐振回路中谐振电感电流峰值可能低于高频主开关管导通电流的情况从而失去零电流关断的机会。 
另外，高频主开关管的开通过程仍为硬开关方式，高频辅助开关管的关断过程也是硬开关，低频换向开关单元的二极管仍然存在反向恢复问题。 
发明内容
发明目的：一个目的是提供一种无开关损耗型全桥非隔离光伏并网逆变器，以解决现有技术的上述问题。进一步的目的是提供一种开关控制时序。 
技术方案：一种无开关损耗型非隔离光伏并网逆变器，包括分压电容支路、高频主开关单元、谐振网络和低频换向开关单元；所述分压电容支路由第一分压电容Cdc1、第二分压电容Cdc2组成；高频主开关单元由第五功率开关管S5和第五功率二极管D5的并联组合，以及第六功率开关管S6和第六功率二极管D6的并联组合构成； 
谐振网络由第五辅助功率开关管S5a和第五辅助功率二极管D5a的并联组合、第五辅助谐振电容C5a、第五辅助谐振电感L5a、第六辅助功率开关管S6a和第六辅助功率二极管D6a的并联组合、第六辅助谐振电容C6a、第六辅助谐振电感L6a和第一辅助续流箝 位功率二极管Da1、第二辅助续流箝位功率二极管Da2串联组合构成； 
低频换向开关单元由第一功率开关管S1和第一功率二极管D1的并联组合、第二功率开关管S2和第二功率二极管D2的并联组合、第三功率开关管S3和第三功率二极管D3的并联组合、第四功率开关管S4和第四功率二极管D4的并联组合组成； 
所述第一功率开关管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、第五辅助功率开关管S5a、第六辅助功率开关管S6a为包括IGBT或MOSFET在内的全控型器件； 
所述第一分压电容Cdc1的正端分别连接太阳能电池正输出端、第五功率开关管S5的集电极和第五辅助功率开关管S5a的漏极、第五功率二极管D5和第五辅助二极开关管D5a的阴极；第一分压电容Cdc1的负端分别连接第二分压电容Cdc2的正端、第一辅助续流箝位功率二极管Da1的阳极和第二辅助续流箝位功率二极管Da2的阴极； 
第二分压电容Cdc2的负端分别连接太阳能电池负输出端、第六功率开关管S6的发射极和第六辅助功率开关管S6a的源极、第六功率二极管D6和第六辅助功率二极管D6a的阳极； 
所述第五功率开关管S5的发射极分别与第五功率二极管D5的阳极、第五辅助谐振电感L5a的第一端、第一功率开关管S1和第三功率开关管S3)的集电极、第一功率二极管D1)和第三功率开关管D3的阴极相连接；第六功率开关管S6的集电极分别与第六功率二极管D6)的阴极、第六辅助谐振电感L6a的第一端、第二功率开关管S2和第四功率开关管S4的发射极、第二功率二极管D2和第四功率二极管D4的阳极相连接； 
所述第五辅助功率开关管S5a的源极分别与第五辅助功率二极管D5a的阳极、第五辅助谐振电容C5a的第一端相连接；第五辅助谐振电容C5a的第二端与第五辅助谐振电感L5a的第二端、第一辅助续流箝位功率二极管Da1的阴极相连接；第六辅助功率开关管S6a的漏极分别与第六辅助功率二极管D6a的阴极、第六辅助谐振电容C6a的第一端相连接；第六辅助谐振电容C6a的第二端与第六辅助谐振电感L6a的第二端、第二辅助续流箝位功率二极管Da2的阳极相连接； 
所述第一功率开关管S1的发射极分别连接第二功率开关管S2的集电极、第一功率二极管D1的阳极和第二功率二极管D2的阴极，以及连接第一进网滤波电感L1的一端； 
所述第三功率开关管S3的发射极分别连接第四功率开关管S4的集电极、第三功率二极管D3的阳极和第四功率二极管D4的阴极，以及连接第二进网滤波电感L2的一端。 
一种基于上述无开关损耗型非隔离光伏并网逆变器的开关控制时序，具体过程如下： 
将第一功率开关管S1和第四功率开关管S4具有相同的驱动时序，在进网电流正半周一直导通，在负半周一直关断； 
将第二功率开关管S2和第三功率开关管S3具有相同的驱动时序，在进网电流负半周一直导通，在正半周一直关断； 
第一功率开关管S1与第二功率开关管S2的驱动信号互补，并加入死区时间； 
第五功率开关管S5和第六功率开关管S6具有相同的驱动时序，并按单极性SPWM方式高频动作，第五辅助开关S5a的导通开始阶段与第五功率开关管S5的导通末尾阶段有交叠区；第六辅助开关S6a的导通开始阶段与第六功率开关管S6的导通末尾阶段有交叠区。 
有益效果：本发明在六开关全桥电路的基础上加入两组由全控开关、谐振电容和谐振电感组成的谐振网络以及辅助续流箝位二极管构成零电流转换支路，配合上述开关控制时序，可以实现第五功率开关管S5和第六功率开关管S6的零电流开通和零电流关断条件、实现第五辅助开关管Sa5和第六辅助开关管Sa6的零电流开通和零电流关断条件、实现第一辅助续流箝位功率二极管Da1和第二辅助续流箝位功率二极管Da2的零电压开通和零电流关断，以及消除低频换向开关单元二极管D1～D4的反向恢复问题，并保证逆变器在功率传输、谐振阶段和续流阶段时共模电压恒处于二分之一的电池电压来消除漏电流。从而可以实现非隔离并网逆变器的高频化、小型化。 
附图说明
图1是现有技术中的一种非隔离光伏并网逆变电路的电路示意图，为硬开关工作方式。 
图2是本发明实施例一提供的主电路示意图，采用IGBT和MOSFET组合的电路图。 
图3是本发明实施例一提供的驱动信号时序。 
图4(a)至图4(j)是本发明实施例一在进网电流正半周时高频开关周期刻度的等效工作模态图，其中，图4(a)为模态1的示意图；图4(b)为模态2的示意图；图4(c)为模态3的示意图；图4(d)为模态4的示意图；图4(e)为模态5的示意图；图4(f)为模态6的示意图；图4(g)为模态7的示意图；图4(h)为模态8的示意图；图4(i)为模态9的示意图；图4(j)为模态10的示意图； 
图5是本发明实施例一中谐振网络工作波形图。 
图6(a)至图6(e)是本发明实施例一中主要功率器件在高频开关周期刻度的工作波形图，其中，图6(a)为主开关S5的工作波形图；图6(b)辅助开关S5a的工作波形图；图6(c)为辅助续流箝位二极管Da1的工作波形图；图6(d)为低频开关S1在进网电流正半周的工作波形图；图6(e)为低频开关S1在进网电流负半周的工作波形图。 
图7是本发明实施例二的主电路示意图。 
图8是本发明实施例三的主电路示意图。 
上述附图的主要符号及标号名称：Cdc1、Cdc2——分压电容；S1～S6、S1a～S6a——功率开关管及驱动信号；D1～D6、D1a～D6a——功率二极管；Da1、Da2——辅助续流箝位功率二极管；Grid,ug——电网电压；Upv——太阳能电池板输出电压；L1、L2——进网滤波电感；C1——进网滤波电容；ig——进网电流 
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明无开关损耗型非隔离光伏并网逆变器相比图1所示的硬开关电路多了几组谐振网络，以帮助实现功率器件开通关断过程的软化，以消除或者减弱硬开关产生的开关损耗和电磁干扰等问题，本发明实施例提供的无开关损耗型全桥非隔离光伏并网逆变器均实现了功率器件的软开关。 
实施例一 
如图2所示，本发明实施例一的主电路的构成方式，由第一分压电容Cdc1和第二分压电容Cdc2组成基本单元1； 
由第五功率开关管S5和第五功率二极管D5并联组合、第六功率开关管S6和第六功率二极管D6并联组合组成基本单元2； 
由第五辅助功率开关管S5a和第五辅助功率二极管D5a并联组合、第五辅助谐振电感L5a、第五辅助谐振电容C5a、第六辅助功率开关管S6a和第六辅助功率二极管D6a并联组合、第六辅助谐振电感L6a、第六辅助谐振电容C6a和第一辅助续流箝位功率二极管Da1、第二辅助续流箝位功率二极管Da2组成基本单元3； 
由第一功率开关管S1和第一功率二极管D1并联组合、第二功率开关管S2和第二功率二极管D2并联组合、第三功率开关管S3和第三功率二极管D3并联组合、第四功率开关管S4和第四功率二极管D4并联组合组成基本单元4。 
图3是本发明实施例一的驱动信号时序，第一功率开关管S1和第四功率开关管S4在进网电流正半周一直开通、在负半周一直关断；第二功率开关管S2和第三功率开关管S3在进网电流正半周一直关断、在负半周一直开通；为了保证可靠换流，在过零阶段所有功率开关管均关断。 
第五功率开关管S5和第六功率开关管S6均按单极性SPWM方式高频动作，第五辅助功率开关管S5a和第六辅助功率开关管S6a均高频开关动作，并保证第五辅助开关S5a的导通开始阶段与第五功率开关管S5的导通末尾阶段有交叠区；第六辅助开关S6a的导通开始阶段与第六功率开关管S6的导通末尾阶段有交叠区。 
图4(a)至图4(j)是本发明实施例一在进网电流正半周时开关周期刻度的等效工作模态图。 
本实施例一的一个具体实例如下：电池板电压Upv＝400V、电网电压Ugrid＝220VRMS、电网频率fgrid＝50Hz、额定功率PN＝1kW；直流母线电容Cdc1＝Cdc2＝470μF；滤波电感L1＝L2＝0.5mH；滤波电容C1＝6μF；电池板对地寄生电容Cpv1＝Cpv2＝0.15μF；开关频率f＝50kHZ、谐振参数Lr＝23μH、Cr＝39.5nF。 
从实施结果可以看出，在图2所示电路结构配合图3所示驱动时序的情况下，可以实现第五功率开关管S5和第六功率开关管S6的零电流开通和零电流关断条件、实现第五辅助开关管Sa5和第六辅助开关管Sa6的零电流开通和零电流关断条件、实现第一辅助续流箝位功率二极管Da1和第二辅助续流箝位功率二极管Da2的零电压开通和零电流关断，以及消除低频换向开关单元二极管D1～D4的反向恢复问题，并保证逆变器在功率传输、谐振阶段和续流阶段时共模电压恒处于二分之一的电池电压。 
实施例二 
如图7所示，本发明实施例二的主电路由直流滤波电容Cdc组成基本单元71； 
由第五功率开关管S5和第五功率二极管D5并联组合、第六功率开关管S6和第六功率二极管D6并联组合组成基本单元72； 
由第五辅助功率开关管S5a和第五辅助功率二极管D5a并联组合、第五辅助谐振电感L5a、第五辅助谐振电容C5a、第六辅助功率开关管S6a和第六辅助功率二极管D6a并联组合、第六辅助谐振电感L6a、第六辅助谐振电容C6a和第一辅助续流功率二极管Da1组成基本单元73； 
由第一功率开关管S1和第一功率二极管D1并联组合、第二功率开关管S2和第二功 率二极管D2并联组合、第三功率开关管S3和第三功率二极管D3并联组合、第四功率开关管S4和第四功率二极管D4并联组合组成基本单元74。 
本发明实施例二的驱动信号时序，第一功率开关管S1和第四功率开关管S4在进网电流正半周一直开通、在负半周一直关断；第二功率开关管S2和第三功率开关管S3在进网电流正半周一直关断、在负半周一直开通；为了保证可靠换流，在过零阶段所有功率开关管均关断。第五功率开关管S5和第六功率开关管S6均按单极性SPWM方式高频动作，第五辅助功率开关管S5a和第六辅助功率开关管S6a均高频开关动作，并保证第五辅助开关S5a的导通开始阶段与第五功率开关管S5的导通末尾阶段有交叠区；第六辅助开关S6a的导通开始阶段与第六功率开关管S6的导通末尾阶段有交叠区。 
在图7所示电路结构配合图3所示驱动时序的情况下，可以实现第五功率开关管S5和第六功率开关管S6的零电流开通和零电流关断条件、实现第五辅助开关管Sa5和第六辅助开关管Sa6的零电流开通和零电流关断条件、实现第一辅助续流箝位功率二极管Da1的零电压开通和零电流关断，以及消除低频换向开关单元二极管D1～D4的反向恢复问题。 
实施例三 
如图8所示，本发明实施例三的主电路的由第一分压电容Cdc1和第二分压电容Cdc2组成基本单元81； 
由第五功率开关管S5和第五功率二极管D5并联组合、第六功率开关管S6和第六功率二极管D6并联组合组成基本单元82； 
由第五辅助功率开关管S5a和第五辅助功率二极管D5a并联组合、第五辅助谐振电感L5a、第五辅助谐振电容C5a、第六辅助功率开关管S6a和第六辅助功率二极管D6a并联组合、第六辅助谐振电感L6a、第六辅助谐振电容C6a和第一辅助续流功率二极管Da1组成基本单元83； 
由第七箝位功率二极管D7和第八箝位功率二极管D8组成基本单元84；由第一功率开关管S1和第一功率二极管D1并联组合、第二功率开关管S2和第二功率二极管D2并联组合、第三功率开关管S3和第三功率二极管D3并联组合、第四功率开关管S4和第四功率二极管D4并联组合组成基本单元85。 
本发明实施例三的驱动信号时序，第一功率开关管S1和第四功率开关管S4在进网电流正半周一直开通、在负半周一直关断；第二功率开关管S2和第三功率开关管S3在 进网电流正半周一直关断、在负半周一直开通；为了保证可靠换流，在过零阶段所有功率开关管均关断。第五功率开关管S5和第六功率开关管S6均按单极性SPWM方式高频动作，第五辅助功率开关管S5a和第六辅助功率开关管S6a均高频开关动作，并保证第五辅助开关S5a的导通开始阶段与第五功率开关管S5的导通末尾阶段有交叠区；第六辅助开关S6a的导通开始阶段与第六功率开关管S6的导通末尾阶段有交叠区。 
在图8所示电路结构配合图3所示驱动时序的情况下，可以实现第五功率开关管S5和第六功率开关管S6的零电流开通和零电流关断条件、实现第五辅助开关管Sa5和第六辅助开关管Sa6的零电流开通和零电流关断条件、实现第一辅助续流箝位功率二极管Da1的零电压开通和零电流关断，以及消除低频换向开关单元二极管D1～D4的反向恢复问题，并保证逆变器在功率传输、谐振阶段和续流阶段时共模电压恒处于二分之一的电池电压。 
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。 
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。 
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。 

Claims (3)

1.一种无开关损耗型非隔离光伏并网逆变器，其特征在于：包括分压电容支路（1）、高频主开关单元（2）、谐振网络（3）和低频换向开关单元（4）。
2.如权利要求1所述的无开关损耗型非隔离光伏并网逆变器，其特征在于：所述分压电容支路（1）由第一分压电容(Cdc1)、第二分压电容(Cdc2)组成；
高频主开关单元（2）由第五功率开关管(S5)和第五功率二极管(D5)的并联组合，以及第六功率开关管(S6)和第六功率二极管(D6)的并联组合构成；
谐振网络（3）由第五辅助功率开关管(S5a)和第五辅助功率二极管(D5a)的并联组合、第五辅助谐振电容(C 5a)、第五辅助谐振电感(L 5a)、第六辅助功率开关管(S6a)和第六辅助功率二极管(D6a)的并联组合、第六辅助谐振电容(C 6a)、第六辅助谐振电感(L 6a)和第一辅助续流箝位功率二极管(Da1)、第二辅助续流箝位功率二极管(Da2)串联组合构成；
低频换向开关单元（4）由第一功率开关管(S1)和第一功率二极管(D1)的并联组合、第二功率开关管(S2)和第二功率二极管(D2)的并联组合、第三功率开关管(S3)和第三功率二极管(D3)的并联组合、第四功率开关管(S4)和第四功率二极管(D4)的并联组合组成；
所述第一功率开关管(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)、第五辅助功率开关管(S5a)、第六辅助功率开关管(S6a)为包括IGBT或MOSFET在内的全控型器件；
所述第一分压电容(Cdc1)的正端分别连接太阳能电池正输出端、第五功率开关管(S5)的集电极和第五辅助功率开关管(S5a)的漏极、第五功率二极管(D5)和第五辅助二极开关管(D5a)的阴极；第一分压电容(Cdc1)的负端分别连接第二分压电容(Cdc2)的正端、第一辅助续流箝位功率二极管(Da1)的阳极和第二辅助续流箝位功率二极管(Da2)的阴极；
第二分压电容(Cdc2)的负端分别连接太阳能电池负输出端、第六功率开关管(S6)的发射极和第六辅助功率开关管(S6a)的源极、第六功率二极管(D6)和第六辅助功率二极管(D6a)的阳极；
所述第五功率开关管(S5)的发射极分别与第五功率二极管(D5)的阳极、第五辅助谐振电感(L 5a)的第一端、第一功率开关管(S1)和第三功率开关管(S3)的集电极、第一功率二极管(D1)和第三功率开关管(D3)的阴极相连接；第六功率开关管(S6)的集电极分别与第六功率二极管(D6)的阴极、第六辅助谐振电感(L 6a)的第一端、第二功率开关管(S2)和第四功率开关管(S4)的发射极、第二功率二极管(D2)和第四功率二极管(D4)的阳极相连接；
所述第五辅助功率开关管(S5a)的源极分别与第五辅助功率二极管(D5a)的阳极、第五辅助谐振电容(C 5a)的第一端相连接；第五辅助谐振电容(C 5a)的第二端与第五辅助谐振电感(L 5a)的第二端、第一辅助续流箝位功率二极管(Da1)的阴极相连接；第六辅助功率开关管(S6a)的漏极分别与第六辅助功率二极管(D6a)的阴极、第六辅助谐振电容(C 6a)的第一端相连接；第六辅助谐振电容(C 6a)的第二端与第六辅助谐振电感(L 6a)的第二端、第二辅助续流箝位功率二极管(Da2)的阳极相连接；
所述第一功率开关管(S1)的发射极分别连接第二功率开关管(S2)的集电极、第一功率二极管(D1)的阳极和第二功率二极管(D2)的阴极，以及连接第一进网滤波电感(L 1)的一端；
所述第三功率开关管(S3)的发射极分别连接第四功率开关管(S4)的集电极、第三功率二极管(D3)的阳极和第四功率二极管(D4)的阴极，以及连接第二进网滤波电感(L 2)的一端。
3.一种基于权利要求2所述无开关损耗型非隔离光伏并网逆变器的开关控制时序，其特征在于：具体过程如下：
在正半周，将第一功率开关管(S1)和第四功率开关管(S4)一直开通；在负半周，将第一功率开关管(S1)和第四功率开关管(S4)一直关断；
在正半周，将第二功率开关管(S2)和第三功率开关管(S3)一直关断；在负半周，将第二功率开关管(S2)和第三功率开关管(S3)一直导通；
第一功率开关管(S1)与第二功率开关管(S2)的驱动信号互补，并加入死区时间；
第五功率开关管(S5)和第六功率开关管(S6)具有相同的驱动时序，并按单极性SPWM方式高频动作，第五辅助开关(S5a)的导通开始阶段与第五功率开关管(S5)的导通末尾阶段有交叠区；第六辅助开关(S6a)的导通开始阶段与第六功率开关管(S6)的导通末尾阶段有交叠区。
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