CN116131620A - 一种具有高功率因数的交错并联无源缓冲反激逆变器拓扑电路 - Google Patents

一种具有高功率因数的交错并联无源缓冲反激逆变器拓扑电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有高功率因数的交错并联无源缓冲反激逆变器拓扑电路，包括依次并联的带滤波电容的太阳能光伏阵列、带无源缓冲结构的交错并联反激电路、直流‑交流逆变电路、带滤波电路的并网电路；所述带无源缓冲的交错并联反激电路采用交错并联结构，具有输入输出纹波更小以及输入输出滤波器的体积也更小的优点。所述无源缓冲电路包括一个谐振电感与两个谐振电容、两个谐振二极管和两个滤波电容，具有缓冲、复位及能量传递的功能，同时谐振电感与滤波电容能够起到功率因数矫正的作用。本发明无源缓冲技术具有高功率因数、低损耗、高效率、低开关应力等优点，保证了微型光伏系统安全可靠的工作。

Description

一种具有高功率因数的交错并联无源缓冲反激逆变器拓扑电路
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种具有高功率因数的交错并联无源缓冲反激逆变器拓扑电路。
背景技术
清洁能源的需求日益广泛，光伏能源在这一方面具有极大的优势。故而光伏并网技术中的能源转换设备居于重要的作用，主要使用逆变器来实现太阳能产生的直流电转变为电网同频同相的交流电。反激逆变器结构简单、元器件少、具备电气隔离，在DC/DC变换中得到广泛应用。
反激逆变器最重要的器件是反激变压器，由于其气隙以及绕制工艺的原因存在较大的漏感，引起的损耗占总损耗比重较大，同时还会引起较大的主开关管关断应力，这不仅会增加系统的电磁干扰，同时还会降低系统的效率，严重情况下甚至会损坏系统的开关器件，使得系统无法正常工作。目前，对于反激变压器漏感能量的处理的无源缓冲技术主要有RCD钳位电路、双晶体管钳位电路和LCD钳位电路等。带RCD钳位电路的反激式微型逆变器，主开关管关断时，其漏源极电压被钳位电容钳位，漏感能量也流入钳位电路，并最终消耗在钳位电阻上，因而系统效率较低。双晶体管形式的反激式微型逆变器，可以降低开关管的电压应力，使每个开关管的电压应力都不超过输入电压，适用于输入电压较高的场合，同时变压器漏感的能量得以回馈到电网中，无漏感能量的损耗，系统的效率较高，但是系统所需的器件数量较多。带LCD钳位电路的反激式微型逆变器，变压器漏感的能量无损耗地回馈到电网，但是LC的谐振电流会增加开关管的电流应力以及导通损耗。
现有无源缓冲反激逆变器电路存在高损耗、低效率、高开关应力、低功率因数等问题，所以现有的无源缓冲技术还有待改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有高功率因数的交错并联无源缓冲反激逆变器拓扑电路，能够解决现有无源缓冲技术存在的高损耗、低效率、高开关应力、低功率因数等问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种具有高功率因数的交错并联无源缓冲反激逆变器拓扑电路，包括依次并联的带滤波电容的太阳能光伏阵列、带无源缓冲结构的交错并联反激电路、直流-交流逆变电路、带滤波电路的并网电路；
所述带无源缓冲结构的交错并联反激电路包括第一反激电路、第二反激电路、一个谐振电感L，第一反激电路与第二反激电路交错并联；
所述第一反激电路包括第一无源缓冲电路、第一反激变压器、第一主功率开关管、第一输出整流二极管D1和第一输出滤波电容C1；
所述第二反激电路包括第二无源缓冲电路、第二反激变压器、第二主功率开关管、第二输出整流二极管D2和第二输出滤波电容C2；
所述第一反激电路与第二反激电路均通过所述谐振电感L连接在所述太阳能光伏阵列的滤波电容正端。
在本发明一个较佳实施例中，所述第一无源缓冲电路包括第一谐振电容Cs1、第一谐振二极管Da1和第一输入滤波电容Cf1；所述第一反激变压器包括第一变压器T1、第一漏感L11、第一励磁电感Lm1；所述第一主功率开关管包括第一开关管Q1和第一等效电容Cc1。
在本发明一个较佳实施例中，所述第二无源缓冲电路包括第二谐振电容Cs2、第二谐振二极管Da2和第二输入滤波电容Cf2；所述第二反激变压器包括第二变压器T2、第二漏感L12、第二励磁电感Lm2；所述第二主功率开关管包括第二开关管Q2和第二等效电容Cc2。
在本发明一个较佳实施例中，所述直流-交流逆变电路由四个开关管S1～S4构成。
在本发明一个较佳实施例中，所述并网电路包括输出滤波电感Lf、输出滤波电容Cf和电网Grid，输出滤波电感Lf、输出滤波电容Cf组成滤波电路。
本发明的有益效果是：
(1)本发明所述无源缓冲技术具有高功率因数、低损耗、高效率、低开关应力等优点，保证了微型光伏系统安全可靠的工作；
(2)所述第一反激电路和第二反激电路采用交错并联结构，将两个独立的单端反激电路的输入输出侧分别并联，这两个独立的单端反激电路的参数完全相同，采用的控制策略也相同，只是将两路的控制信号相互错开半个开关周期，可实现完全相同的功能。在采用相同功率等级的光伏电池以及相同主开关频率的条件下，交错反激式电路相对于单端反激式电路而言，前者的等效开关频率是后者的两倍，其输入输出纹波更小，输入输出滤波器的体积也更小；
(3)本发明所述无源缓冲电路包括一个谐振电感L与两个谐振电容Cs1/Cs2、两个谐振二极管Da1/Da2和两个滤波电容Cf1/Cf2，具有缓冲、复位及能量传递的功能，同时谐振电感与滤波电容能够起到功率因数矫正的作用，同时交错反激同时使用一个复位谐振电感L，提高了器件利用率和功率因数。
附图说明
图1是本发明具有高功率因数的交错并联无源缓冲反激逆变器拓扑电路图；
图2是本发明所述电路在缓冲过程的电路原理图；
图3是本发明所述电路在释放储能过程的电路原理图；
图4是本发明所述电路在复位过程的电路原理图。
附图中各部件的标记如下：10、带滤波电容的太阳能光伏阵列，20、带无源缓冲的交错并联反激电路，201、第一反激电路，202、第二反激电路，30、直流-交流逆变电路，40、带滤波电路的并网电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
请参阅图1，本发明实施例包括：
一种具有高功率因数的交错并联无源缓冲反激逆变器拓扑电路，包括依次并联的带滤波电容的太阳能光伏阵列10、带无源缓冲结构的交错并联反激电路20、直流-交流逆变电路30、带滤波电路的并网电路40；所述带滤波电容的太阳能光伏阵列10的输出端通过与其并联的滤波电容C与所述带无源缓冲的交错并联反激电路20相连，所述带无源缓冲的交错并联反激电路20的输出端与所述直流-交流的逆变电路30相连，所述直流-交流的逆变电路30的输出端与带滤波电路的并网电路40相连。
所述第一反激电路201包括第一无源缓冲电路、第一反激变压器、第一主功率开关管、第一输出整流二极管D1和第一输出滤波电容C1。所述第一无源缓冲电路包括第一谐振电容Cs1、第一谐振二极管Da1和第一输入滤波电容Cf1；所述第一反激变压器包括第一变压器T1、第一漏感L11、第一励磁电感Lm1；所述第一主功率开关管包括第一开关管Q1和第一等效电容Cc1。
所述第二反激电路202包括第二无源缓冲电路、第二反激变压器、第二主功率开关管、第二输出整流二极管D2和第二输出滤波电容C2。所述第二无源缓冲电路包括第二谐振电容Cs2、第二谐振二极管Da2和第二输入滤波电容Cf2；所述第二反激变压器包括第二变压器T2、第二漏感L12、第二励磁电感Lm2；所述第二主功率开关管包括第二开关管Q2和第二等效电容Cc2。
所述第一谐振二极管Da1阳极和第二谐振二极管Da2阳极均通过所述谐振电感L连接在所述太阳能光伏阵列的滤波电容C正端。所述第一开关管Q1和第二开关管Q2的源极均连接在所述太阳能光伏阵列的滤波电容C负端。
参阅图1，各模块电路的电路元器件及其连接关系如图所示。所述第一谐振二极管Da1阴极与所述第一变压器T1原边绕组的同名端连接。所述第二谐振二极管Da2阴极与所述第二变压器T2原边绕组的同名端连接。所述第一开关管Q1的漏极与所述第一变压器T1原边绕组的非同名端相连，所述第二开关管Q2的漏极与所述第二变压器T2原边绕组的非同名端相连。
所述第一谐振电容Cs1两端连接在所述第一谐振二极管Da1阳极和所述第一变压器T1原边绕组的非同名端之间。所述第二谐振电容Cs2两端连接在所述第二谐振二极管Da2阳极和所述第二变压器T2原边绕组的非同名端之间。
所述第一输入滤波电容Cf1两端连接在所述第一谐振二极管Da1阴极和所述第一开关管Q1的源极之间。所述第二输入滤波电容Cf2两端连接在所述第二谐振二极管Da2阴极和所述第二开关管Q2的源极之间。
所述第一输出整流二极管D1的阳极与所述第一变压器T1副边绕组的非同名端相连，所述第二输出整流二极管D2的阳极与所述第二变压器T2副边绕组的非同名端相连。所述第一输出滤波电容C1两端连接在所述第一输出整流二极管D1的阴极和第一变压器T1副边绕组的同名端之间。所述第二输出滤波电容C2两端连接在所述第二输出整流二极管D2的阴极和第二变压器T2副边绕组的同名端之间。
所述第一反激电路和第二反激电路采用交错并联结构，将两个独立的单端反激电路的输入输出侧分别并联，这两个独立的单端反激电路的参数完全相同，采用的控制策略也相同，只是将两路的控制信号相互错开半个开关周期，可实现完全相同的功能。在采用相同功率等级的光伏电池以及相同主开关频率的条件下，交错反激式电路相对于单端反激式电路而言，前者的等效开关频率是后者的两倍，其输入输出纹波更小，输入输出滤波器的体积也更小。
所述直流-交流逆变电路30由四个开关管S1～S4构成。
所述并网电路40包含输出滤波电感Lf、输出滤波电容Cf和电网Grid，输出滤波电感Lf、输出滤波电容Cf组成滤波电路。
无源缓冲技术工作过程包含三个阶段：缓冲过程、释放储能过程和复位过程。
缓冲过程开始时，谐振电容器Cs1/Cs2上的电压方向为左正右负(图1视角)，控制主功率开关管Q1/Q2关断时，变压器T1/T2原边绕组的电流转移到主功率开关管Q1/Q2漏源间的等效电容Cc1/Cc2上，开关管Q1/Q2电流下降，开关管Q1/Q2漏源间等效电容Cc1/Cc2上的电流上升，当其电压不断上升促使缓冲二极管Da1/Da2导通，变压器T1/T2原边绕组的电流流过谐振电容器Cs1/Cs2，直到缓冲过程结束，此时谐振电容器Cs1/Cs2上的电压方向变成左负右正(图1视角)。同时，谐振电感L的电流会通过谐振二极管Da1/Da2后流入输入滤波电容器Cf1/Cf2。
当谐振电容器Cs1/Cs2两端的电压上升到稳压电源输出电压反射到变压器T1/T2初级绕组的电压值后，输出整流二极管D1/D2导通，进入反激变压器释放储能过程，通过原边绕组、副边绕组和整流二极管D1/D2向输出端释放储能。待副边绕组电流降到零，储能释放完毕，输出整流二极管D1/D2自然关断。
为使谐振电容器Cs1/Cs2在下一个开关周期能起作用，需将其完全放电，实现复位。谐振电感L的电流通过导通的主功率开关管Q1/Q2对谐振电容器Cs1/Cs2反向充电，直至谐振电容器Cs1/Cs2两端的电压极性翻转并且达到滤波电容器Cf1/Cf2的电压值，使谐振二极管Db1/Db2导通，将Cs1/Cs2两端的电压钳位于Cf1/Cf2的电压值，复位过程结束。
下面结合图2至图4，以单路举例，说明高功率因数的交错并联无源缓冲反激逆变器的具体工作原理：
以开关管Q1关断为起始点，电路进入缓冲阶段，等效电路示意图如图2所示。谐振电容器Cs1初始电压为左正右负(从图2视角)，电压值为输入滤波电容Cf1电压值。当Q1关断，变压器T1原边绕组的电流由Q1向其漏源间的等效电容Cc1转移，如图2中路径1所示，此时流过Q1的电流下降，流过Cc1的电流上升，如图2中路径2所示。当流过Q1的电流下降到零，T1原边绕组的电流全部转移到Cc1上，关断过程结束。同时输入电流的方向为流经缓冲二极管Da1后流入输入滤波电容器Cf1，如图2中路径3所示。与此同时，T1原边绕组的电流向Cs1转移，Q1漏源极电压开始上升，直至输出整流二极管D1导通，Q1漏源极电压将被钳位，缓冲过程结束。
以输出整流二极管D1开通为起始点，电路进入释放储能阶段，等效电路示意图如图3所示。T1副边绕组、D1向输出端输出能量，如图3中路径1所示，其中C1起滤波作用。T1副边绕组电流降到零时，储能释放完毕，输出整流二极管D1关断。同时输入电流的方向仍为流经缓冲二极管Da1后流入输入滤波电容器Cf1，如图3中路径2所示。
以开关管Q1开通为起始点，电路进入复位阶段，等效电路示意图如图4所示。复位开始时Cs1上电压为左负右正(从图4视角)，需要复位至左正右负。流过谐振电感L的电流通过Q1对Cs1反向充电，直至Cs1两端的电压极性翻转并且达到Cf1电压值，使Da1导通，并将其两端的电压钳位于Cf1的电压值，复位过程结束。同时输入电流经Da1流入Cf1和T1，对T1进行储能。
经过开关管导通、缓冲阶段、释放储能阶段、开关管开通、复位阶段，完成一个周期工作。第一反激电路201工作结束，第二反激电路202开始工作，如此反复，两者电路的工作原理相同。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种具有高功率因数的交错并联无源缓冲反激逆变器拓扑电路，其特征在于，包括依次并联的带滤波电容的太阳能光伏阵列、带无源缓冲结构的交错并联反激电路、直流-交流逆变电路、带滤波电路的并网电路；
所述带无源缓冲结构的交错并联反激电路包括第一反激电路、第二反激电路、一个谐振电感L，第一反激电路与第二反激电路交错并联；
所述第一反激电路包括第一无源缓冲电路、第一反激变压器、第一主功率开关管、第一输出整流二极管D1和第一输出滤波电容C1；
所述第二反激电路包括第二无源缓冲电路、第二反激变压器、第二主功率开关管、第二输出整流二极管D2和第二输出滤波电容C2；
所述第一反激电路与第二反激电路均通过所述谐振电感L连接在所述太阳能光伏阵列的滤波电容正端。
2.根据权利要求1所述的具有高功率因数的交错并联无源缓冲反激逆变器拓扑电路，其特征在于，所述第一无源缓冲电路包括第一谐振电容Cs1、第一谐振二极管Da1和第一输入滤波电容Cf1；所述第一反激变压器包括第一变压器T1、第一漏感L11、第一励磁电感Lm1；所述第一主功率开关管包括第一开关管Q1和第一等效电容Cc1。
3.根据权利要求1所述的具有高功率因数的交错并联无源缓冲反激逆变器拓扑电路，其特征在于，所述第二无源缓冲电路包括第二谐振电容Cs2、第二谐振二极管Da2和第二输入滤波电容Cf2；所述第二反激变压器包括第二变压器T2、第二漏感L12、第二励磁电感Lm2；所述第二主功率开关管包括第二开关管Q2和第二等效电容Cc2。
4.根据权利要求1所述的具有高功率因数的交错并联无源缓冲反激逆变器拓扑电路，其特征在于，所述直流-交流逆变电路由四个开关管S1～S4构成。
5.根据权利要求1所述的具有高功率因数的交错并联无源缓冲反激逆变器拓扑电路，其特征在于，所述并网电路包括输出滤波电感Lf、输出滤波电容Cf和电网Grid，输出滤波电感Lf、输出滤波电容Cf组成滤波电路。
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