CN108736699A - 一种抑制光伏逆变器漏电流的电路 - Google Patents

一种抑制光伏逆变器漏电流的电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抑制光伏逆变器漏电流的电路，包括由四个开关管组成的H4逆变桥、两个逆变电感、输出滤波器和两个续流二极管，其中：所述H4逆变桥输入端连接着光伏电池板PV的正负端，所述H4逆变桥输出端的正负端上各设置有一个逆变电感，所述H4逆变桥的输出端通过逆变电感连接着输出滤波器，所述两个续流二极管一端与PV的负端相连接，另一端分别接入至所述两个逆变电感输出端的正负线路上。本发明通过两个续流二极管的作用，使得共模电压Ucm大幅度减小，其所相应的漏电流Icm会减小，从而能有效抑制原有H4桥光伏逆变器上的漏电流产生，而且每个逆变电感只流过半个工频周期的高频电流，相应会减小逆变电感的损耗。

Description

一种抑制光伏逆变器漏电流的电路
技术领域
本发明涉电子技术领域，尤其涉及到一种抑制光伏逆变器漏电流的电路。
背景技术
通常为了提高光伏逆变器的发电效率，光伏逆变器采用非隔离的方案，对于非隔离型光伏并网逆变器，由于逆变器和电网之间没有电气隔离，且光伏面板对大地有存在较大的寄生电容，在逆变器高频开关的作用下，会产生比较大的漏电流。
图1为传统的H4桥光伏逆变器结构示意图，其由四个开关管(S1、S2、S3、S4)组成的H4逆变桥，还包括两个逆变电感(L1、L2)和输出滤波器，输出滤波器包括EMI滤波电路等，光伏面板对地有寄生电容为Cp，当采用单极性开关调制策略时，光伏面板负端对电网N线，即寄生电容Cp上，会产生一个共模电压Ucm，共模电压波形如图2所示。
根据共模电流的公式：大的共模电压抖动会带来严重的漏电流问题。
为了抑制漏电流，通常的方法有：
1、增大输出EMI滤波器里的共模电感，以增加共模阻抗，此方法会增加成本，但对地漏电流为一个电流源，采用增加阻抗的方式效果不佳。
2、采用双极性调制方式，此方法可以解决漏电流问题，但会严重影响逆变器的效率。
3、采用H5桥或是H6桥，此两种拓扑存在需要多一个开关管或是两个开关管，相应需要多一组驱动电路或是两组驱动电路，增加了电路成本和复杂性。
对于方法3，虽然多出一个或两个开关管增加了电路成本和复杂性，但由于H5桥和H6桥逆变器能够减小电路工作时的开关损耗，相对于传统的H4桥逆变器，提升了逆变器的效率，因此这两个电路在现有的光伏逆变器中被大量应用。而此前H4桥由于存在严重的漏电流问题，且相对于H5桥和H6桥效率没有优势，应用场合比较少。
因此，亟需一种能解决光伏逆变器采用H4逆变桥时漏电流过大问题的电路。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供了一种抑制光伏逆变器漏电流的电路，可在不显著增加成本的情况下，抑制光伏逆变器对地漏电流。
本发提供了一种抑制光伏逆变器漏电流的电路，所述电路包括由四个开关管组成的H4逆变桥、两个逆变电感、输出滤波器和两个续流二极管，其中：所述H4逆变桥输入端连接着光伏电池板PV的正负端，所述H4逆变桥输出端的正负端上各设置有一个逆变电感，所述H4逆变桥的输出端通过逆变电感连接着输出滤波器，所述两个续流二极管一端与PV的负端相连接，另一端分别接入至所述两个逆变电感输出端的正负线路上。
所述4个开关管为金属氧化层半导体场效应晶体管MOSFET、绝缘栅双极型晶体管IGBT、碳化硅MOS SIC MOS、氮化镓MOS GaN MOS中的一种或者组合。
所述两个续流二极管的另一端分别接入至所述两个逆变电感和所述输出滤波器之间的正负线路上。
所述两个续流二极管的另一端分别接入至所述输出滤波器输出端的正负线路上。
所述输出滤波器包括由共模电感、X电容、Y电容组合组成的EMI滤波电路。
所述两个逆变电感只流过半个工频周期的高频电流，如图8所示。
所述两个续流二极管的正极端与PV的负端相连接。
所述电路还包括一软开关单元，所述软开关单元用于实现H4逆变桥的软开关功能。
本发明实施例采用单极性调制方式，采用两个续流二极管后，使得在光伏面板负端对电网N线产生的共模电压Ucm大幅度减小，其所相应的漏电流Icm会减小，从而能有效抑制原有H4桥光伏逆变器上的漏电流产生，不需要增大输出EMI滤波器中的共模电感，减少相应的成本改造，也不需要改变H4桥光伏逆变器的逆变桥结构就可以实现，整体性能简单，电路改造也简单。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是现有技术中的H4桥光伏逆变器结构示意图；
图2是现有技术中的H4桥光伏逆变器所产生共模电压波形示意图；
图3是本发明中的H4桥光伏逆变器的第一实施例结构示意图；
图4是本发明中的H4桥光伏逆变器的第二实施例结构示意图；
图5是本发明中的H4桥光伏逆变器的第三实施例结构示意图；
图6是本发明中的H4桥光伏逆变器的第四实施例结构示意图；
图7是本发明实施例中的H4桥光伏逆变器所产生共模电压波形示意图。
图8是本发明实施例中的H4桥光伏逆变器工作时流过逆变电感的电流波形示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例中所涉及的光伏逆变器包括由四个开关管组成的H4逆变桥、两个逆变电感、输出滤波器和两个续流二极管，其中：所述H4逆变桥输入端连接着太阳能电池板(PV)的正负端，所述H4逆变桥输出端的正负端上各设置有一个逆变电感，所述H4逆变桥的输出端通过逆变电感连接着输出滤波器，所述两个续流二极管一端与太阳能电池板的负端相连接，另一端分别接入至所述两个逆变电感输出端的正负线路上。
实施例一
图3示出了本发明实施例中的光伏逆变器第一实施例结构示意图，该光伏逆变器包括：光伏逆变器包括由四个开关管(S1、S2、S3、S4)组成的H4逆变桥、两个逆变电感(L1、L2)、输出滤波器和两个续流二极管(D1、D2)，其中：H4逆变桥输入端连接着太阳能电池板(PV)的正负端，该H4逆变桥输出端的正负端上各设置有一个逆变电感即逆变电感(L1)和逆变电感(L2)，该H4逆变桥的输出端通过逆变电感连接着输出滤波器，该两个续流二极管(D1、D2)的正极端与太阳能电池板(PV)的负端相连接，两个续流二极管(D1、D2)的负极端分别接入至两个逆变电感和输出滤波器之间的正负线路上，即续流二极管(D1)的负极端接入逆变电感(L1)至输入滤波器上的线路上，续流二极管(D2)的负极端接入逆变电感(L2)至输入滤波器的线路上。
需要说明的是，这里的4个开关管(S1、S2、S3、S4)为金属氧化层半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、碳化硅MOS(SIC MOS)、氮化镓MOS(GaN MOS)中的一种或者组合。比如开关管S1、S2、S3、S4都采用MOSFET，或者IGBT，或者SIC MOS，或者GaNMOS；开关管S1采用MOSFET，S2采用IGBT，S3采用SIC MOS，S4采用GaN MOS；S1和S2采用IGBT，S3采用SIC MOS，S4采用GaN MOS等等。
需要说明的是，这里的两个逆变电感(L1、L2)只流过半个工频周期的高频电流，如图8所示，逆变电感的损耗得到减小。输出滤波器包括由共模电感、X电容、Y电容组合组成的EMI滤波电路。
实施例二
图4示出了本发明实施例中的光伏逆变器第二实施例结构示意图，该光伏逆变器包括：光伏逆变器包括由四个开关管(S1、S2、S3、S4)组成的H4逆变桥、两个逆变电感(L1、L2)、输出滤波器和两个续流二极管(D1、D2)，其中：H4逆变桥输入端连接着太阳能电池板(PV)的正负端，该H4逆变桥输出端的正负端上各设置有一个逆变电感即逆变电感(L1)和逆变电感(L2)，该H4逆变桥的输出端通过逆变电感连接着输出滤波器，该两个续流二极管(D1、D2)的正极端与太阳能电池板(PV)的负端相连接，两个续流二极管(D1、D2)的负极端分别接入至输出滤波器输出端的正负线路上，即续流二极管(D1)的负极端接入输入滤波器至电网L线的线路上，续流二极管(D2)的负极端接入输入滤波器至电网N线的线路上。
需要说明的是，这里的4个开关管(S1、S2、S3、S4)为金属氧化层半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、碳化硅MOS(SIC MOS)、氮化镓MOS(GaN MOS)中的一种或者组合。比如开关管S1、S2、S3、S4都采用MOSFET，或者IGBT，或者SIC MOS，或者GaNMOS；开关管S1采用MOSFET，S2采用IGBT，S3采用SIC MOS，S4采用GaN MOS；S1和S2采用IGBT，S3采用SIC MOS，S4采用GaN MOS等等。
需要说明的是，这里的两个逆变电感(L1、L2)只流过半个工频周期的高频电流，如图8所示，逆变电感的损耗得到减小。输出滤波器包括由共模电感、X电容、Y电容组合组成的EMI滤波电路。实施例三
图5示出了本发明实施例中的光伏逆变器第三实施例结构示意图，该电路包括：由四个开关管(S1、S2、S3、S4)组成的H4逆变桥、两个逆变电感(L1、L2)、输出滤波器和两个续流二极管(D1、D2)，其中：H4逆变桥输入端连接着太阳能电池板(PV)的正负端，该H4逆变桥输出端的正负端上各设置有一个逆变电感即逆变电感(L1)和逆变电感(L2)，该H4逆变桥的输出端通过逆变电感连接着输出滤波器，该两个续流二极管(D1、D2)的正极端与PV的负端相连接，两个续流二极管(D1、D2)的负极端分别接入至两个逆变电感和输出滤波器之间的正负线路上，即续流二极管(D1)的负极端接入逆变电感(L1)至输入滤波器上的线路上，续流二极管(D2)的负极端接入逆变电感(L2)至输入滤波器的线路上。该电路还包括一辅助实现软开关单元，该软开关单元位于H4逆变桥的正极输入端的线路上，实现H4逆变桥的软开关，提升H4逆变桥的效率。随着软开关技术的兴起，在H4桥逆变器中应用软开关技术，可以在不影响效率的情况下大幅度提高电路的工作频率，采用软开关技术的H4桥逆变器，不管是体积和重量还是效率，相对于H5桥和H6桥都有明显的优势。
需要说明的是，这里的4个开关管(S1、S2、S3、S4)为金属氧化层半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、碳化硅MOS(SIC MOS)、氮化镓MOS(GaN MOS)中的一种或者组合。比如开关管S1、S2、S3、S4都采用MOSFET，或者IGBT，或者SIC MOS，或者GaNMOS；开关管S1采用MOSFET，S2采用IGBT，S3采用SIC MOS，S4采用GaN MOS；S1和S2采用IGBT，S3采用SIC MOS，S4采用GaN MOS等等。
需要说明的是，这里的两个逆变电感(L1、L2)只流过半个工频周期的高频电流，如图8所示，逆变电感的损耗得到减小。输出滤波器包括由共模电感、X电容、Y电容组合组成的EMI滤波电路。
实施例四
图6示出了本发明实施例中的第四实施例结构示意图，该电路包括：由四个开关管(S1、S2、S3、S4)组成的H4逆变桥、两个逆变电感(L1、L2)、输出滤波器和两个续流二极管(D1、D2)，其中：H4逆变桥输入端连接着太阳能电池板(PV)的正负端，该H4逆变桥输出端的正负端上各设置有一个逆变电感即逆变电感(L1)和逆变电感(L2)，该H4逆变桥的输出端通过逆变电感连接着输出滤波器，该两个续流二极管(D1、D2)的正极端与PV的负端相连接，两个续流二极管(D1、D2)的负极端分别接入至输出滤波器输出端的正负线路上，即续流二极管(D1)的负极端接入输入滤波器至电网L线的线路上，续流二极管(D2)的负极端接入输入滤波器至电网N线的线路上。该电路还包括一辅助实现软开关单元，该软开关单元位于H4逆变桥的正极输入端的线路上，实现H4逆变桥的软开关，提升H4逆变桥的效率。随着软开关技术的兴起，在H4桥逆变器中应用软开关技术，可以在不影响效率的情况下大幅度提高电路的工作频率，采用软开关技术的H4桥逆变器，不管是体积和重量还是效率，相对于H5桥和H6桥都有明显的优势。
需要说明的是，这里的4个开关管(S1、S2、S3、S4)为金属氧化层半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、碳化硅MOS(SIC MOS)、氮化镓MOS(GaN MOS)中的一种或者组合。比如开关管S1、S2、S3、S4都采用MOSFET，或者IGBT，或者SIC MOS，或者GaNMOS；开关管S1采用MOSFET，S2采用IGBT，S3采用SIC MOS，S4采用GaN MOS；S1和S2采用IGBT，S3采用SIC MOS，S4采用GaN MOS等等。
需要说明的是，这里的两个逆变电感(L1、L2)只流过半个工频周期的高频电流，如图8所示，逆变电感的损耗得到减小。输出滤波器包括由共模电感、X电容、Y电容组合组成的EMI滤波电路。
基于图3至图6所示的实施例一至实施例四，本发明采用单极性调制方式，光伏面板负端对电网N线产生一个共模电压Ucm，其Ucm如图3所示，相对于图2，可明显看出Ucm大幅度减小，相应的漏电流Icm会减小。
与图1所示的电路结构相比，本电路能有效抑制漏电流，实际测试中，在光伏面板对地有10nF寄生电容情况下，传统H4桥逆变器的漏电流有效值可达0.8A，而应用本电路的逆变器，漏电流只有0.06A，不到十分之一。
综上，本发明实施例采用单极性调制方式，采用两个续流二极管后，使得在光伏面板负端对电网N线产生的共模电压Ucm大幅度减小，其所相应的漏电流Icm会减小，从而能有效抑制原有H4桥光伏逆变器上的漏电流产生，不需要增大输出EMI滤波器中的共模电感，减少相应的成本改造，也不需要改变H4桥光伏逆变器的逆变桥结构就可以实现，整体性能简单，电路改造也简单。
以上对本发明实施例所提供的光伏逆变器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。

Claims (8)

1.一种抑制光伏逆变器漏电流的电路，其特征在于，所述电路包括由四个开关管组成的H4逆变桥、两个逆变电感、输出滤波器和两个续流二极管，其中：所述H4逆变桥输入端连接着光伏电池板PV的正负端，所述H4逆变桥输出端的正负端上各设置有一个逆变电感，所述H4逆变桥的输出端通过逆变电感连接着输出滤波器，所述两个续流二极管一端与PV的负端相连接，另一端分别接入至所述两个逆变电感输出端的正负线路上。
2.如权利要求1所述的抑制光伏逆变器漏电流的电路，其特征在于，所述4个开关管为金属氧化层半导体场效应晶体管MOSFET、绝缘栅双极型晶体管IGBT、碳化硅MOS SIC MOS、氮化镓MOS GaN MOS中的一种或者组合。
3.如权利要求1所述的抑制光伏逆变器漏电流的电路，其特征在于，所述两个续流二极管的另一端分别接入至所述两个逆变电感和所述输出滤波器之间的正负线路上。
4.如权利要求1所述的抑制光伏逆变器漏电流的电路，其特征在于，所述两个续流二极管的另一端分别接入至所述输出滤波器输出端的正负线路上。
5.如权利要求1所述的抑制光伏逆变器漏电流的电路，其特征在于，所述输出滤波器包括由共模电感、X电容、Y电容组合组成的EMI滤波电路。
6.如权利要求1所述的抑制光伏逆变器漏电流的电路，其特征在于，所述两个逆变电感只流过半个工频周期的高频电流。
7.如权利要求1所述的抑制光伏逆变器漏电流的电路，其特征在于，所述两个续流二极管的正极端与太阳能电池板的负端相连接。
8.如权利要求1至7任一项所述的抑制光伏逆变器漏电流的电路，其特征在于，所述电路还包括一软开关单元，所述软开关单元用于实现H4逆变桥的软开关功能。
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