CN107332453A - 一种单级式光伏离网逆变器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电学技术领域，涉及一种单级式光伏离网逆变器及其控制方法，隔离变压器原边用一个开关管实现变压器双向励磁，并且开关管既可以实现零电压开通又可以实现零电压关断，开通和关断期间均可向变压器副边传输能量；变压器副边采用两套高频全波整流电路，通过控制让其按工频输出、然后反向并联，结合变压器原边高频开关管的调制形成按正弦调制规律变化的脉冲序列，经滤波后变成工频220V交流电；其电路结构简单，体积小，成本低，效率高，容易控制，可靠性高，除可专门用于光伏离网小型逆变器外，也可推广应用到其他小型离网逆变器、车载逆变器、UPS电源、变频器、隔离升压DC‑AC变换器中。

Description

一种单级式光伏离网逆变器及其控制方法

技术领域：

本发明属于电学技术领域，涉及一种离网逆变器及其控制方法，特别是一种针对电池板组件的新型高效单级式光伏离网逆变器及其控制方法。

背景技术：

传统的光伏离网微逆变器一般有以下三种结构形式：第一种为非隔离型两级式结构，即前级用非隔离Boost电路升压，后级用H桥逆变，其优点是电路相对简单，缺点是微逆变器的输出和电池板不隔离，会带来安全隐患，且其效率较低。第二种为隔离型两级式结构，即前级用隔离电压或电流型半桥LLC电路升压，后级用H桥逆变，其优点是微逆变器的输出和电池板实现了电气隔离，消除了安全隐患，且其前级电路可以通过谐振实现软开关，前级电路效率相对高一点，其缺点是逆变器体积相对较大，成本较高，前级为电流型半桥LLC电路控制相对复杂，且需要两个电感，增加了逆变器的体积；前级为电压型半桥LLC电路控制相对复杂，桥臂上下两个开关管容易直通而烧毁电路；第三种为隔离型单级式结构，目前变压器原边一般采用反激型、交错反激型或交错反激有源箝位型电路，变压器副边采用工频逆变，即用一级电路既可实现电气隔离又可逆变，省掉了后级H桥逆变电路，对于反激型或交错反激型电路，其优点是电路结构简单、容易控制，缺点是变压器单向励磁，磁芯容易饱和，功率难以做大，开关管不能实现软开关，效率相对较低；对于交错反激有源箝位型电路，有源箝位支路中的开关管和主开关管互补导通，通过谐振使两个开关管都实现了零电压软开关，并且减小了开关管的耐压，相对提高了效率，但是现有的变压器单向励磁，磁芯容易饱和，功率难以做大，增加了控制的复杂性。

综合传统离网小型光伏逆变器的三种结构形式，对于隔离或非隔离两级式小型逆变器，其后级一般用H桥逆变，存在着桥臂上下两个开关管容易直通而烧坏电路、控制难度高、可靠性低、效率低的缺点，再加上前后两级级联后致使逆变器的体积增大，可靠性降低，效率进一步降低，目前逐步被隔离型单级式结构所取代，但隔离型单级式结构共同存在着变压器单向励磁的问题。因此，设计一款电路结构简单、体积小、成本低、效率高、变压器双向励磁的新型单级式光伏离网小型逆变器及其控制方法具有非常大的实用价值。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，设计提供一种新型高效单级式光伏离网逆变器及其控制方法，隔离变压器原边只用一个开关管实现变压器双向励磁，并且开关管既可以实现零电压开通又可以实现零电压关断，开通和关断期间均可向变压器副边传输能量；变压器副边采用两套高频全波整流电路，通过控制让其按工频输出、然后反向并联，结合变压器原边高频开关管的调制形成按正弦调制规律变化的脉冲序列，经滤波后变成工频220V交流电。

为了实现上述目的，本发明所述单级式光伏离网逆变器的主体结构包括反向截止二极管、电容、谐振电容、第一开关管、续流二极管、高频变压器、第一高频全波整流电路、第二高频全波整流电路、第二开关管、第三开关管、滤波电容、滤波电感、第一电压采样电路、第一电流采样电路、第二电压采样电路、第二电流采样电路、输出电压采样电路、反激电源、控制单片机、第一驱动电路、第二驱动电路和第三驱动电路；输入电压经过反向截止二极管并由电容滤波之后作为后面电路的输入，其中，输入电压为太阳能电池板组件的输出电压，反向截止二极管用于防止反向电流流向太阳能电池板组件，电容用于吸收高频变压器原边电感回馈的能量，同时起到滤波作用；高频变压器的原边电感、谐振电容、第一开关管、续流二极管电连接组成单管谐振电路，用于将滤波后的直流电逆变成高频交流电；高频变压器由原边电感、磁芯、第一副边电感、第二副边电感、第三副边电感、第四副边电感连接组成，其中，磁芯为带有气隙的磁芯，原边电感与第一副边电感、原边电感与第二副边电感、原边电感与第三副边电感、原边电感与第四副边电感的耦合系数均为0.5-0.9，第一副边电感与第三副边电感的绕制完全相同，第二副边电感与第四副边电感的绕制完全相同，高频交流电施加在高频变压器原边电感两端，在高频变压器副边感应出正负幅值不对称的高频交流电压；单管谐振电路和高频变压器用于将能量从原边传递到副边；第一高频全波整流电路由第一副边电感、第二副边电感、第一高频整流二极管、第二高频整流二极管电连接组成，用于对变压器副边的高频交流电进行整流；第二高频全波整流电路由第三副边电感、第四副边电感、第三高频整流二极管、第四高频整流二极管电连接组成，用于对变压器副边的高频交流电进行整流；第二开关管和第三开关管交替导通，用于实现工频逆变，其中第二开关管在工频正半周期内导通，第三开关管在工频负半周期内导通；滤波电容和滤波电感电连接组成滤波电路，用于对第二开关管和第三开关管工频逆变后的高频交流电进行滤波，滤除高频谐波获得工频220V交流电；第一电压采样电路采集太阳能电池板组件的输出电压信号并送至控制单片机，第一电流采样电路采集太阳能电池板组件的输出电流信号送至控制单片机，控制单片机接收到采集来的太阳能电池板组件的输出电压和电流信号进行最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)控制；第二电压采样电路采集第一开关管漏源极间的电压信号并送至控制单片机，在第一开关管当前驱动信号上升沿到来之前，检测第一开关管漏源极间的电压是否为零来判断当前第一开关管是否实现零电压开通；第二电流采样电路采集逆变器的输出电流信号并送至控制单片机，输出电压采样电路采集逆变器的输出电压信号并送至控制单片机，控制单片机接收到采集来的逆变器的输出电流和输出电压信号进行电压电流反馈控制；反激电源将太阳能电池板组件的输出电压降至三路相互隔离的+12V输出和一路+5V输出，第一路+12V输出的负极与太阳能电池板组件的负极电连接，为第一驱动电路驱动侧供电；第二路+12V输出的负极与第二开关管源极电连接，为第二驱动电路驱动侧供电；第三路+12V输出的负极与第三开关管源极电连接，为第三驱动电路驱动侧供电；+5V输出的负极与太阳能电池板组件的负极电连接，为控制单片机、输出电压采样电路输出侧、输出电压采样电路直流偏置、第一驱动电路控制信号侧、第二驱动电路控制信号侧、第三驱动电路控制信号侧供电；控制单片机接收到第一电压采样电路、第一电流采样电路、第二电压采样电路、第二电流采样电路、输出电压采样电路采集的电压电流信号，经由MPPT控制程序、软开关判断程序、电压电流反馈控制程序和PWM+PFM控制程序共同生成第一开关管、第二开关管、第三开关管的控制信号，控制信号分别送至第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路；第一驱动电路接收到控制单片机发来的第一开关管控制信号后经放大驱动第一开关管；第二驱动电路接收到控制单片机发来的第二开关管控制信号后经放大驱动第二开关管；第三驱动电路接收到控制单片机发来的第三开关管控制信号后经放大驱动第三开关管。

本发明实现单级式光伏离网逆变器控制过程包括以下步骤：

(1)电路上电，单片机程序初始化，第一开关管采用脉冲宽度调制(Pulse WidthModulation，PWM)与脉冲频率调制(Pulse Frequency Modulation，PFM)相结合的方式软启动、即给定第一开关管的初始开关频率与初始导通时间，让第二开关管和第三开关管按工频交替导通，使逆变器输出电压峰值达到311V；

(2)软启动完成后，检测逆变器的输出电压和电流信号，控制单片机根据输出电压采样电路和第二电流采样电路采集到的逆变器输出电压和电流信号，调整第一开关管的调制信号，让第二开关管和第三开关管按工频半波交替导通，则逆变器输出电压按照工频220V交流电压的规律变化；逆变器输出电压的频率由单片机程序设定，逆变器输出电压的正弦波调制按照面积等效原理进行，当逆变器输出工频电压处于过零点前后相等的一段时间T₀(在逆变器电路参数一定的情况下，T₀的取值由第一开关管的开关频率和驱动信号的占空比决定)内时，固定第一开关管每一个开关周期驱动信号的频率与占空比，通过改变接通周波数与断开周波数的比值来调节逆变器的输出，以减小电压畸变率；当逆变器输出工频电压处于其他时间段时，通过PFM、PWM相结合的方式控制第一开关管驱动信号的频率与占空比，使逆变器输出电压符合工频正弦规律变化；

(3)当逆变器输出电压不稳定时，通过PFM控制方法控制第一开关管的开关频率，稳定逆变器的输出电压。输出电压采样电路、第二电流采样电路采集到逆变器的输出电压、输出电流信号并送至控制单片机，经过电压电流反馈控制程序与给定值比较、数字PID补偿后，对第一开关管的开关频率进行PFM控制，若逆变器输出电压幅值不变，则保持第一开关管既定的调制信号，若逆变器输出电压幅值变大，则发出增大第一开关管开关频率的信号，若逆变器输出电压幅值变小，则发出减小第一开关管开关频率的信号，从而稳定逆变器的输出电压幅值；

(4)通过检测第一开关管开通前其漏源极间的电压是否为零来判断第一开关管是否实现零电压开通，通过第一中断用PWM控制的方法控制其驱动脉冲宽度来实现第一开关管的零电压开通，第一中断的优先级优于其他中断；在第一开关管当前驱动信号上升沿到来之前，第二电压采样电路采集第一开关管漏源极间的电压信号并送至控制单片机，若软开关判断程序判断第一开关管漏源极间的电压不为零，则第一开关管没有实现零电压开通，进入中断，减小第一开关管控制信号的脉冲宽度基准值，保持第二开关管、第三开关管的驱动信号不变，第一中断返回，等待下一次检测；

(5)当太阳能电池板组件的最大功率点发生偏移时，通过第二中断控制第一开关管控制信号的占空比，来调节逆变器及负载的等效阻抗与太阳能电池板组件的等效内阻相等，以实现MPPT，第二中断的优先级次于第一中断；第一电压采样电路、第一电流采样电路采集到太阳能电池板组件的输出电压、输出电流信号并送至控制单片机，每隔n秒进入一次第二中断，n的取值由单片机程序设定，MPPT控制程序在上一次进行MPPT控制时记录的特征信息的基础上继续进行MPPT控制，直至逆变器工作在最大功率点，第二中断返回；

(6)判断逆变器是否需要停止工作，若逆变器需要停止工作，则封锁输出第一开关管、第二开关管、第三开关管的驱动信号；若逆变器不需要停止工作，则重新逆变器输出电压，重复上述步骤，实现逆变器的控制。

本发明与现有单级式光伏离网逆变器相比，变压器原边只用一个开关管就能一级实现太阳能光伏逆变，开关管既能实现零电压开通又可实现零电压关断，并且使隔离变压器实现了双向励磁，同等功率下减小了变压器体积；变压器副边的两套高频全波整流电路使得变压器副边绕组输出的不对称电压得到有效利用，从而使逆变器的整体效率和可靠性进一步提高；变压器副边的可控逆变开关管工频交替导通、不存在直通问题；变压器原边并联的谐振电容与变压器原边电感进行谐振使得逆变器输出/输入间具有较高的电压增益，并且可以通过改变原边开关管的开关频率进行调整，从而可以进一步减小变压器匝数比即减小变压器的体积；其电路结构简单，体积小，成本低，效率高，容易控制，可靠性高，除可专门用于光伏离网小型逆变器外，也可推广应用到其他小型离网逆变器、车载逆变器、UPS电源、变频器、隔离升压DC-AC变换器中。

附图说明：

图1为本发明所述单级式光伏离网逆变器的主体结构电路原理示意图。

图2为本发明所述单级式光伏离网逆变器的控制工艺流程图。

图3为本发明所述单级式光伏离网逆变器的电压调制示意图，其中U_o为逆变器的输出电压。

图4为本发明所述单级式光伏离网逆变器的工作波形图，其中U_gs1为第一开关管Q₁的驱动电压，U_ds1为第一开关管Q₁漏源极之间的电压，U_P为谐振电容C_r两端的电压，I_P为原边电感L_P的电流。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

实施例：

本实施例所述单级式光伏离网逆变器的主体结构包括反向截止二极管D、电容C_i、谐振电容C_r、第一开关管Q₁、续流二极管D_Q1、高频变压器1、第一高频全波整流电路2、第二高频全波整流电路3、第二开关管Q₂、第三开关管Q₃、滤波电容C_f、滤波电感L_f、第一电压采样电路4、第一电流采样电路5、第二电压采样电路6、第二电流采样电路7、输出电压采样电路8、反激电源9、控制单片机13、第一驱动电路18、第二驱动电路19和第三驱动电路20；输入电压U_i经过反向截止二极管D并由电容C_i滤波之后作为后面电路的输入，其中，输入电压U_i为太阳能电池板组件的输出电压，反向截止二极管D用于防止反向电流流向太阳能电池板组件，电容C_i用于吸收高频变压器1原边电感L_P回馈的能量，同时起到滤波作用；高频变压器1的原边电感L_P、谐振电容C_r、第一开关管Q₁、续流二极管D_Q1电连接组成单管谐振电路，用于将滤波后的直流电逆变成高频交流电；高频变压器1由原边电感L_P、磁芯T、第一副边电感L_S1、第二副边电感L_S2、第三副边电感L_S3、第四副边电感L_S4连接组成，其中，磁芯T为带有气隙的磁芯，原边电感L_P与第一副边电感L_S1、原边电感L_P与第二副边电感L_S2、原边电感L_P与第三副边电感L_S3、原边电感L_P与第四副边电感L_S4的耦合系数均为0.5-0.9，第一副边电感L_S1与第三副边电感L_S3的绕制完全相同，第二副边电感L_S2与第四副边电感L_S4的绕制完全相同，高频交流电施加在高频变压器1原边电感L_P两端，在高频变压器1副边感应出正负幅值不对称的高频交流电压；单管谐振电路和高频变压器1用于将能量从原边传递到副边；第一高频全波整流电路2由第一副边电感L_S1、第二副边电感L_S2、第一高频整流二极管D₁、第二高频整流二极管D₂电连接组成，用于对变压器副边的高频交流电进行整流；第二高频全波整流电路3由第三副边电感L_S3、第四副边电感L_S4、第三高频整流二极管D₃、第四高频整流二极管D₄电连接组成，用于对变压器副边的高频交流电进行整流；第二开关管Q₂和第三开关管Q₃交替导通，用于实现工频逆变，其中第二开关管Q₂在工频正半周期内导通，第三开关管Q₃在工频负半周期内导通；滤波电容C_f和滤波电感L_f电连接组成滤波电路，用于对第二开关管Q₂和第三开关管Q₃工频逆变后的高频交流电进行滤波，滤除高频谐波获得工频220V交流电；第一电压采样电路4采集太阳能电池板组件的输出电压信号并送至控制单片机13，第一电流采样电路5采集太阳能电池板组件的输出电流信号送至控制单片机13，控制单片机13接收到采集来的太阳能电池板组件的输出电压和输出电流信号进行MPPT控制；第二电压采样电路6采集第一开关管Q₁漏源极间的电压信号并送至控制单片机13，在第一开关管Q₁当前驱动信号上升沿到来之前，检测第一开关管Q₁漏源极间的电压是否为零来判断当前第一开关管Q₁是否实现零电压开通；第二电流采样电路7采集逆变器的输出电流信号并送至控制单片机13，输出电压采样电路8采集逆变器输出电压信号并送至控制单片机13，控制单片机13接收到采集来的逆变器输出电流和输出电压信号进行电压电流反馈控制；反激电源9将太阳能电池板组件的输出电压降至三路相互隔离的+12V输出和一路+5V输出，第一路+12V输出10的负极GND1与太阳能电池板组件的负极电连接，为第一驱动电路18驱动侧供电；第二路+12V输出11的负极GND2与第二开关管Q₂源极电连接，为第二驱动电路19驱动侧供电；第三路+12V输出12的负极GND3与第三开关管Q₃源极电连接，为第三驱动电路20驱动侧供电。+5V输出的负极GND1与太阳能电池板组件的负极电连接，为控制单片机13、输出电压采样电路8输出侧、输出电压采样电路8直流偏置、第一驱动电路18控制信号侧、第二驱动电路19控制信号侧、第三驱动电路20控制信号侧供电；控制单片机13接收到第一电压采样电路4、第一电流采样电路5、第二电压采样电路6、第二电流采样电路7、输出电压采样电路8采集的电压电流信号，经由MPPT控制程序14、软开关判断程序15、电压电流反馈控制程序16和PWM+PFM控制程序17共同生成第一开关管Q₁、第二开关管Q₂、第三开关管Q₃的控制信号，控制信号分别送至第一驱动电路18、第二驱动电路19、第三驱动电路20；第一驱动电路18接收到控制单片机13发来的第一开关管Q₁控制信号后经放大驱动第一开关管Q₁；第二驱动电路19接收到控制单片机13发来的第二开关管Q₂控制信号后经放大驱动第二开关管Q₂；第三驱动电路20接收到控制单片机13发来的第三开关管Q₃控制信号后经放大驱动第三开关管Q₃。

本实施例实现单级式光伏离网逆变器控制过程包括以下步骤：

(1)电路上电，单片机程序初始化，第一开关管Q₁采用PWM与PFM相结合的方式软启动、即给定第一开关管Q₁的初始开关频率与初始导通时间让第二开关管Q₂和第三开关管Q₃按工频交替导通，使逆变器输出电压峰值达到311V；

(2)软启动完成后，检测逆变器输出电压和电流信号，控制单片机13根据输出电压采样电路8和第二电流采样电路7采集到的逆变器输出电压和电流信号，调整第一开关管Q₁的调制信号，让第二开关管Q₂和第三开关管Q₃按工频半波交替导通，则逆变器输出电压按照工频220V交流电压的规律变化；逆变器输出电压的频率由单片机程序设定；逆变器输出电压的正弦波调制按照面积等效原理进行，当逆变器输出工频电压处于过零点前后相等的一段时间T₀(在逆变器电路参数一定的情况下，T₀的取值由第一开关管Q₁的开关频率和驱动信号的占空比决定)内时，固定第一开关管Q₁每一个开关周期驱动信号的频率与占空比，通过改变接通周波数与断开周波数的比值来调节逆变器的输出，以减小电压畸变率；当逆变器输出工频电压处于其他时间段时，通过PFM、PWM相结合的方式控制第一开关管Q₁驱动信号的频率与占空比，使逆变器输出电压符合工频正弦规律变化。

(3)当逆变器输出电压不稳定时，通过PFM控制方法控制第一开关管Q₁的驱动信号，稳定逆变器的输出电压；输出电压采样电路8、第二电流采样电路7分别采集逆变器的输出电压、输出电流信号并送至控制单片机13，经过电压电流反馈控制程序16与给定值比较、数字PID补偿后，对第一开关管Q₁的驱动信号进行PFM控制，若逆变器输出电压幅值不变，则保持第一开关管Q₁既定的调制信号，若逆变器输出电压幅值变大，则发出增大第一开关管Q₁开关频率的信号，若逆变器输出电压幅值变小，则发出减小第一开关管Q₁开关频率的信号，从而稳定逆变器的输出电压幅值；

(4)通过检测第一开关管Q₁开通前其漏源极间的电压是否为零来判断第一开关管Q₁是否实现零电压开通，通过第一中断Ⅰ用PWM控制的方法控制其驱动脉冲宽度来实现第一开关管Q₁的零电压开通，该中断的优先级优于其他中断。在第一开关管Q₁当前驱动信号上升沿到来之前，第二电压采样电路6采集第一开关管Q₁漏源极间的电压信号并送至控制单片机13，若软开关判断程序15判断第一开关管Q₁漏源极间的电压不为零，则第一开关管Q₁没有实现零电压开通，进入中断，减小第一开关管Q₁控制信号的脉冲宽度基准值，保持第二开关管Q₂、第三开关管Q₃的驱动信号不变，第一中断Ⅰ第一返回，等待下一次检测。

(5)当太阳能电池板组件的最大功率点发生偏移时，通过第二中断Ⅱ控制第一开关管Q₁控制信号的占空比，来调节逆变器及负载的等效阻抗与太阳能电池板组件的等效内阻相等，以实现MPPT，第二中断Ⅱ的优先级次于第一中断Ⅰ；第一电压采样电路4、第一电流采样电路5采集到太阳能电池板组件的输出电压、输出电流信号并送至控制单片机13，每隔n秒进入一次第二中断Ⅱ，n的取值由程序设定，MPPT控制程序14在上一次进行MPPT控制时记录的特征信息的基础上继续进行MPPT控制，直至逆变器工作在最大功率点，第二中断Ⅱ返回；

(6)判断逆变器是否需要停止工作，若逆变器需要停止工作，则封锁输出第一开关管Q₁、第二开关管Q₂、第三开关管Q₃的驱动信号；若逆变器不需要停止工作，则重新逆变器输出电压，重复上述步骤，实现逆变器的控制。

本实施例所述单级式光伏离网逆变器的工作过程包括以下阶段：

每工频半个周期内，用PFM、PWM结合的控制方法调制输出电压波形，工频正负半波对称且错开180°，滤波后获得工频220V交流电压波形，以下为每个开关周期的工作过程：

t₀-t₁时段：在t₀时刻，第一开关管Q₁的驱动电压U_gs1变为高电平，此时原边电感L_P的电流为负，第一开关管Q₁不导通，原边电感L_P通过续流二极管D_Q1和电容C_i续流，第一开关管Q₁漏源极间的电压为0，到t₁时刻，原边电感L_P的电流变为0，第一开关管Q₁导通，第一开关管Q₁实现零电压开通，此时段第一副边电感L_S1和第一高频整流二极管D₁工作或者是第三副边电感L_S3和第三高频整流二极管D₃工作；

t₁-t₂时段：输入电压U_i为原边电感L_P充电，原边电感L_P的电流逐渐增加，到t₂时刻，第一开关管Q₁的驱动电压U_gs1变为低电平，第一开关管Q₁关断，此时段第一副边电感L_S1和第一高频整流二极管D₁工作或者是第三副边电感L_S3和第三高频整流二极管D₃工作；

t₂-t₃时段：谐振电容C_r为原边电感L_P充电，原边电感L_P的电流继续增加，到t₃时刻，谐振电容C_r的电压降为0，原边电感L_P的电流增加到最大，此时段第一副边电感L_S1和第一高频整流二极管D₁工作或者是第三副边电感L_S3和第三高频整流二极管D₃工作，第一副边电感L_S1或第三副边电感L_S3两端电压幅值降低；

t₃-t₄时段：原边电感L_P反向为谐振电容C_r充电，谐振电容C_r的电压反向增大，到t₄时刻，原边电感L_P的电流下降为0，谐振电容C_r的电压反向增加到最大，此时段第二副边电感L_S2和第二高频整流二极管D₂工作或者是第四副边电感L_S4和第四高频整流二极管D₄工作，第二副边电感L_S2或第四副边电感L_S4两端电压幅值升高；

t₄-t₅时段：谐振电容C_r为原边电感L_P反向充电，到t₅时刻，谐振电容C_r的电压变为0，原边电感L_P的电流反向增加到最大，此时段第二副边电感L_S2和第二高频整流二极管D₂工作或者是第四副边电感L_S4和第四高频整流二极管D₄工作，第二副边电感L_S2或第四副边电感L_S4两端电压幅值降低；

t₅-t₆时段：原边电感L_P为谐振电容C_r反向充电，谐振电容C_r的电压逐渐增加，到t₆时刻，谐振电容C_r的电压增加到与电容C_i的电压相等，第一开关管Q₁漏源极间的电压为0，此时段第一副边电感L_S1和第一高频整流二极管D₁工作或者是第三副边电感L_S3和第三高频整流二极管D₃工作，第一副边电感L_S1或第三副边电感L_S3两端电压幅值升高；

t₆-t₇时段：原边电感L_P通过续流二极管D_Q1和电容C_i续流，第一开关管Q₁漏源极间的电压为0，到t₇时刻，第一开关管Q₁的驱动电压U_gs1变为高电平，此时原边电感L_P的电流为负，第一开关管Q₁不导通，此时段第一副边电感L_S1和第一高频整流二极管D₁工作或者是第三副边电感L_S3和第三高频整流二极管D₃工作。

Claims (2)

1.一种单级式光伏离网逆变器，其特征在于主体结构包括反向截止二极管、电容、谐振电容、第一开关管、续流二极管、高频变压器、第一高频全波整流电路、第二高频全波整流电路、第二开关管、第三开关管、滤波电容、滤波电感、第一电压采样电路、第一电流采样电路、第二电压采样电路、第二电流采样电路、输出电压采样电路、反激电源、控制单片机、第一驱动电路、第二驱动电路和第三驱动电路；输入电压经过反向截止二极管并由电容滤波之后作为后面电路的输入，其中，输入电压为太阳能电池板组件的输出电压，反向截止二极管用于防止反向电流流向太阳能电池板组件，电容用于吸收高频变压器原边电感回馈的能量，同时起到滤波作用；高频变压器的原边电感、谐振电容、第一开关管、续流二极管电连接组成单管谐振电路，用于将滤波后的直流电逆变成高频交流电；高频变压器由原边电感、磁芯、第一副边电感、第二副边电感、第三副边电感、第四副边电感连接组成，其中，磁芯为带有气隙的磁芯，原边电感与第一副边电感、原边电感与第二副边电感、原边电感与第三副边电感、原边电感与第四副边电感的耦合系数均为0.5-0.9，第一副边电感与第三副边电感的绕制完全相同，第二副边电感与第四副边电感的绕制完全相同，高频交流电施加在高频变压器原边电感两端，在高频变压器副边感应出正负幅值不对称的高频交流电压；单管谐振电路和高频变压器用于将能量从原边传递到副边；第一高频全波整流电路由第一副边电感、第二副边电感、第一高频整流二极管、第二高频整流二极管电连接组成，用于对变压器副边的高频交流电进行整流；第二高频全波整流电路由第三副边电感、第四副边电感、第三高频整流二极管、第四高频整流二极管电连接组成，用于对变压器副边的高频交流电进行整流；第二开关管和第三开关管交替导通，用于实现工频逆变，其中第二开关管在工频正半周期内导通，第三开关管在工频负半周期内导通；滤波电容和滤波电感电连接组成滤波电路，用于对第二开关管和第三开关管工频逆变后的高频交流电进行滤波，滤除高频谐波获得工频220V交流电；第一电压采样电路采集太阳能电池板组件的输出电压信号并送至控制单片机，第一电流采样电路采集太阳能电池板组件的输出电流信号送至控制单片机，控制单片机接收到采集来的太阳能电池板组件的输出电压和电流信号进行MPPT控制；第二电压采样电路采集第一开关管漏源极间的电压信号并送至控制单片机，在第一开关管当前驱动信号上升沿到来之前，检测第一开关管漏源极间的电压是否为零来判断当前第一开关管是否实现零电压开通；第二电流采样电路采集逆变器的输出电流信号并送至控制单片机，输出电压采样电路采集逆变器的输出电压信号并送至控制单片机，控制单片机接收到采集来的逆变器的输出电流和输出电压信号进行电压电流反馈控制；反激电源将太阳能电池板组件的输出电压降至三路相互隔离的+12V输出和一路+5V输出，第一路+12V输出的负极与太阳能电池板组件的负极电连接，为第一驱动电路驱动侧供电；第二路+12V输出的负极与第二开关管源极电连接，为第二驱动电路驱动侧供电；第三路+12V输出的负极与第三开关管源极电连接，为第三驱动电路驱动侧供电；+5V输出的负极与太阳能电池板组件的负极电连接，为控制单片机、输出电压采样电路输出侧、输出电压采样电路直流偏置、第一驱动电路控制信号侧、第二驱动电路控制信号侧、第三驱动电路控制信号侧供电；控制单片机接收到第一电压采样电路、第一电流采样电路、第二电压采样电路、第二电流采样电路、输出电压采样电路采集的电压电流信号，经由MPPT控制程序、软开关判断程序、电压电流反馈控制程序和PWM+PFM控制程序共同生成第一开关管、第二开关管、第三开关管的控制信号，控制信号分别送至第一驱动电路、第二驱动电路、第三驱动电路；第一驱动电路接收到控制单片机发来的第一开关管控制信号后经放大驱动第一开关管；第二驱动电路接收到控制单片机发来的第二开关管控制信号后经放大驱动第二开关管；第三驱动电路接收到控制单片机发来的第三开关管控制信号后经放大驱动第三开关管。

2.一种如权利要求1所述单级式光伏离网逆变器的控制方法，其特征在于具体控制过程包括以下步骤：

(1)电路上电，单片机程序初始化，第一开关管采用脉冲宽度调制PWM与PFM相结合的方式软启动、即给定第一开关管的初始开关频率与初始导通时间，让第二开关管和第三开关管按工频交替导通，使逆变器输出电压峰值达到311V；

(2)软启动完成后，检测逆变器的输出电压和电流信号，控制单片机根据输出电压采样电路和第二电流采样电路采集到的逆变器输出电压和电流信号，调整第一开关管的调制信号，让第二开关管和第三开关管按工频半波交替导通，则逆变器输出电压按照工频220V交流电压的规律变化；逆变器输出电压的频率由单片机程序设定，逆变器输出电压的正弦波调制按照面积等效原理进行，当逆变器输出工频电压处于过零点前后相等的时间内时，固定第一开关管每一个开关周期驱动信号的频率与占空比，通过改变接通周波数与断开周波数的比值来调节逆变器的输出，以减小电压畸变率；当逆变器输出工频电压处于其他时间段时，通过PFM、PWM相结合的方式控制第一开关管驱动信号的频率与占空比，使逆变器输出电压符合工频正弦规律变化；

(3)当逆变器输出电压不稳定时，通过PFM控制方法控制第一开关管的开关频率，稳定逆变器的输出电压。输出电压采样电路、第二电流采样电路采集到逆变器的输出电压、输出电流信号并送至控制单片机，经过电压电流反馈控制程序与给定值比较、数字PID补偿后，对第一开关管的开关频率进行PFM控制，若逆变器输出电压幅值不变，则保持第一开关管既定的调制信号，若逆变器输出电压幅值变大，则发出增大第一开关管开关频率的信号，若逆变器输出电压幅值变小，则发出减小第一开关管开关频率的信号，从而稳定逆变器的输出电压幅值；

(4)通过检测第一开关管开通前其漏源极间的电压是否为零来判断第一开关管是否实现零电压开通，通过第一中断用PWM控制的方法控制其驱动脉冲宽度来实现第一开关管的零电压开通，第一中断的优先级优于其他中断；在第一开关管当前驱动信号上升沿到来之前，第二电压采样电路采集第一开关管漏源极间的电压信号并送至控制单片机，若软开关判断程序判断第一开关管漏源极间的电压不为零，则第一开关管没有实现零电压开通，进入中断，减小第一开关管控制信号的脉冲宽度基准值，保持第二开关管、第三开关管的驱动信号不变，第一中断返回，等待下一次检测；

(5)当太阳能电池板组件的最大功率点发生偏移时，通过第二中断控制第一开关管控制信号的占空比，来调节逆变器及负载的等效阻抗与太阳能电池板组件的等效内阻相等，以实现MPPT，第二中断的优先级次于第一中断；第一电压采样电路、第一电流采样电路采集到太阳能电池板组件的输出电压、输出电流信号并送至控制单片机，每隔n秒进入一次第二中断，n的取值由单片机程序设定，MPPT控制程序在上一次进行MPPT控制时记录的特征信息的基础上继续进行MPPT控制，直至逆变器工作在最大功率点，第二中断返回；

(6)判断逆变器是否需要停止工作，若逆变器需要停止工作，则封锁输出第一开关管、第二开关管、第三开关管的驱动信号；若逆变器不需要停止工作，则重新逆变器输出电压，重复上述步骤，实现逆变器的控制。