CN104270015A - 一种八开关非隔离全桥光伏并网逆变器及其工作方法 - Google Patents

一种八开关非隔离全桥光伏并网逆变器及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种八开关非隔离全桥光伏并网逆变器及其工作方法，谐振电容 C 5a并联在主开关管 S 5的源极和漏极两端，谐振电容 C 6a并联在主开关管 S 6的源极和漏极两端，辅助开关管 S 5a源极和谐振电感 L 5a串联后并联在开关管 S 5两端，辅助开关管 S 6a漏极和谐振电感 L 6a串联连接后并联在开关管 S 6两端，在辅助开关管 S 5a源极和辅助开关管 S 6a漏极之间依次串联三个方向一致的二极管 D 5b、 D a、 D 6b，缓冲电容 C 5并联在谐振电感 L 5a和二极管 D 5b两端，缓冲电容 C 6并联在谐振电感 L 6a和二极管 D 6b两端；对高频功率器件加入辅助电路，实现了软开通、软关断，同时消除续流二极管的反向恢复问题，在不产生共模漏电流的情况下尽可能提高了并网逆变器的效率。

Description

一种八开关非隔离全桥光伏并网逆变器及其工作方法
技术领域
本发明属于电力电子功率变换器技术领域。具体涉及一种非隔离型光伏并网逆变器。 
背景技术
漏电流和效率是非隔离型光伏并网逆变器两个关键指标。目前已有一系列的低漏电流非隔离型光伏并网逆变器拓扑被提出，部分已得到广泛应用，如带交流旁路的全桥拓扑、H5拓扑、带直流旁路的全桥拓扑、二极管箝位三电平拓扑、有源箝位三电平拓扑等等。相比隔离型结构，非隔离型结构有效率优势，但到目前为止，非隔离型并网逆变器的部分功率开关管仍旧工作在硬开关状态。以六开关管结构的带直流旁路拓扑为例，如图1所示，输入均压电容C 1和C 2串联连接后并联在光伏阵列PV两端；输入均压电容C 1的正端接主开关管S 5的漏极，输入均压电容C 2的负端接主开关管S 6的源极，箝位二极管D 7和D 8串联连接，箝位二极管D 7的阴极接主开关管S 5的源极，箝位二极管D 8的阳极接主开关管S 6的漏极，箝位二极管D 7、D 8的中点与输入均压电容C 1、C 2的中点相连。箝位二极管D 7和D 8之后并联由主开关管S 1-S 4构成的全桥逆变电路，全桥逆变电路的两桥臂中点之间并联由滤波电感L 1、L 2和滤波电容C构成的进网滤波器，进网滤波器接入电网v g。该拓扑工作时直流侧两个主开关管S 5、S 6高频开通，且工作在硬开关状态，因此会产生较大的开关损耗。开关损耗的存在限制了变换器开关频率的提高，从而限制了变换器的小型化和轻量化。同时，开关管工作在硬开关时还会产生高的电流、电压变化率，从而产生很大的电磁干扰。因此，对现有的非隔离型光伏并网逆变器，要求其能在不产生共模漏电流的情况下，尽可能地提高并网逆变器的效率。
发明内容
针对现有的非隔离型光伏并网逆变器存在的问题，本发明提出一种八开关非隔离全桥光伏并网逆变器及其工作方法，保持低漏电流的特性，在不产生共模漏电流的情况下，提高并网逆变器的效率。 
本发明八开关非隔离全桥光伏并网逆变器采用的技术方案是：包括两个输入均压电容C 1、C 2和一个由主开关管S 1、S 2、S 3、S 4构成的全桥逆变电路，输入均压电容C 1、C 2串联连接后并联在光伏阵列两端，输入均压电容C 1的正端接主开关管S 5和辅助开关管S5a的漏极，输入均压电容C 2的负端接主开关管S 6和辅助开关管S 6a的源极，谐振电容C 5a并联在主开关管S 5的源极和漏极两端，谐振电容C 6a并联在主开关管S 6的源极和漏极两端，辅助开关管S 5a的源极和谐振电感L 5a串联连接后并联在开关管S 5两端，辅助开关管S 6a的漏极和谐振电感L 6a串联连接后并联在开关管S 6两端；在辅助开关管S 5a的源极和辅助开关管S 6a的漏极之间依次串联三个方向一致的二极管D 5b、二极管D a和二极管D 6b；缓冲电容C 5并联在谐振电感L 5a和二极管D 5b两端，缓冲电容C 6并联在谐振电感L 6a和二极管D 6b两端；箝位二极管D 7、D 8串联，箝位二极管D 7的阴极接主开关管S 5的源极，箝位二极管D 8的阳极接主开关管S 6的漏极，箝位二极管D 7和箝位二极管D 8的中点与输入均压电容C 1、C 2的中点相连，箝位二极管D 7、D 8之后并联所述全桥逆变电路。
 本发明一种八开关非隔离全桥光伏并网逆变器的工作方法采用的技术方案是：在电网电压正半周时，主开关管S 1和主开关管S 4持续开通，主开关管S 2和主开关管S 3持续关断，主开关管S 5和主开关管S 6以单极性SPWM调制方式工作，辅助开关管S 5a、S 6a仅在主开关管S 5、S 6开通前的一个固定时间段内开通。
在电网电压正半周时依次有以下7个工作阶段：
在t0~t1时间段， t0时刻起辅助开关管S 5a、S 6a开始导通，谐振电感L 5a、L 6a分别在光伏阵列一半电压作用下电流线性增加，辅助开关管S 5a、S 6a的电流上升率分别受到谐振电感L 5a、L 6a的限制，实现辅助开关管S 5a、S 6a的零电流开通，到t1时刻达到进网电流，实现零电压关断。
在t1~t2时间段，t1时刻起，谐振电容C 5a、谐振电感L 5a形成一条谐振回路并开始起振，同时谐振电容C 6a、谐振电感L 6a形成一条谐振回路并开始起振，谐振电容C 5a、C 6a分别迫使谐振电感L 5a、L 6a中的电流继续增加，谐振电容C 5a、C 6a上的电压按谐振规律开始下降，到t2时刻，谐振电感L 5a、L 6a上的电流达到进网电流峰值，谐振电容C 5a、C 6a上的电压为0。
在t2~t3时间段，t2时刻谐振结束，主开关管S 5、S 6的寄生二极管D 5、D 6导通，谐振电容C 5a、C 6a上的电压被箝位为0，直到t3时刻S 5a、S 6a断开，主开关管S 5、S 6的开通均为零电压开通。
在t3~t4时间段，t3时刻主开关管S 5、S 6在零电压条件下开通，辅助开关管S 5a、S 6a关断，谐振电感L 5a、L 6a中的能量通过D 5b、D 6b向电容C 5、C 6转移，主开关管S 5、S 6和二极管D 5b、D 6b都处于导通状态，辅助开关管S 5a、S 6a的关断是零电压关断。
在t4~t5时间段，t4时刻谐振电感L 5a、L 6a中的电流减小为0。
在t5~t6时间段， t5时刻起主开关管S 5、S 6断开，谐振电容C 5a、C 6a在恒流源作用下充电，缓冲电容C 5、C 6放电，主开关管S 5、S 6在零电压的条件下关断，在t6时刻谐振电容C 5a、C 6a上的电压上升至光伏阵列一半电压，缓冲电容C 5、C 6上的电压降为0。
在t6~t7时间段，t6时刻起逆变器进入常规的续流阶段，到t7时刻新的周期开始。
本发明的有益效果是：本发明是在六开关结构的带直流旁路全桥光伏并网逆变器的结构上的改进方案，所以原有开关管工作方式不变，仍旧能够有效抑制漏电流，并且克服了六开关结构的带直流旁路全桥拓扑结构存在高频开关管工作在硬开关状态的缺点，保留了其低漏电流的特性。本发明对高频功率器件加入辅助电路，加入的辅助开关管同样实现了软开通、软关断，同时消除续流二极管的反向恢复问题，在不产生共模漏电流的情况下尽可能地提高了并网逆变器的效率，有利于实现并网逆变器的高频化、提高电路效率。   
附图说明
图1是背景技术中六开关管结构的带直流旁路拓扑结构图；
图2是本发明一种八开关管非隔离全桥光伏并网逆变器的电路结构图；
图3是图2中各功率开关管驱动信号逻辑图；
图4是本发明在电网电压正半周时第1个工作模态的等效电路图；
图5是本发明在电网电压正半周时第2个工作模态的等效电路图；
图6是本发明在电网电压正半周时第3个工作模态的等效电路图；
图7是本发明在电网电压正半周时第4个工作模态的等效电路图；
图8是本发明在电网电压正半周时第5个工作模态的等效电路图；
图9是本发明在电网电压正半周时第6个工作模态的等效电路图；
图10是本发明在电网电压正半周时第7个工作模态的等效电路图；
图11是本发明八开关管非隔离全桥光伏并网逆变器主要工作波形示意图。
具体实施方式
参见图2，本发明包括：光伏阵列PV、输入均压电容C 1和C 2、主开关管S 1-S 6，辅助开关管S 5a和S 6a、谐振电容C 5a和C 6a、谐振电感L 5a和L 6a、缓冲电容C 5和C 6、二极管D 5b、D a和D 6b、箝位二极管D 7和D 8、滤波电感L 1和L 2、滤波电容C以及一个由主开关管S 1、S 2、S 3、S 4构成的全桥逆变电路。
其中，输入均压电容C 1和C 2串联连接，然后并联在光伏阵列PV两端。输入均压电容C 1的正端接主开关管S 5和辅助开关管S5a的漏极，输入均压电容C 2的负端接主开关管S 6和辅助开关管S 6a的源极。主开关管S 5、S 6的寄生二极管分别是寄生二极管D 5和寄生二极管D 6。谐振电容C 5a并联在主开关管S 5的源极和漏极两端，谐振电容C 6a并联在主开关管S 6的源极和漏极两端。辅助开关管S 5a的源极和谐振电感L 5a串联连接，并联在开关管S 5两端。辅助开关管S 6a的漏极和谐振电感L 6a串联连接，并联在开关管S 6两端。在辅助开关管S 5a的源极和辅助开关管S 6a的漏极之间依次串联三个方向一致的二极管D 5b、二极管D a和二极管D 6b，二极管D 5的阴极连辅助开关管S 5a的源极，二极管D 5b的阳极接二极管D a的阴极，二极管D a的阳极接二极管D 6b的阴极，二极管D 6b的阳极接辅助开关管S 6a的漏极。缓冲电容C 5并联在谐振电感L 5a和二极管D 5b两端，缓冲电容C 6并联在谐振电感L 6a和二极管D 6b两端。箝位二极管D 7和D 8串联连接，箝位二极管D 7的阴极接主开关管S 5的源极，箝位二极管D 7的阳极接箝位二极管D 8的阴极，箝位二极管D 8的阳极接主开关管S 6的漏极，箝位二极管D 7和箝位二极管D 8的中点与输入均压电容C 1和输入均压电容C 2的中点相连。箝位二极管D 7和D 8之后并联由主开关管S 1、S 2、S 3、S 4构成的全桥逆变电路，主开关管S 1、S 2、S 3、S 4对应的续流二极管分别是续流二极管D 1、D 2、D 3、D 4。全桥逆变电路的两桥臂中点之间并联由滤波电感L 1、L 2和滤波电容C构成的进网滤波器，进网滤波器接入电网v g。
图3为图2中各个开关管的驱动信号逻辑图，由图2可知，在电网电压正半周时，主开关管S 1和主开关管S 4持续开通，主开关管S 2和主开关管S 3持续关断，主开关管S 5和主开关管S 6以单极性SPWM调制方式工作，辅助开关管S 5a和辅助开关管S 6a仅在主开关管S 5、S 6开通前的一个固定时间段内开通。
以下描述主开关管S 5、S 6和辅助开关管S 5a、S 6a及零电压转换谐振支路在SPWM开关周期内的工作过程。参见图4至图10给出的本发明八开关管非隔离全桥光伏并网逆变器在电网电压正半周时不同工作模态的等效电路。根据各开关管及电路元件的不同工作状态，一个周期依次地按时序分为7个工作阶段，即有7个工作模态，具体是：
 第1个工作模态：如图4所示，在t0~t1时间段， t0时刻前，主开关管S 5、S 6和辅助开关管S 5a、S 6a处于关断状态。t0时刻起，辅助开关管S 5a、S 6a开始导通，谐振电感L 5a、L 6a分别在光伏阵列PV一半电压U pv/2作用下电流线性增加，U pv是光伏阵列PV电压，辅助开关管S 5a、S 6a的电流上升率分别受到谐振电感L 5a、L 6a的限制，从而实现辅助开关管S 5a、S 6a的零电流开通，到t1时刻达到进网电流I L，由于滤波电感参数值相对较大，远大于谐振电感值，其电流近似不变。此时全桥逆变电路中的续流二极管D 1、D 4中电流减少至0，实现零电压关断，消除了二极管反向恢复问题。
第2个工作模态：如图5所示，在t1~t2时间段，t1时刻起，谐振电容C 5a、谐振电感L 5a形成一条谐振回路并开始起振，同时谐振电容C 6a、谐振电感L 6a形成一条谐振回路并开始起振，谐振电容C 5a、C 6a分别迫使谐振电感L 5a、L 6a中的电流继续增加，谐振电容C 5a、C 6a上的电压按谐振规律开始下降。到t2时刻，谐振电感L 5a、L 6a上的电流达到进网电流峰值I Lap，谐振电容C 5a、C 6a上的电压为0。
第3个工作模态：如图6所示，在t2~t3时间段，t2时刻谐振结束，主开关管S 5、S 6的寄生二极管D 5、D 6导通，谐振电容C 5a、C 6a上的电压被箝位为0，直到t3时刻S 5a、S 6a断开，该阶段结束。在该阶段持续时间内主开关管S 5、S 6的开通均为零电压开通。
第4个工作模态：如图7所示，在t3~t4时间段，t3时刻主开关管S 5、S 6在零电压条件下开通，辅助开关管S 5a、S 6a关断。谐振电感L 5a、L 6a中的能量通过D 5b、D 6b向电容C 5、C 6转移。由于主开关管S 5、S 6和二极管D 5b、D 6b都处于导通状态，缓冲电容C 5、C 6相当于直接并联在辅助开关管S 5a、S 6a的两端，使其两端的电压上升率受到限制，所以辅助开关管S 5a、S 6a的关断可以看作是零电压关断。
第5个工作模态：如图8所示，在t4~t5时间段，t4时刻，谐振电感L 5a、L 6a中的电流减小为0。逆变器进入常规的功率传输阶段。应该注意的是：在谐振电感L 5a、L 6a的电流下降到I L之前，主开关管S 5、S 6中都没有电流流过。
第6个工作模态：如图9所示，在t5~t6时间段， t5时刻起，主开关管S 5、S 6断开，谐振电容C 5a、C 6a在恒流源作用下充电，缓冲电容C 5、C 6放电，由于谐振电容C 5a、C 6a的缓冲作用，主开关管S 5、S 6在零电压的条件下关断。在t6时刻，谐振电容C 5a、C 6a上的电压上升至U pv/2，缓冲电容C 5、C 6上的电压降为0。
第7个工作模态：如图10所示，在t6~t7时间段，t6时刻起，逆变器进入常规的续流阶段，到t7时刻新的周期开始重复上述过程。
图11为八开关管非隔离全桥光伏并网逆变器的主要工作波形示意图。包括开关管S 1、S 4、S 5、S 6、S 5a、S 6a的开关状态，谐振电感L 5a、L 6a的电流i L5a、i L6a波形，谐振电容C 5a、C 6a的电压u C5a、u C6a波形，缓冲电容C 5、C 6的电压u C5、u C6波形，每个阶段与图4至图10给出的7个工作模态一一对应。
本发明八开关管非隔离全桥光伏并网逆变器在电网电压负半周时工作模态与其正半周时工作模态类似，不再赘述。

Claims (5)

1.一种八开关非隔离全桥光伏并网逆变器，包括两个输入均压电容C 1、C 2和一个由主开关管S 1、S 2、S 3、S 4构成的全桥逆变电路，输入均压电容C 1、C 2串联连接后并联在光伏阵列两端，输入均压电容C 1的正端接主开关管S 5和辅助开关管S5a的漏极，输入均压电容C 2的负端接主开关管S 6和辅助开关管S 6a的源极，其特征是：
谐振电容C 5a并联在主开关管S 5的源极和漏极两端，谐振电容C 6a并联在主开关管S 6的源极和漏极两端，辅助开关管S 5a的源极和谐振电感L 5a串联连接后并联在开关管S 5两端，辅助开关管S 6a的漏极和谐振电感L 6a串联连接后并联在开关管S 6两端；在辅助开关管S 5a的源极和辅助开关管S 6a的漏极之间依次串联三个方向一致的二极管D 5b、二极管D a和二极管D 6b；缓冲电容C 5并联在谐振电感L 5a和二极管D 5b两端，缓冲电容C 6并联在谐振电感L 6a和二极管D 6b两端；箝位二极管D 7、D 8串联，箝位二极管D 7的阴极接主开关管S 5的源极，箝位二极管D 8的阳极接主开关管S 6的漏极，箝位二极管D 7和箝位二极管D 8的中点与输入均压电容C 1、C 2的中点相连，箝位二极管D 7、D 8之后并联所述全桥逆变电路。
2.根据权利要求1所述八开关非隔离全桥光伏并网逆变器，其特征是：全桥逆变电路的两桥臂中点之间并联由滤波电感L 1、L 2和滤波电容C构成的进网滤波器，进网滤波器接入电网v g。
3.一种如权利要求1所述八开关非隔离全桥光伏并网逆变器的工作方法，其特征是：在电网电压正半周时，主开关管S 1和主开关管S 4持续开通，主开关管S 2和主开关管S 3持续关断，主开关管S 5和主开关管S 6以单极性SPWM调制方式工作，辅助开关管S 5a、S 6a仅在主开关管S 5、S 6开通前的一个固定时间段内开通。
4.根据权利要求3所述的工作方法，其特征是：在电网电压正半周时依次有以下7个工作阶段：
在t0~t1时间段， t0时刻起辅助开关管S 5a、S 6a开始导通，谐振电感L 5a、L 6a分别在光伏阵列一半电压作用下电流线性增加，辅助开关管S 5a、S 6a的电流上升率分别受到谐振电感L 5a、L 6a的限制，实现辅助开关管S 5a、S 6a的零电流开通，到t1时刻达到进网电流，实现零电压关断；
在t1~t2时间段，t1时刻起，谐振电容C 5a、谐振电感L 5a形成一条谐振回路并开始起振，同时谐振电容C 6a、谐振电感L 6a形成一条谐振回路并开始起振，谐振电容C 5a、C 6a分别迫使谐振电感L 5a、L 6a中的电流继续增加，谐振电容C 5a、C 6a上的电压按谐振规律开始下降，到t2时刻，谐振电感L 5a、L 6a上的电流达到进网电流峰值，谐振电容C 5a、C 6a上的电压为0；
在t2~t3时间段，t2时刻谐振结束，主开关管S 5、S 6的寄生二极管D 5、D 6导通，谐振电容C 5a、C 6a上的电压被箝位为0，直到t3时刻S 5a、S 6a断开，主开关管S 5、S 6的开通均为零电压开通；
在t3~t4时间段，t3时刻主开关管S 5、S 6在零电压条件下开通，辅助开关管S 5a、S 6a关断，谐振电感L 5a、L 6a中的能量通过D 5b、D 6b向电容C 5、C 6转移，主开关管S 5、S 6和二极管D 5b、D 6b都处于导通状态，辅助开关管S 5a、S 6a的关断是零电压关断；
在t4~t5时间段，t4时刻谐振电感L 5a、L 6a中的电流减小为0；
在t5~t6时间段， t5时刻起主开关管S 5、S 6断开，谐振电容C 5a、C 6a在恒流源作用下充电，缓冲电容C 5、C 6放电，主开关管S 5、S 6在零电压的条件下关断，在t6时刻谐振电容C 5a、C 6a上的电压上升至光伏阵列一半电压，缓冲电容C 5、C 6上的电压降为0；
在t6~t7时间段，t6时刻起逆变器进入常规的续流阶段，到t7时刻新的周期开始。
5.根据权利要求4所述的工作方法，其特征是：在电网电压正半周时依次有以下7个工作阶段：在电网电压负半周时的工作阶段与其正半周时工作阶段类似。
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