CN207053413U - 一种基于新型氮化镓器件的改进型高效光伏离网z源逆变器 - Google Patents
一种基于新型氮化镓器件的改进型高效光伏离网z源逆变器 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型涉及一种基于新型氮化镓器件的改进型高效光伏离网Z源逆变器，采用氮化镓器件来降低整个逆变器由于开关器件产生的损耗造成效率低的问题。电路分为三部分，包括与光伏电池输出端对接的Boost电路拓扑、改进型Z源逆变器拓扑以及与之相连的全桥逆变电路。本实用新型具有如下优点：1、采用将Boost和改进Z源逆变器结合，在传统拓扑上得到了改进，扩大了逆变器的升降压范围，同时提升了电路的能量转化效率；2、采用氮化镓器件来提升逆变器的开关性能，不仅在开关频率和电压上得到了大幅提升，更基于氮化镓器件的快速恢复和开关新能，大大降低了因为开关管带来的损耗，提升逆变系统的效率。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种改进型Z源逆变器，尤其是涉及基于新型氮化镓器件的改进型高效光伏离网Z源逆变器。
背景技术
当前在光伏逆变器设计中，BOOST电路后接全桥逆变电路的结构尤为常见，碍于BOOST将光伏输出进行升压的调节范围有限，因此提出了在其后增加Z源电路以改善其升降压范围。传统的基于Z源的逆变器有诸多优点，如器件少、不需要设置死区时间、减少了输出噪声等，但传统Z源拓扑存在一些缺陷：1)Z源网络电容电压较高，在实现升压功能时电容电压大于输入电压，造成电容体积与成本相对升高；2)变换器存在启动冲击问题，不具有抑制启动冲击的能力，易损坏变换器。为解决这些问题，给出了在传统Z源逆变器拓扑结构基础上的改进型Z源逆变器拓扑，它具有以下优点：1)在同样的占空比下，可以实现更高的升压能力，并且能够减小Z源电容电压应力；2)在实现相同的交流增益条件下，能够减小功率开关器件电压应力，提高逆变器输出的电能质量。本实用新型便是将此改进的Z源拓扑与BOOST电路，全桥逆变电路相结合，构成光伏离网逆变器，在很大程度上提升了系统的升压范围。
在开关器件上，传统的光伏逆变器采用Si MOSFET器件作为开关器件，由于SiMOSFET内置二极管的反向恢复时间长，不能满足高频工作条件。因此为了满足高频工作状态，需要增加额外器件，这必将增加了电路复杂度，另外器件增多，损耗增大，系统功率密度低。
GaN HEMT结构中沟道电子迁移率远大于Si MOSFE，在制备高频器件方面具有天然的优势，基于该结构的电力开关器件上升、下降时间均远小于性能相近的Si MOSFET。GaNHEMT器件具有工作频率高、体积小、功率密度大、通态电阻小、反向恢复特性优良及开关损耗低的优点。同时其低寄生参数、无反向恢复损耗、高开通速度的特点，可降低开关管损耗。
由于采用GaN HEMT器件，使得相同输出功率下，逆变器体积在一定程度上缩小，也减小了器件的杂散参数，提升了高频性能。
实用新型内容
本实用新型主要解决现有逆变升压技术存在的问题：(1)在已有的传统Z源逆变系统设计基础上，提供一种将Boost电路和改进型Z源逆变器结合的结构，将其应用在离网光伏设备上，提升升压范围；(2)与传统Z源逆变器相比，在同样的占空比下，可以实现更高的升压能力，并且能够减小Z源电容电压应力。
本实用新型另一目的是解决现有技术所存在的效率问题：(1)提供一种采用氮化镓器件来降低整个逆变器由于开关器件产生的损耗造成效率低的问题，未使用传统逆变器硅器件外加的快恢复二极管，省了器件和空间。(2)提供的改进型Z源拓扑，相对传统拓扑在实现相同的交流增益条件下，调制因子较高，能够减小功率开关器件电压应力，提高逆变器输出的电能质量。
本实用新型的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决：
一种基于新型氮化镓器件的改进型高效光伏离网Z源逆变器，其特征在于，包括与光伏电池输出端对接的Boost电路拓扑、与Boost电路拓扑连接的改进型Z源逆变器拓扑、以及与改进型Z源逆变器拓扑相连的全桥逆变电路。
在上述的一种基于新型氮化镓器件的改进型高效光伏离网Z源逆变器，所述Boost电路拓扑包括开关管S0、电路电感L1、光伏电池PV滤波电容C1、以及储能电容C0。其中电容C1与光伏电池PV并联，随后其高电位端与电感L1串联，且开关管S0与储能电容C0分别并联在电感L1右侧，电容C0在开关管S0右端。
在上述的一种基于新型氮化镓器件的改进型高效光伏离网Z源逆变器，所述Z源拓扑包括对称电感L2、对称电感L3和对称电感L4、对称电感L5，电容C2、电容C3，和二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D5、二极管D6、二极管D7，分别构成两组开关电感，中间用二极管D4隔断。其中二极管D1和电感L3串联、电感L2与二极管D3串联，随后两支路并联，并通过二极管D2从两者中间连接，构成第一组开关电感结构；二极管D5和电感L5串联、电感L4与二极管D7串联，随后两支路并联，并通过二极管D6从两者中间连接，构成第二组开关电感结构。两组开关电感经过二极管D4串联于BOOST电路输出端。同时电容C2并联于第一组开关电感结构和二极管D4形成的串联结构两端；电容C3并联于二极管D4与第二组开关电感结构形成的串联结构两端。
在上述的一种基于新型氮化镓器件的改进型高效光伏离网Z源逆变器，述全桥逆变电路包括开关管S1、开关管S2、开关管S3、以及开关管S4。其中开关管S1、S2串联，开关管S3、S4串联，两串联支路并联于Z源拓扑输出端和光伏电池低电位两端。最终输出电压从开关管S1、S2串联支路，开关管S3、S4串联支路中间各引出一端。
因此，本实用新型具有如下优点：1、采用将Boost和改进Z源逆变器结合，在传统拓扑上得到了改进，扩大了逆变器的升压范围，同时提升了电路的能量转化效率；2、采用氮化镓器件来提升逆变器的开关性能，不仅在开关频率和电压上得到了大幅提升，更基于氮化镓器件的快速恢复和开关性能，大大降低了因为开关管带来的损耗，提升逆变系统的效率。
附图说明
图1为本实用新型的电路拓扑示意图。
图2为本实用新型中采用的低压增强型GaN HEMT器件意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体说明。
实施例：
如图1所示，电路分为三部分，包括与光伏电池输出端对接的Boost电路拓扑、改进型Z源逆变器拓扑以及与之相连的全桥逆变电路。在上述的一种基于新型氮化镓器件的改进型高效光伏离网Z源逆变器，所述Boost电路拓扑电容C1与光伏电池PV并联，随后其高电位端与电感L1串联，且开关管S0与储能电容C0分别并联在电感L1右侧，电容C0在开关管S0右端。所述Z源拓扑二极管D1和电感L3串联、电感L2与二极管D3串联，随后两支路并联，并通过二极管D2从两者中间连接，构成第一组开关电感结构；二极管D5和电感L5串联、电感L4与二极管D7串联，随后两支路并联，并通过二极管D6从两者中间连接，构成第二组开关电感结构。两组开关电感经过二极管D4串联于BOOST电路输出端。同时电容C2并联于第一组开关电感结构和二极管D4形成的串联结构两端；电容C3并联于二极管D4与第二组开关电感结构形成的串联结构两端。所述全桥逆变电路开关管S1、S2串联，开关管S3、S4串联，两串联支路并联于Z源拓扑输出端和光伏电池低电位两端。最终输出电压从开关管S1、S2串联支路，开关管S3、S4串联支路中间各引出一端接滤波及负载电路。
作用过程是光伏电池输出电能，Boost电路调控其输出功率到最大值，经过改进型Z源拓扑，电压范围被提升至较宽范围，随后输入全桥逆变电路产生适合需求的交流电。
在附图2中是本实用新型采用的低压增强型GaN HEMT器件，在结构上没有传统硅器件的反向恢复二极管辅助，另外开通关断速度快、工作电压和频率高，整体损耗小。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (4)
1.一种基于新型氮化镓器件的改进型高效光伏离网Z源逆变器，其特征在于，包括与光伏电池输出端对接的Boost电路拓扑、与Boost电路拓扑连接的改进型Z源逆变器拓扑、以及与改进型Z源逆变器拓扑相连的全桥逆变电路。
2.根据权利要求1所述的一种基于新型氮化镓器件的改进型高效光伏离网Z源逆变器，其特征在于，所述Boost电路拓扑包括开关管S0、电路电感L1、光伏电池PV滤波电容C1、以及储能电容C0；其中电容C1与光伏电池PV并联，随后其高电位端与电感L1串联，且开关管S0与储能电容C0分别并联在电感L1右侧，电容C0在开关管S0右端。
3.根据权利要求1所述的一种基于新型氮化镓器件的改进型高效光伏离网Z源逆变器，其特征在于，所述Z源逆变拓扑包括对称电感L2、对称电感L3和对称电感L4、对称电感L5，电容C2、电容C3，和二极管D1、二极管D2、二极管D3和二极管D5、二极管D6、二极管D7，分别构成两组开关电感，中间用二极管D4隔断；其中二极管D1和电感L3串联、电感L2与二极管D3串联，随后两支路并联，并通过二极管D2从两者中间连接，构成第一组开关电感结构；二极管D5和电感L5串联、电感L4与二极管D7串联，随后两支路并联，并通过二极管D6从两者中间连接，构成第二组开关电感结构；两组开关电感经过二极管D4串联于BOOST电路输出端；同时电容C2并联于第一组开关电感结构和二极管D4形成的串联结构两端；电容C3并联于二极管D4与第二组开关电感结构形成的串联结构两端。
4.根据权利要求1所述的一种基于新型氮化镓器件的改进型高效光伏离网Z源逆变器，其特征在于，所述全桥逆变电路包括开关管S1、开关管S2、开关管S3、以及开关管S4；其中开关管S1、S2串联，开关管S3、S4串联，两串联支路并联于Z源拓扑输出端和光伏电池低电位两端；最终输出电压从开关管S1、S2串联支路，开关管S3、S4串联支路中间各引出一端接滤波及负载电路。
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