一種八開關非隔離全橋光伏併網逆變器及其工作方法
2023-11-01 16:24:52 2
一種八開關非隔離全橋光伏併網逆變器及其工作方法
【專利摘要】本發明公開一種八開關非隔離全橋光伏併網逆變器及其工作方法，諧振電容 C 5a並聯在主開關管 S 5的源極和漏極兩端，諧振電容 C 6a並聯在主開關管 S 6的源極和漏極兩端，輔助開關管 S 5a源極和諧振電感 L 5a串聯後並聯在開關管 S 5兩端，輔助開關管 S 6a漏極和諧振電感 L 6a串聯連接後並聯在開關管 S 6兩端，在輔助開關管 S 5a源極和輔助開關管 S 6a漏極之間依次串聯三個方向一致的二極體 D 5b、 D a、 D 6b，緩衝電容 C 5並聯在諧振電感 L 5a和二極體 D 5b兩端，緩衝電容 C 6並聯在諧振電感 L 6a和二極體 D 6b兩端；對高頻功率器件加入輔助電路，實現了軟開通、軟關斷，同時消除續流二極體的反向恢復問題，在不產生共模漏電流的情況下儘可能提高了併網逆變器的效率。
【專利說明】一種八開關非隔離全橋光伏併網逆變器及其工作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於電力電子功率變換器【技術領域】。具體涉及一種非隔離型光伏併網逆變器。
【背景技術】
[0002]漏電流和效率是非隔離型光伏併網逆變器兩個關鍵指標。目前已有一系列的低漏電流非隔離型光伏併網逆變器拓撲被提出，部分已得到廣泛應用，如帶交流旁路的全橋拓撲、H5拓撲、帶直流旁路的全橋拓撲、二極體箝位三電平拓撲、有源箝位三電平拓撲等等。相比隔離型結構，非隔離型結構有效率優勢，但到目前為止，非隔離型併網逆變器的部分功率開關管仍舊工作在硬開關狀態。以六開關管結構的帶直流旁路拓撲為例，如圖1所示，輸入均壓電容C1和C2串聯連接後並聯在光伏陣列PV兩端；輸入均壓電容C1的正端接主開關管
的漏極，輸入均壓電容C2的負端接主開關管5；的源極，箝位二極體外和凡串聯連接，箝位二極體外的陰極接主開關管&的源極，箝位二極體凡的陽極接主開關管5；的漏極，箝位二極體外、凡的中點與輸入均壓電容C1的中點相連。箝位二極體外和凡之後並聯由主開關管兄構成的全橋逆變電路，全橋逆變電路的兩橋臂中點之間並聯由濾波電感A、L2和濾波電容C構成的進網濾波器，進網濾波器接入電網％。該拓撲工作時直流側兩個主開關管S5、S6高頻開通，且工作在硬開關狀態，因此會產生較大的開關損耗。開關損耗的存在限制了變換器開關頻率的提高，從而限制了變換器的小型化和輕量化。同時，開關管工作在硬開關時還會產生高的電流、電壓變化率，從而產生很大的電磁幹擾。因此，對現有的非隔離型光伏併網逆變器，要求其能在不產生共模漏電流的情況下，儘可能地提高併網逆變器的效率。
【發明內容】
[0003]針對現有的非隔離型光伏併網逆變器存在的問題，本發明提出一種八開關非隔離全橋光伏併網逆變器及其工作方法，保持低漏電流的特性，在不產生共模漏電流的情況下，提高併網逆變器的效率。
本發明八開關非隔離全橋光伏併網逆變器採用的技術方案是:包括兩個輸入均壓電容C1, C2和一個由主開關管兄、s2、> Sii構成的全橋逆變電路，輸入均壓電容q、C2串聯連接後並聯在光伏陣列兩端，輸入均壓電容C1的正端接主開關管&和輔助開關管S5a的漏極，輸入均壓電容C2的負端接主開關管S&和輔助開關管S6a的源極，諧振電容C5a並聯在主開關管S5的源極和漏極兩端，諧振電容Ga並聯在主開關管5；的源極和漏極兩端，輔助開關管^5a的源極和諧振電感Z5a串聯連接後並聯在開關管&兩端，輔助開關管S6a的漏極和諧振電感Z6a串聯連接後並聯在開關管5；兩端；在輔助開關管S5a的源極和輔助開關管S6a的漏極之間依次串聯三個方向一致的二極體久b、二極體A和二極體Aib ;緩衝電容C5並聯在諧振電感Z5a和二極體久b兩端，緩衝電容G並聯在諧振電感Z6a和二極體久b兩端；箝位二極體外、凡串聯，箝位二極體外的陰極接主開關管&的源極，箝位二極體凡的陽極接主開關管5；的漏極，箝位二極體外和箝位二極體凡的中點與輸入均壓電容C；、C2的中點相連，箝位二極體外、凡之後並聯所述全橋逆變電路。
[0004]本發明一種八開關非隔離全橋光伏併網逆變器的工作方法採用的技術方案是:在電網電壓正半周時，主開關管兄和主開關管持續開通，主開關管S2和主開關管&持續關斷，主開關管&和主開關管S&以單極性SPWM調製方式工作，輔助開關管S5a、5.63僅在主開關管開通前的一個固定時間段內開通。
[0005]在電網電壓正半周時依次有以下7個工作階段:
在七^^時間段，h時刻起輔助開關管&、5^開始導通，諧振電感Z5a、Z6a分別在光伏陣列一半電壓作用下電流線性增加，輔助開關管&、5.63的電流上升率分別受到諧振電感Z5a、L6a的限制，實現輔助開關管S5a、S6a的零電流開通，到A時刻達到進網電流，實現零電壓關斷。
[0006]在時間段，h時刻起，諧振電容6^、諧振電感Z5a形成一條諧振迴路並開始起振，同時諧振電容Qa、諧振電感Z6a形成一條諧振迴路並開始起振，諧振電容C5a、C6a分別迫使諧振電感z5a、z6a中的電流繼續增加，諧振電容『上的電壓按諧振規律開始下降，到t2時刻，諧振電感z5a、z6a上的電流達到進網電流峰值，諧振電容c5a、c6a上的電壓為O。
[0007]在t2'時間段，t2時刻諧振結束，主開關管X、5；的寄生二極體久、久導通，諧振電容C5a、C6a上的電壓被箝位為0，直到t3時刻S5a、S6a斷開，主開關管A、s&的開通均為零電壓開通。
[0008]在t3'時間段，t3時刻主開關管&、5.6在零電壓條件下開通，輔助開關管S5a、S6a關斷，諧振電感z5a、Z6a中的能量通過&、D6h向電容C5、C6轉移，主開關管S5、S6和二極體H都處於導通狀態，輔助開關管&a、5；a的關斷是零電壓關斷。
[0009]在t:t5時間段，t4時刻諧振電感Z5a、Z6a中的電流減小為O。
[0010]在tft6時間段，t5時刻起主開關管斷開，諧振電容&、『在恆流源作用下充電，緩衝電容C5X6放電，主開關管在零電壓的條件下關斷，在t6時刻諧振電容C5a、『上的電壓上升至光伏陣列一半電壓，緩衝電容上的電壓降為O。
[0011]在t廠t7時間段，t6時刻起逆變器進入常規的續流階段，到t7時刻新的周期開始。
[0012]本發明的有益效果是:本發明是在六開關結構的帶直流旁路全橋光伏併網逆變器的結構上的改進方案，所以原有開關管工作方式不變，仍舊能夠有效抑制漏電流，並且克服了六開關結構的帶直流旁路全橋拓撲結構存在高頻開關管工作在硬開關狀態的缺點，保留了其低漏電流的特性。本發明對高頻功率器件加入輔助電路，加入的輔助開關管同樣實現了軟開通、軟關斷，同時消除續流二極體的反向恢復問題，在不產生共模漏電流的情況下儘可能地提高了併網逆變器的效率，有利於實現併網逆變器的高頻化、提高電路效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1是【背景技術】中六開關管結構的帶直流旁路拓撲結構圖；
圖2是本發明一種八開關管非隔離全橋光伏併網逆變器的電路結構圖；
圖3是圖2中各功率開關管驅動信號邏輯圖；
圖4是本發明在電網電壓正半周時第I個工作模態的等效電路圖；
圖5是本發明在電網電壓正半周時第2個工作模態的等效電路圖； 圖6是本發明在電網電壓正半周時第3個工作模態的等效電路圖；
圖7是本發明在電網電壓正半周時第4個工作模態的等效電路圖；
圖8是本發明在電網電壓正半周時第5個工作模態的等效電路圖；
圖9是本發明在電網電壓正半周時第6個工作模態的等效電路圖；
圖10是本發明在電網電壓正半周時第7個工作模態的等效電路圖；
圖11是本發明八開關管非隔離全橋光伏併網逆變器主要工作波形示意圖。
【具體實施方式】
[0014]參見圖2，本發明包括:光伏陣列PV、輸入均壓電容C1和Q、主開關管兄-S6，輔助開關管&和&、諧振電容C5a和Qa、諧振電感Z5a和Z6a、緩衝電容Q和Q、二極體H和Aib、箝位二極體外和凡、濾波電感乙和4、濾波電容C以及一個由主開關管?5.3、5.4構成的全橋逆變電路。
[0015]其中，輸入均壓電容C1和C2串聯連接，然後並聯在光伏陣列PV兩端。輸入均壓電容C1的正端接主開關管&和輔助開關管S5a的漏極，輸入均壓電容C2的負端接主開關管S&和輔助開關管S6a的源極。主開關管&、5；的寄生二極體分別是寄生二極體久和寄生二極體久。諧振電容^5a並聯在主開關管S5的源極和漏極兩端，諧振電容C6a並聯在主開關管S&的源極和漏極兩端。輔助開關管^5a的源極和諧振電感Z5a串聯連接，並聯在開關管S5兩端。輔助開關管5；a的漏極和諧振電感Z6a串聯連接，並聯在開關管5；兩端。在輔助開關管^5a的源極和輔助開關管^6a的漏極之間依次串聯三個方向一致的二極體久b、二極體A和二極體凡b，二極體久的陰極連輔助開關管^5a的源極，二極體久b的陽極接二極體凡的陰極，二極體凡的陽極接二極體久b的陰極，二極體久b的陽極接輔助開關管5；a的漏極。緩衝電容C5並聯在諧振電感Z5a和二極體久b兩端，緩衝電容C6並聯在諧振電感Z6a和二極體久,兩端。箝位二極體外和凡串聯連接，箝位二極體外的陰極接主開關管&的源極，箝位二極體D1的陽極接箝位二極體凡的陰極，箝位二極體凡的陽極接主開關管5；的漏極，箝位二極體D1和箝位二極體凡的中點與輸入均壓電容C1和輸入均壓電容C2的中點相連。箝位二極體D1和凡之後並聯由主開關管--4構成的全橋逆變電路，主開關管--4對應的續流二極體分別是續流二極體Α、久、久、仏。全橋逆變電路的兩橋臂中點之間並聯由濾波電感Α、Ζ2和濾波電容C構成的進網濾波器，進網濾波器接入電網％。
[0016]圖3為圖2中各個開關管的驅動信號邏輯圖，由圖2可知，在電網電壓正半周時，主開關管兄和主開關管持續開通，主開關管S2和主開關管&持續關斷，主開關管S5和主開關管&以單極性SPWM調製方式工作，輔助開關管^5a和輔助開關管5；a僅在主開關管s^s&開通前的一個固定時間段內開通。
[0017]以下描述主開關管S5、S6和輔助開關管S5a、S6a及零電壓轉換諧振支路在SPWM開關周期內的工作過程。參見圖4至圖10給出的本發明八開關管非隔離全橋光伏併網逆變器在電網電壓正半周時不同工作模態的等效電路。根據各開關管及電路元件的不同工作狀態，一個周期依次地按時序分為7個工作階段，即有7個工作模態，具體是:
第I個工作模態:如圖4所示，在IcTt1時間段，h時刻前，主開關管和輔助開關管XfS6a處於關斷狀態。h時刻起,輔助開關管開始導通，諧振電感Z5a、Z6a分別在光伏陣列PV —半電壓UJl作用下電流線性增加，?/ρν是光伏陣列PV電壓，輔助開關管s5a、5.63的電流上升率分別受到諧振電感Z5a、Z6a的限制，從而實現輔助開關管S5a、5.63的零電流開通，到h時刻達到進網電流八，由於濾波電感參數值相對較大，遠大於諧振電感值，其電流近似不變。此時全橋逆變電路中的續流二極體仏、仏中電流減少至O，實現零電壓關斷，消除了二極體反向恢復問題。
[0018]第2個工作模態:如圖5所示，在時間段，h時刻起，諧振電容Q、諧振電感L5a形成一條諧振迴路並開始起振，同時諧振電容C6a、諧振電感Z6a形成一條諧振迴路並開始起振，諧振電容C5a、C6a分別迫使諧振電感Z5a、Z6a中的電流繼續增加，諧振電容C5a、C6a上的電壓按諧振規律開始下降。到t2時刻，諧振電感Z5a、Z6a上的電流達到進網電流峰值八ap，諧振電容C5a、C6a上的電壓為O。
[0019]第3個工作模態:如圖6所示，在t2'時間段，t2時刻諧振結束，主開關管&、S&的寄生二極體久、凡導通，諧振電容C5a、C6a上的電壓被箝位為0，直到t3時刻&a、5；a斷開，該階段結束。在該階段持續時間內主開關管的開通均為零電壓開通。
[0020]第4個工作模態:如圖7所示，在tft4時間段，t3時刻主開關管S5A在零電壓條件下開通，輔助開關管5&、5^關斷。諧振電感^^^^中的能量通過/^、/^向電容轉移。由於主開關管5.5、5；和二極體久bW6b都處於導通狀態，緩衝電容C5X6相當於直接並聯在輔助開關管XyS6a的兩端，使其兩端的電壓上升率受到限制，所以輔助開關管XyS6a的關斷可以看作是零電壓關斷。
[0021]第5個工作模態:如圖8所示，在t4%時間段，t4時刻，諧振電感Z5a、Z6a中的電流減小為O。逆變器進入常規的功率傳輸階段。應該注意的是:在諧振電感z5a、z6a的電流下降到Zl之前，主開關管中都沒有電流流過。
[0022]第6個工作模態:如圖9所示，在t5、6時間段，t5時刻起，主開關管X、S6斷開，諧振電容c5a、C6a在恆流源作用下充電，緩衝電容C5、C6放電，由於諧振電容C5a、C6a的緩衝作用，主開關管X、5；在零電壓的條件下關斷。在t6時刻，諧振電容C5a、C6a上的電壓上升至?/ρν/2，緩衝電容C5A6上的電壓降為O。
[0023]第7個工作模態:如圖10所示，在t6'時間段，t6時刻起，逆變器進入常規的續流階段，到t7時刻新的周期開始重複上述過程。
[0024]圖11為八開關管非隔離全橋光伏併網逆變器的主要工作波形示意圖。包括開關管&、?5.6、&、5^的開關狀態，諧振電感Z5a、Z6a的電流A5aJuia波形，諧振電容『的電壓H波形，緩衝電容C5、(^的電壓ua、uc&波形，每個階段與圖4至圖10給出的7個工作模態一一對應。
[0025]本發明八開關管非隔離全橋光伏併網逆變器在電網電壓負半周時工作模態與其正半周時工作模態類似，不再贅述。
【權利要求】
1.一種八開關非隔離全橋光伏併網逆變器，包括兩個輸入均壓電容q、C2和一個由主開關管兄、S2、A、S4構成的全橋逆變電路，輸入均壓電容q、C2串聯連接後並聯在光伏陣列兩端，輸入均壓電容C1的正端接主開關管S5和輔助開關管S5a的漏極，輸入均壓電容C2的負端接主開關管5；和輔助開關管S6a的源極，其特徵是: 諧振電容C5a並聯在主開關管S5的源極和漏極兩端，諧振電容C6a並聯在主開關管5；的源極和漏極兩端，輔助開關管Aa的源極和諧振電感Z5a串聯連接後並聯在開關管&兩端，輔助開關管^6a的漏極和諧振電感Z6a串聯連接後並聯在開關管5；兩端；在輔助開關管S5a的源極和輔助開關管5；a的漏極之間依次串聯三個方向一致的二極體久b、二極體A和二極體久b ;緩衝電容G並聯在諧振電感Z5a和二極體久b兩端，緩衝電容C6並聯在諧振電感Z6a和二極體凡b兩端；箝位二極體外、凡串聯，箝位二極體外的陰極接主開關管S5的源極，箝位二極體凡的陽極接主開關管5；的漏極，箝位二極體外和箝位二極體凡的中點與輸入均壓電容C1J2的中點相連，箝位二極體外、凡之後並聯所述全橋逆變電路。
2.根據權利要求1所述八開關非隔離全橋光伏併網逆變器，其特徵是:全橋逆變電路的兩橋臂中點之間並聯由濾波電感乙、Z2和濾波電容C構成的進網濾波器，進網濾波器接入電網％。
3.—種如權利要求1所述八開關非隔離全橋光伏併網逆變器的工作方法，其特徵是:在電網電壓正半周時，主開關管兄和主開關管持續開通，主開關管S2和主開關管&持續關斷，主開關管&和主開關管S&以單極性SPWM調製方式工作，輔助開關管S5a、5.63僅在主開關管開通前的一個固定時間段內開通。
4.根據權利要求3所述的工作方法，其特徵是:在電網電壓正半周時依次有以下7個工作階段: 在七^^時間段，h時刻起輔助開關管&、5^開始導通，諧振電感Z5a、Z6a分別在光伏陣列一半電壓作用下電流線性增加，輔助開關管&、5.63的電流上升率分別受到諧振電感Z5a、L6a的限制，實現輔助開關管S5a、S6a的零電流開通，到A時刻達到進網電流，實現零電壓關斷； 在t^t2時間段，h時刻起，諧振電容C5a、諧振電感Z5a形成一條諧振迴路並開始起振，同時諧振電容Qa、諧振電感Z6a形成一條諧振迴路並開始起振，諧振電容C5a X6a分別迫使諧振電感z5a、z6a中的電流繼續增加，諧振電容c5a、c；ai的電壓按諧振規律開始下降，到t2時亥|J，諧振電感z5a、z6a上的電流達到進網電流峰值，諧振電容c5a、Qa上的電壓為O ; 在t2、3時間段，t2時刻諧振結束，主開關管&、5；的寄生二極體久、久導通，諧振電容Qa、『上的電壓被箝位為O，直到t3時刻斷開，主開關管的開通均為零電壓開通； 在tft4時間段，t3時刻主開關管在零電壓條件下開通，輔助開關管5&、5^關斷，諧振電感Z5a、Z6a中的能量通過久b、Aib向電容C5、C6轉移，主開關管S5、S6和二極體久b、i?6b都處於導通狀態，輔助開關管5^、5^的關斷是零電壓關斷； 在t:t5時間段，t4時刻諧振電感Z5a、Z6a中的電流減小為O ; 在t5、6時間段，t5時刻起主開關管X、5；斷開，諧振電容C5a、Qa在恆流源作用下充電，緩衝電容C5、Ce放電，主開關管在零電壓的條件下關斷，在t6時刻諧振電容Ga、C6a上的電壓上升至光伏陣列一半電壓，緩衝電容上的電壓降為O ; 在t6、7時間段，t6時刻起逆變器進入常規的續流階段，到t7時刻新的周期開始。
5.根據權利要求4所述的工作方法，其特徵是:在電網電壓正半周時依次有以下7個工作階段:在電網電壓負半周時的工作階段與其正半周時工作階段類似。
【文檔編號】H02M7/00GK104270015SQ201410453361
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月9日 優先權日:2014年9月9日
【發明者】廖志凌, 崔曉晨, 熊穎傑, 施衛東 申請人:江蘇大學