專利名稱：一種零電壓轉換全橋型非隔離光伏并網逆變器的制作方法
技術領域：
本發明涉及高效并網逆變器拓撲技術領域，尤其涉及一種非隔離光伏并網逆變器的軟開關技術。
背景技術：
非隔離型光伏并網逆變器相比隔離型結構擁有效率高、體積小、重量輕和成本低等優勢。但由于電池板對地寄生電容的存在，使得并網逆變器開關器件的開關動作可能產生高頻時變電壓作用在寄生電容之上，由此誘發的漏電流可能超出允許范圍。高頻漏電流的產生會帶來傳導和輻射干擾、進網電流諧波及損耗的增加，甚至危及設備和人員安全。雙極性SPWM全橋并網逆變器可以有效消除漏電流，能直接用于非隔離應用場合，但其差模特性較差；單極性SPWM全橋并網逆變器的差模特性優良，但存在開關頻率脈動的共模電壓(其幅值為輸入直流電壓)。為了消除單極性SPWM全橋并網逆變器中的開關頻率共模電壓，已有大量專利產生，如專利EP 1369985 A2 (簡稱Heric拓撲)、專利US 7411802B2 (簡稱H5拓撲)、專利CN101814856A (已完成實質性審查和修回，待批準)等，這些專利技術使得中、小功率單相并網逆變器的效率大幅提供，最高可達98.8%。但是，在現階段技術水平下，這些逆變器一般工作在l(T20kHz的開關頻率，還需要比較大的濾波電感和濾波電容，這樣既增加了并網逆變器的體積重量，又增加了成本。限制非隔離并網逆變器開關頻率提升的主要因素是高頻開關的開關損耗問題，隨著逆變器開關頻率的提升，開關損耗大幅增加，導致逆變器效率快速下降和需要更大的散熱器。可見，若能降低現有非隔離并網逆變器的開關損耗，實現高頻開關的軟開關工作，就能大幅提高并網逆變器的工作頻率，減小濾波器體積，從而實現了并網逆變器的高頻化、小型化。
發明內容
本發明的目的是克服上述現有技術的缺陷，提供一種可實現高頻開關軟開關工作的零電壓轉換全橋型非隔離光伏并網逆變器及其開關控制時序。為實現上述目的，本發明所述非隔離光伏并網逆變器可采用如下技術方案:
一種零電壓換全橋型非隔離光伏并網逆變器，包括分壓電容支路、高頻主開關單元、諧振網絡、箝位支路和低頻換向開關單元；分壓電容支路由第一分壓電容Cdcl、第二分壓電容Cdc2組成；高頻主開關單元由第五功率開關管S5/第五功率二極管D5并聯組合、第六功率開關管S6/第六功率二極管D6并聯組合構成；諧振網絡由第五輔助功率開關管S5a/第五輔助功率二極管D5a并聯組合、第五輔助諧振電感Z5a、第五輔助諧振電容C5a、第六輔助功率開關管S6a/第六輔助功率二極管D6a并聯組合、第六輔助諧振電感Z6a、第六輔助諧振電容C6a和輔助功率二極管Da構成；箝位支路由第七功率二極管D7、第八功率二極管D8組成；低頻換向開關單元由第一功率開關管S1/第一功率二極管D1并聯組合、第二功率開關管S2/第二功率二極管D2并聯組合、第三功率開關管S3/第三功率二極管D3并聯組合、第四功率開關管S4/第四功率二極管D4并聯組合組成。上述第一功率開關管S1、第二功率開關管S2、第三功率開關管S3、第四功率開關管S4、第五功率開關管S5、第六功率開關管S6、第五輔助功率開關管S5a、第六輔助功率開關管S6a可以為IGBT或MOSFET等全控型器件，本發明以第一功率開關管S1、第二功率開關管S2、第三功率開關管S3、第四功率開關管S4選用IGBT，第五功率開關管S5、第六功率開關管S6、第五輔助功率開關管S5a、第六輔助功率開關管S6a選用MOSFET為例進行描述和實施。上述第一分壓電容Cdca的正端分別連接太陽能電池正輸出端、第五功率開關管S5的漏極和第五輔助功率開關管S5a的漏極、第五功率二極管D5和第五輔助功率二極管D5a的陰極、第五輔助諧振電容Cr5a的第一端；第一分壓電容Ctkl的負端分別連接第二分壓電容Ctk2的正端、第七功率二極管(S7)的陽極和第八功率二極管(S8)的陰極；第二分壓電容Cdc2的負端分別連接太陽能電池負輸出端、第六功率開關管S6的源極和第六輔助功率開關管S6a的源極、第六功率二極管D6和第六輔助功率二極管D6a的陽極、第六輔助諧振電容C6a的
弟觸；
上述第五功率開關管S5的源極分別與第五功率二極管D5的陽極、第五輔助諧振電容Qa的第二端、第五輔助諧振電感Z5a的第一端、第七功率二極管D7的陰極、第一功率開關管S1和第三功率開關管S3的集電極、第一功率二極管D1和第三功率開關管D3的陰極相連接；第六功率開關管S6的漏極分別與第六功率二極管D6的陰極、第六輔助諧振電容C6a的第二端、第六輔助諧振電感L6a的第一端、第八功率二極管D8的陽極、第二功率開關管S2和第四功率開關管S4的發射極、第二功率二極管D2和第四功率二極管D4的陽極相連接。上述第五輔助功率開關管S5a的源極分別與第五輔助功率二極管D5a的陽極、輔助功率二極管Da的陰極相連接第五輔助諧振電容C5a的第二端相連接；第六輔助功率開關管S6a的漏極分別與第六輔助功率二極管D6a的陰極、輔助功率二極管Da的陽極、第六輔助諧振電感Z6a的第二端相連接。上述第七功率二極管D7的陽極分別與第八功率二極管D8的陰極、第一分壓電容Cdcl的陰極、第二分壓電容Ctk2的陽極相連接。上述第一功率開關管S1的發射極分別連接第二功率開關管S2的集電極、第一功率二極管D1的陽極和第二功率二極管D2的陰極，以及連接第一進網濾波電感Z1的一端；
上述第三功率開關管S3的發射極分別連接第四功率開關管S4的集電極、第三功率二極管隊的陽極和第四功率二極管D4的陰極，以及連接第二進網濾波電感Z2的一端。本發明所述開關控制時序可以基于上述非隔離光伏并網逆變器中的功率開關管來實現，具體過程如下:
將第一功率開關管S1和第四功率開關管S4同時開通關斷，在進網電流正半周一直導通，負半周關斷；
將第二功率開關管S2和第三功率開關管S3同時開通關斷，在進網電流負半周一直導通，正半周關斷；
第一功率開關管S1與第二功率開關管S2的驅動信號互補，并加入死區時間；
第五功率開關管S5和第六功率開關管S6同時開通關斷并按單極性SPWM方式高頻動作，第五輔助開關S5a的開通時刻先于第五功率開關管S5的開通時刻，第五輔助開關S5a的關斷時刻與第五功率開關管S5的開通時刻一致；第六輔助開關S6a的開通時刻先于第六功率開關管S6的開通時刻,第六輔助開關S6a的關斷時刻與第六功率開關管S6的開通時刻一致。本發明在六開關全橋電路(俗稱H6拓撲)的基礎上加入兩組由全控開關、諧振電容和諧振電感組成的諧振網絡以及輔助二極管構成零電壓轉換支路，配合上訴開關控制時序，可以實現第五功率開關管S5和第六功率開關管S6的零電壓開通條件，并保證逆變器在功率傳輸、諧振階段和續流階段時共模電壓恒處于二分之一的電池電壓來消除漏電流。從而可以實現非隔離并網逆變器的高頻化、小型化。
圖1是本發明主電路拓撲采用IGBT和MOSFET組合的電路圖。圖2是本發明的驅動信號產生邏輯。圖3是本發明在進網電流正半周時高頻開關周期刻度的工作波形圖。圖4 (a) - (h)是本發明在進網電流正半周時高頻開關周期刻度的等效工作模態圖，其中
圖 4 (a)模態 1[&，^1]；
圖 4 (10模態2[6，t2]；
圖 4 (c)模態 3[6，t3)；
圖4 (d)模態4[G]；
圖 4 (e)模態 5(~ ^4]；
圖 4 (f)模態 6 [‘ t5]；
圖 4 (§)模態7[~ ^6]；
圖 4 (h)模態 8[&，tT]；
圖5 (a) - (b)是本發明在一個電網周期的電網電壓、進網電流和差模、共模電壓波形圖，其中
圖5 Ca)共模電壓和差模電壓波形；
圖5 (b)共模電壓和差模電壓波形細節 圖6是本發明中諧振網絡工作波形圖。圖7 (a)- (e)是本發明中主要功率器件在高頻開關周期刻度的工作波形圖，其中 圖7 (a)主開關S5的工作波形；
圖7 (b)輔助開關S5a的工作波形； 圖7 (C)輔助二極管Da的工作波形；
圖7 (d)低頻開關SI的工作波形；
圖7 (e)低頻開關S2的工作波形；
上述附圖的主要符號及標號名稱fdc;1Xdc;2——分壓電容；S^S6、S5a、S6a——功率開關管及驅動信號山廣D 6、D 5a、D 6a——功率二極管；Grid，ug——電網電壓'Upv——太陽能電池板輸出電壓'L1U2—進網濾波電感K1—進網濾波電容;ig—進網電流；rDM~逆變器產生的差模電壓~逆變橋產生的共模電壓。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的技術方案進行詳細說明:
圖1描述了本發明的主電路的構成方式，由第一分壓電容Ctkl和第二分壓電容Ctk2組成基本單元I ;由第五功率開關管S5/第五功率二極管D5并聯組合、第六功率開關管
S6/第六功率二極管D6并聯組合組成基本單元2 ；由第五輔助功率開關管S5a/第五輔助功率二極管D5a并聯組合、第五輔助諧振電感Z5a、第五輔助諧振電容C5a、第六輔助功率開關管S6a/第六輔助功率二極管D6a并聯組合、第六輔助諧振電感Z6a、第六輔助諧振電容C6a和輔助功率二極管Da構成組成基本單元3 ；由第七功率二極管D7、第八功率二極管D8組成基本單元4 ；由第一功率開關管S1/第一功率二極管D1并聯組合、第二功率開關管S2/第二功率二極管D2并聯組合、第三功率開關管S3/第三功率二極管D3并聯組合、第四功率開關管S4/第四功率二極管D4并聯組合組成基本單元5。圖2是本發明的驅動信號產生邏輯，第一功率開關管S1和第四功率開關管S4在進網電流正半周同時開通、在負半周同時關斷；第二功率開關管S2和第三功率開關管S3在進網電流正半周同時關斷、在負半周同時開關；為了保證可靠換流，在過零階段所有功率開關管均關斷。第五功率開關管S5和第六功率開關管S6同時按單極性SPWM方式高頻動作，第五輔助功率開關管S5a和第六輔助功率開關管S6a同時高頻開關動作，他們的載波為反向三角波構成，保證了第五輔助開關S5a的關斷時刻與第五功率開關管S5的開通時刻一致；第六輔助開關S6a的關斷時刻與·第六功率開關管S6的開通時刻一致。圖3是本發明在進網電流正半周時開關周期刻度的工作波形圖。圖4 (a) - (h)是本發明在進網電流正半周時開關周期刻度的等效工作模態圖。本發明的一個具體實例如下:電池板電壓％v=400V、電網電壓i/grid=220VRMS、電網頻率4id=50Hz、額定功率/^=IkW ;直流母線電容Cdel=Cde2=470 μ F ;濾波電感Z1=Z2=0.3mH ；濾波電容Α=6μ F ;電池板對地寄生電容 ν1= ν2=0.15μ F ;開關頻率/=100kHZ、諧振參數Zr=IOy H, ^r=2.5nF。圖5(a)- (b)是本發明在一個電網周期的電網電壓、進網電流和差模、共模電壓波形圖，可以看出，差模電壓為單極性SPWM方式產生，共模電壓為恒定值，與理論分析一致。圖6是本發明中諧振網絡工作波形圖，諧振網絡能可靠的諧振工作，保證了主開關管的零電壓開通條件。圖7 (a)- (e)是本發明中主要功率器件在開關周期刻度的工作波形圖，與圖3中的理論分析一致。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出:對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干可以預期的改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種零電壓轉換全橋型非隔離光伏并網逆變器，其包括分壓電容支路(I)、高頻主開關單元(2)、諧振網絡(3)、箝位支路(4)和低頻換向開關單元(5);所述分壓電容支路(I)由第一分壓電容(Cdcl)、第二分壓電容(Cde2)組成；所述高頻主開關單元(2)包括第五功率開關管(S5)和第五功率二極管(D5)并聯組合以及第六功率開關管(S6)和第六功率二極管(D6)并聯組合；所述諧振網絡(3)由第五輔助功率開關管(S5a)和第五輔助功率二極管(D5a)并聯組合、第五輔助諧振電感(Z5a)、第五輔助諧振電容(C5a)、第六輔助功率開關管(S6a)/第六輔助功率二極管(D6a)并聯組合、第六輔助諧振電感(Z6a)、第六輔助諧振電容(C6a)和輔助功率二極管(Da)構成；所述箝位支路(4)由第七功率二極管(D7)、第八功率二極管(D8)組成；所述低頻換向開關單元(5)由第一功率開關管(S1)和第一功率二極管(D1)并聯組合、第二功率開關管(S2 )和第二功率二極管(D2)并聯組合、第三功率開關管(S3)和第三功率二極管(D3)并聯組合、第四功率開關管(S4)和第四功率二極管(D4)并聯組合組成；其特征在于: 所述第一功率開關管(S)、第二功率開關管(S2)、第三功率開關管(S3)、第四功率開關管(S4)、第五功率開關管(S5)、第六功率開關管(S6)、第五輔助功率開關管(S5a)和第六輔助功率開關管(S6a)為IGBT或MOSFET全控型器件； 所述第一分壓電容(Cdca)的正端分別連接太陽能電池正輸出端、第五功率開關管(S5)的漏極和第五輔助功率開關管(S5a)的漏極、第五功率二極管(D5)和第五輔助功率二極管(D5a)的陰極、第五輔助諧振電容(C5a)的第一端；所述第一分壓電容(Cdcl)的負端分別連接第二分壓電容(Cdc2)的正端、第七功率二極管(S7)的陽極和第八功率二極管(S8)的陰極；所述第二分壓電容(Ctk2)的負端分別連接太陽能電池負輸出端、第六功率開關管(S6)的源極和第六輔助功率開關管(S6a)的源極、第六功率二極管(D6)和第六輔助功率二極管(D6a)的陽極、第六輔助諧振電容私J的第一端； 所述第五功率開關管(S5)的源極分別與第五功率二極管(D5)的陽極、第五輔助諧振電容(CU的第二端、第五輔助諧振電感(Z5a)的第一端、第七功率二極管(D7)的陰極、第一功率開關管(S1)和第三功率開關管(S3)的集電極、第一功率二極管(D1)和第三功率開關管(D3)的陰極相連接；所述第六功率開關管(S6)的漏極分別與第六功率二極管(D6)的陰極、第六輔助諧振電容(CU的第二端、第六輔助諧振電感的第一端、第八功率二極管(D8)的陽極、第二功率開關管(S2)和第四功率開關管(S4)的發射極、第二功率二極管(D2)和第四功率二極管(D4)的陽極相連接； 所述第五輔助功率開關管(S5a)的源極分別與第五輔助功率二極管(D5a)的陽極、輔助功率二極管(Da)的陰極相連接、第五輔助諧振電感(Z5a)的第二端相連接；所述第六輔助功率開關管(S6a)的漏極分別與第六輔助功率二極管(D6a)的陰極、輔助功率二極管(Da)的陽極相連接、第六輔助諧振電感(Z6a)的第二端相連接； 所述第七功率二極管(D7)的陽極分別與第八功率二極管(D8)的陰極、第一分壓電容(Cdcl)的陰極、第二分壓電容(Ctk2)的陽極相連接； 所述第一功率開關管(S1)的發射極分別連接第二功率開關管(S2)的集電極、第一功率二極管(D1)的陽極和第二功率二極管(D2)的陰極，以及連接第一進網濾波電感(Z1)的一端； 所述第三功率開關管(S3)的發射極分別連接第四功率開關管(S4)的集電極、第三功率二極管(D3)的陽極和第四功率二極管(D4)的陰極，以及連接第二進網濾波電感(Z2)的一端。
2.如權利要求1所述一種零電壓轉換全橋型非隔離光伏并網逆變器的開關控制時序方法，其特征在于: 將第一功率開關管(S1)和第四功率開關管(S4)同時開通關斷，在進網電流正半周一直導通，負半周關斷； 將第二功率開關管(S2)和第三功率開關管(S3)同時開通關斷，在進網電流負半周一直導通，正半周關斷； 第一功率開關管(S1)與第二功率開關管(S2)的驅動信號互補，并加入死區時間； 第五功率開關管(S5)和第六功率開關管(S6)同時開通關斷并按單極性SPWM方式高頻動作，第五輔助開關(S5a)的開通時刻先于第五功率開關管(S5)的開通時刻，第五輔助開關(S5a)的關斷時刻與第五功率開關管(S5)的開通時刻一致；第六輔助開關(S6a)的開通時刻先于第六功率開關管(S6)的開通時刻，第六輔助開關(S6a)的關斷時刻與第六功率開關管(S6)的開通時 刻一致。
全文摘要
本發明提供一種可高頻軟開關工作、低漏電流的非隔離型光伏并網逆變器及其開關控制時序，包括分壓電容支路(1)、高頻主開關單元(2)、諧振網絡(3)、箝位支路(4)和低頻換向開關單元(5)。本發明在單相六開關全橋逆變電路(俗稱‘H6’拓撲)的基礎上分別加入兩支可控開關管、一只二極管和兩組電感電容支路構成諧振網絡為主開關單元提供零電壓開通工作條件，實現了高頻開關的軟開關工作，可大幅降低開關損耗；配合開關時序同樣可保證功率傳遞階段、諧振階段和續流階段時共模電壓均為同一恒定的電壓值，從而消除非隔離并網逆變器的漏電流；本發明可實現非隔離光伏并網逆變器的高頻化，有利于大幅降低并網逆變器的體積、重量和成本。
文檔編號H02M7/537GK103178739SQ20131013531
公開日2013年6月26日 申請日期2013年4月17日 優先權日2013年4月17日
發明者肖華鋒 申請人:東南大學