CN104377982A - 一种零电压开关Heric型非隔离光伏并网逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现高频开关管零电压开通、零电压关断的高效、高可靠型全桥非隔离光伏并网逆变器及其开关控制时序，包括电容支路1、高频主开关单元2、谐振网络3。本发明在单相四开关全桥逆变电路的基础上加入两支可控高频开关管、四支可控低频开关管、一个二极管、两个电感和四个电容元件构成谐振网络来为主开关单元实现零电压开通和零电压关断，可大幅降低开关损耗。本发明可实现非隔离光伏并网逆变器的高频化和高效率，有利于大幅降低并网逆变器的体积、重量和成本。

Description

一种零电压开关Heric型非隔离光伏并网逆变器

技术领域

本发明涉及一种零电压开关Heric型非隔离光伏并网逆变器，属于高效并网逆变器拓扑技术领域。

背景技术

非隔离型光伏并网逆变器相比隔离型结构拥有效率高、体积小、重量轻和成本低等优势。如专利EP 1369985 A2(简称Heric拓扑)、专利US 7411802 B2(简称H5拓扑)、专利CN101814856A等，在这些专利技术中的高频开关管均运行在硬开关，为了实现高的变换效率，这些逆变器一般工作在10～20kHz的开关频率。因此，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。

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。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，如专利201310135312.9和专利201310134383.7，实现了非隔离并网逆变器高频开关的软开关工作，但是，由于功率回路需要流经较多的开关管，存在较大的导通损耗。

发明内容

发明目的：为了克服上述现有技术中存在的不足，本发明提供一种零电压开关Heric型非隔离光伏并网逆变器，实现高频开关管零电压开关工作，降低了开关导通损耗。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

1、一种零电压开关Heric型非隔离光伏并网逆变器，其特征在于：包括电容支路(1)、高频主开关单元(2)、谐振网络(3)；所述电容支路(1)包括第一电容C_dc；所述高频主开关单元(2)包括并联的第一功率开关管S₁和第一功率二极管D₁、并联的第二功率开关管S₂和第二功率二极管D₂、并联的第三功率开关管S₃和第三功率二极管D₃、并联的第四功率开关管S₄和第四功率二极管D₄；所述谐振网络(3)包括第五功率开关管S_1a、第六功率开关管S_2a、第七功率开关管S_1b、第八功率开关管S_2b、第九功率开关管S_3b、第十功率开关管S_4b、第一谐振电感L_1a、第二谐振电感L_2a、第一谐振电容C_1a、第二谐振电容C_2a、第三谐振电容C_3a、第四谐振电容C_4a和第五功率二极管D_a1；

所述第一电容C_dc的正极分别连接太阳能电池正极、第一功率开关管S₁的漏极、第三功率开关管S₃的漏极、第五功率开关管S_1a的漏极、第一功率二极管D₁的阴极、第三功率二极管D₃的阴极、第一谐振电容C_1a的正极和第三谐振电容C_3a的正极；第一电容C_dc的负极分别连接太阳能电池负极、第二功率开关管S₂的源极、第四功率开关管S₄的源极、第六功率开关管S_2a的源极、第二功率二极管D₂的阳极、第四功率二极管D₄的阳极、第二谐振电容C_2a的负极和第四谐振电容C_4a的负极；

所述第一功率开关管S₁的源极分别与第一谐振电容C_1a的负极、第七功率开关管S_1b的发射极、第八功率开关管S_2b的集电极、第二功率开关管S₂的漏极、第二谐振电容C_2a的正极以及进网滤波器一端相连；第三功率开关管S₃的源极分别与第三谐振电容C_3a的负极、第九功率开关管S_3b的发射极、第十功率开关管S_4b的集电极、第四功率开关管S₄的漏极、第四谐振电容C_4a的正极以及进网滤波器的另一端相连；

所述第五功率开关管S_1a的源极分别与第一谐振电感L_1a的一端、第五功率二极管D_a1的阴极相连；第六功率开关管S_2a的漏极分别与第二谐振电感L_2a的一端、第五功率二极管D_a1的阳极相连；

所述第一谐振电感L_1a的另一端分别与第七功率开关管S_1b的集电极、第九功率开关管S_3b的集电极相连；第二谐振电感L_2a的另一端分别与第八功率开关管S_2b的发射极、第十功率开关管S_4b的发射极相连。

进一步地，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S_1a和第六功率开关管S_2a采用MOSFET型晶体管。

进一步地，第七功率开关管S_1b、第八功率开关管S_2b、第九功率开关管S_3b和第十功率开关管S_4b采用IGBT型晶体管。

进一步地，一种零电压开关Heric型非隔离光伏并网逆变器的开关控制时序方法为：

将第七功率开关管S_1b和第十功率开关管S_4b同时开通关断，在进网电流正半周一直导通，负半周关断；

将第八功率开关管S_2b和第九功率开关管S_3b同时开通关断，在进网电流负半周一直导通，正半周关断；

将第一功率开关管S₁和第四功率开关管S₄同时开通关断，在进网电流正半周按单极性SPWM方式高频动作，负半周关断；

将第二功率开关管S₂和第三功率开关管S₃同时开通关断，在进网电流负半周按单极性SPWM方式高频动作，正半周关断；

将第五功率开关管S_1a和第六功率开关管S_2a同时开通关断；在进网电流正半周，第五功率开关管S_1a的开通时刻先于第一功率开关管S₁的开通时刻，第五功率开关管S_1a的关断时刻与第一功率开关管S₁的开通时刻一致；在进网电流负半周，第五功率开关管S_1a的开通时刻先于第二功率开关管S₂的开通时刻，第五功率开关管S_1a的关断时刻与第二功率开关管S₂的开通时刻一致。

有益效果：本发明提供的一种零电压开关Heric型非隔离光伏并网逆变器，在四开关全桥电路的基础上加入由第五功率开关管S_1a、第六功率开关管S_2a、第七功率开关管S_1b、第八功率开关管S_2b、第九功率开关管S_3b、第十功率开关管S_4b、第一谐振电感L_1a、第二谐振电感L_2a、第一谐振电容C_1a、第二谐振电容C_2a、第三谐振电容C_3a、第四谐振电容C_4a和第五功率二极管D_a1组成的谐振网络构成零电压转换支路，配合上述开关控制时序，可以实现第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、第三功率开关管S₃和第四功率开关管S₄的零电压开通和零电压关断条件，降低了开关导通损耗。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是本发明一种零电压开关Heric型非隔离光伏并网逆变器的电路示意图；

图2是本发明的驱动逻辑图；

图3是本发明在进网电流正半周时高频开关周期刻度的理论工作波形图；

图4(a)-(h)是本发明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：

图4(a)模态1[t₀,t₁]；

图4(b)模态2[t₁,t₂]；

图4(c)模态3[t₂,t₃]；

图4(d)模态4[t₃,t₄]；

图4(e)模态5[t₄,t₅]；

图4(f)模态6[t₅,t₆]；

图4(g)模态7[t₆,t₇]；

图4(h)模态8[t₇,t₈]；

图5是本发明中谐振网络工作波形图；

图6(a)-(d)是本发明中主要功率器件在高频开关周期刻度的仿真工作波形图：

图6(a)第一功率开关管S₁的工作波形；

图6(b)第五功率开关管S_1a的工作波形；

图6(c)第五功率二极管D_a1的工作波形；

图6(d)第七功率开关管S_1b的工作波形；

图7是基于本发明加入共模电压箝位支路的电路结构图；

其中：u_g——电网电压；U_pv——太阳能电池输出电压；i_L——进网滤波电感电流。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1描述了本发明的主电路的构成方式：一种零电压开关Heric型非隔离光伏并网逆变器，包括电容支路1、高频主开关单元2、谐振网络3；电容支路1包括第一电容C_dc；高频主开关单元2包括并联的第一功率开关管S₁和第一功率二极管D₁、并联的第二功率开关管S₂和第二功率二极管D₂、并联的第三功率开关管S₃和第三功率二极管D₃、并联的第四功率开关管S₄和第四功率二极管D₄；谐振网络3包括第五功率开关管S_1a、第六功率开关管S_2a、第七功率开关管S_1b、第八功率开关管S_2b、第九功率开关管S_3b、第十功率开关管S_4b、第一谐振电感L_1a、第二谐振电感L_2a、第一谐振电容C_1a、第二谐振电容C_2a、第三谐振电容C_3a、第四谐振电容C_4a和第五功率二极管D_a1；

其中第五功率开关管S_1a和第六功率开关管S_2a起到辅助作用；第七功率开关管S_1b、第八功率开关管S_2b、第九功率开关管S_3b和第十功率开关管S_4b起到阻断作用；

第一电容C_dc的正极分别连接太阳能电池正极、第一功率开关管S₁的漏极、第三功率开关管S₃的漏极、第五功率开关管S_1a的漏极、第一功率二极管D₁的阴极、第三功率二极管D₃的阴极、第一谐振电容C_1a的正极和第三谐振电容C_3a的正极相连；第一电容C_dc的负极分别连接太阳能电池负极、第二功率开关管S₂的源极、第四功率开关管S₄的源极、第六功率开关管S_2a的源极、第二功率二极管D₂的阳极、第四功率二极管D₄的阳极、第二谐振电容C_2a的负极和第四谐振电容C_4a的负极相连；

第一功率开关管S₁的源极分别与第一谐振电容C_1a的负极、第七功率开关管S_1b的发射极、第八功率开关管S_2b的集电极、第二功率开关管S₂的漏极、第二谐振电容C_2a的正极以及进网滤波器的一端相连；第三功率开关管S₃的源极分别与第三谐振电容C_3a的负极、第九功率开关管S_3b的发射极、第十功率开关管S_4b的集电极、第四功率开关管S₄的漏极、第四谐振电容C_4a的正极以及进网滤波器的另一端相连；

第五功率开关管S_1a的源极分别与第一谐振电感L_1a的一端、第五功率二极管D_a1的阴极相连；第六功率开关管S_2a的漏极分别与第二谐振电感L_2a的一端、第五功率二极管D_a1的阳极相连；

第一谐振电感L_1a的另一端分别与第七功率开关管S_1b的集电极、第九功率开关管S_3b的集电极相连；第二谐振电感L_2a的另一端分别与第八功率开关管S_2b的发射极、第十功率开关管S_4b的发射极相连。

图2是本发明的驱动信号逻辑图，其中：i_S1为第一功率开关管S₁的电流波形，i_L1a为第一谐振电感L_1a的电流波形，i_S1b为第七功率开关管S_1b的电流波形，i_S3b为第九功率开关管S_3b的电流波形，v_S3b为第九功率开关管S_3b的电压波形,v_S1a为第五功率开关管S_1a的电压波形，v_C1a为第一谐振电容C_1a的电压波形，i_D1a为第五功率二极管D_a1的电流波形，I_L进网电流的幅值，T_S高频开关管的开关周期。

第七功率开关管S_1b和第十功率开关管S_4b同时开通关断，在进网电流正半周一直导通，负半周关断；第八功率开关管S_2b和第九功率开关管S_3b同时开通关断，在进网电流负半周一直导通，正半周关断；第一功率开关管S₁和第四功率开关管S₄同时开通关断，在进网电流正半周按单极性SPWM方式高频动作，负半周关断；第二功率开关管S₂和第三功率开关管S₃同时开通关断，在进网电流负半周按单极性SPWM方式高频动作，正半周关断；第五功率开关管S_1a和第六功率开关管S_2a同时开通关断，在进网电流正半周，第五功率开关管S_1a的开通时刻先于第一功率开关管S₁的开通时刻，第五功率开关管S_1a的关断时刻与第一功率开关管S₁的开通时刻一致；在进网电流负半周，第五功率开关管S_1a的开通时刻先于第二功率开关管S₂的开通时刻，第五功率开关管S_1a的关断时刻与第二功率开关管S₂的开通时刻一致。

图3是本发明在进网电流正半周时开关周期刻度的理论工作波形图。

图4(a)-(h)是本发明在进网电流正半周时开关周期刻度的等效工作模态图。

本发明的一个具体实例如下：太阳能电池输出电压U_pv＝400V、电网电压u_g＝220VRMS、电网频率f_g＝50Hz、额定功率P_N＝3kW；直流母线电容C_dc1＝C_dc2＝470μF；滤波电感L₁＝L₂＝0.5mH；滤波电容C₁＝2μF；电池板对地寄生电容C_pv1＝C_pv2＝0.15μF；开关频率f＝100kHZ、谐振参数L_1a＝L_2a＝10μH、C_1a＝C_2a＝C_3a＝C_4a＝5nF。

图5是本发明中谐振网络工作波形图，其中S1，S4是第一功率开关管S₁和第四功率开关管S₄的驱动波形、S1a，S2a是第五功率开关管S_1a和第六功率开关管S_2a的驱动波形、S1b，S4b是第七功率开关管S_1b和第十功率开关管S_4b的驱动波形、IL1a是第一谐振电感L_1a的电流波形、VC1a是第一谐振电容C_1a的电压波形，横坐标为时间轴，单位为秒；纵坐标中，驱动信号为逻辑高低电平，高电平1代表驱动信号有效开关管导通，低电平0代表驱动信号无效开关管关断，电压量的单位为伏特，电流量的单位为安培。

从图中可以看出谐振电感L_1a的电流按恒定斜率增加或减小，且仅在高频主开关管第一功率开关管S₁和第四功率开关管S₄的开通时刻工作一段时间；同时，谐振电容电压的上升过程被软化，有利于消除高频主开关管的电压尖峰，在谐振动作的作用下谐振电容C_1a的电压在高频主开关管开通之前其电压被谐振到零，保证了高频主开关管的零电压开通。

图6(a)-(d)是本发明中主要功率器件第一功率开关管S₁、第五功率开关管S_1a、第五功率二极管D_a1和第七功率开关管S_1b在开关周期刻度的仿真工作波形图，其中横坐标为时间轴，单位为秒；纵坐标中，驱动信号为逻辑高低电平，高电平1代表驱动信号有效开关管导通，低电平0代表驱动信号无效开关管关断，电压量的单位为伏特，电流量的单位为安培。

图6(a)为第一功率开关管S₁的工作波形，其中ICS1是第一功率开关管S₁的电流波形、VS1是第一功率开关管S₁的电压波形；

图6(b)为第五功率开关管S_1a的工作波形，其中IS1a是第五功率开关管S_1a的电流波形、VS1a是第五功率开关管S_1a的电压波形；

图6(c)为第五功率二极管D_a1的工作波形，其中IDa1是第五功率二极管D_a1的电流波形、VDa1是第五功率二极管D_a1的电压波形；

图6(d)为第七功率开关管S_1b的工作波形，其中IS1b是第七功率开关管S_1b的电流波形、VS1b是第七功率开关管S_1b的电压波形；

从图6中所有的仿真波形图中可知与图3中的理论工作波形一致，本发明实现了第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、第三功率开关管S₃和第四功率开关管S₄零电压开通和零电压关断；第五功率开关管S_1a、第六功率开关管S_2a实现了零电流开通；第五功率二极管D_a1实现了零电流关断。

图7是本发明的基础上加入共模电压箝位支路的电路结构图，在电容支路1上增加一个电容与第一电容C_dc串联，在谐振网络3中增加一个第五功率二极管与第五功率二极管D_a1串联，增加的电容的负极连接太阳能电池的负极，第一电容C_dc的负极连接第五功率二极管D_a1的阳极，增加的第五功率二极管的阳极连接第六功率开关管S_2a的漏极；从而可以实现续流阶段共模电压箝位至输入电压的一半，从而保证消除漏电流。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种零电压开关Heric型非隔离光伏并网逆变器，其特征在于：包括电容支路(1)、高频主开关单元(2)、谐振网络(3)；所述电容支路(1)包括第一电容C_dc；所述高频主开关单元(2)包括并联的第一功率开关管S₁和第一功率二极管D₁、并联的第二功率开关管S₂和第二功率二极管D₂、并联的第三功率开关管S₃和第三功率二极管D₃、并联的第四功率开关管S₄和第四功率二极管D₄；所述谐振网络(3)包括第五功率开关管S_1a、第六功率开关管S_2a、第七功率开关管S_1b、第八功率开关管S_2b、第九功率开关管S_3b、第十功率开关管S_4b、第一谐振电感L_1a、第二谐振电感L_2a、第一谐振电容C_1a、第二谐振电容C_2a、第三谐振电容C_3a、第四谐振电容C_4a和第五功率二极管D_a1；

所述第一电容C_dc的正极分别连接太阳能电池正极、第一功率开关管S₁的漏极、第三功率开关管S₃的漏极、第五功率开关管S_1a的漏极、第一功率二极管D₁的阴极、第三功率二极管D₃的阴极、第一谐振电容C_1a的正极和第三谐振电容C_3a的正极；第一电容C_dc的负极分别连接太阳能电池负极、第二功率开关管S₂的源极、第四功率开关管S₄的源极、第六功率开关管S_2a的源极、第二功率二极管D₂的阳极、第四功率二极管D₄的阳极、第二谐振电容C_2a的负极和第四谐振电容C_4a的负极；

所述第一功率开关管S₁的源极分别与第一谐振电容C_1a的负极、第七功率开关管S_1b的发射极、第八功率开关管S_2b的集电极、第二功率开关管S₂的漏极、第二谐振电容C_2a的正极以及进网滤波器一端相连；第三功率开关管S₃的源极分别与第三谐振电容C_3a的负极、第九功率开关管S_3b的发射极、第十功率开关管S_4b的集电极、第四功率开关管S₄的漏极、第四谐振电容C_4a的正极以及进网滤波器的另一端相连；

所述第五功率开关管S_1a的源极分别与第一谐振电感L_1a的一端、第五功率二极管D_a1的阴极相连；第六功率开关管S_2a的漏极分别与第二谐振电感L_2a的一端、第五功率二极管D_a1的阳极相连；

所述第一谐振电感L_1a的另一端分别与第七功率开关管S_1b的集电极、第九功率开关管S_3b的集电极相连；第二谐振电感L_2a的另一端分别与第八功率开关管S_2b的发射极、第十功率开关管S_4b的发射极相连。

2.根据权利要求1所述的一种零电压开关Heric型非隔离光伏并网逆变器，其特征在于：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S_1a和第六功率开关管S_2a采用MOSFET型晶体管。

3.根据权利要求1所述的一种零电压开关Heric型非隔离光伏并网逆变器，其特征在于：第七功率开关管S_1b、第八功率开关管S_2b、第九功率开关管S_3b和第十功率开关管S_4b采用IGBT型晶体管。

4.根据权利要求1所述的一种零电压开关Heric型非隔离光伏并网逆变器的开关控制时序方法，其特征在于：

将第七功率开关管S_1b和第十功率开关管S_4b同时开通关断，在进网电流正半周一直导通，负半周关断；

将第八功率开关管S_2b和第九功率开关管S_3b同时开通关断，在进网电流负半周一直导通，正半周关断；

将第一功率开关管S₁和第四功率开关管S₄同时开通关断，在进网电流正半周按单极性SPWM方式高频动作，负半周关断；

将第二功率开关管S₂和第三功率开关管S₃同时开通关断，在进网电流负半周按单极性SPWM方式高频动作，正半周关断；

将第五功率开关管S_1a和第六功率开关管S_2a同时开通关断；在进网电流正半周，第五功率开关管S_1a的开通时刻先于第一功率开关管S₁的开通时刻，第五功率开关管S_1a的关断时刻与第一功率开关管S₁的开通时刻一致；在进网电流负半周，第五功率开关管S_1a的开通时刻先于第二功率开关管S₂的开通时刻，第五功率开关管S_1a的关断时刻与第二功率开关管S₂的开通时刻一致。