一種零電壓開關Heric型非隔離光伏并網逆變器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種實現高頻開關管零電壓開通、零電壓關斷的高效、高可靠型全橋非隔離光伏并網逆變器及其開關控制時序，包括電容支路1、高頻主開關單元2、諧振網絡3。本發明在單相四開關全橋逆變電路的基礎上加入兩支可控高頻開關管、四支可控低頻開關管、一個二極管、兩個電感和四個電容元件構成諧振網絡來為主開關單元實現零電壓開通和零電壓關斷，可大幅降低開關損耗。本發明可實現非隔離光伏并網逆變器的高頻化和高效率，有利于大幅降低并網逆變器的體積、重量和成本。
【專利說明】—種零電壓開關Her ic型非隔離光伏并網逆變器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種零電壓開關Heric型非隔離光伏并網逆變器，屬于高效并網逆變器拓撲【技術領域】。
【背景技術】
[0002]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。如專利EP 1369985 A2 (簡稱Heric拓撲)、專利US 7411802 B2(簡稱H5拓撲)、專利CN101814856A等，在這些專利技術中的高頻開關管均運行在硬開關，為了實現高的變換效率，這些逆變器一般工作在10?20kHz的開關頻率。因此，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。
[0003]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，如專利201310135312.9和專利201310134383.7，實現了非隔離并網逆變器高頻開關的軟開關工作，但是，由于功率回路需要流經較多的開關管，存在較大的導通損耗。
【發明內容】
[0004]發明目的:為了克服上述現有技術中存在的不足，本發明提供一種零電壓開關Heric型非隔離光伏并網逆變器，實現高頻開關管零電壓開關工作，降低了開關導通損耗。
[0005]技術方案:為實現上述目的，本發明采用的技術方案為:
[0006]1、一種零電壓開關Heric型非隔離光伏并網逆變器，其特征在于:包括電容支路
(I)、高頻主開關單元(2)、諧振網絡(3);所述電容支路(I)包括第一電容Cd。；所述高頻主開關單元(2)包括并聯的第一功率開關管S1和第一功率二極管D1、并聯的第二功率開關管S2和第二功率二極管D2、并聯的第三功率開關管S3和第三功率二極管D3、并聯的第四功率開關管S4和第四功率二極管D4;所述諧振網絡(3)包括第五功率開關管Sla、第六功率開關管S2a、第七功率開關管Slb、第八功率開關管S2b、第九功率開關管S3b、第十功率開關管S4b、第一諧振電感L1 a、第二諧振電感L2a、第一諧振電容C1 a、第二諧振電容C2a、第三諧振電容C3a、第四諧振電容C4a和第五功率二極管Dal ；
[0007]所述第一電容Cd。的正極分別連接太陽能電池正極、第一功率開關管S1的漏極、第三功率開關管S3的漏極、第五功率開關管Sla的漏極、第一功率二極管D1的陰極、第三功率二極管D3的陰極、第一諧振電容Cla的正極和第三諧振電容C3a的正極；第一電容Cd。的負極分別連接太陽能電池負極、第二功率開關管S2的源極、第四功率開關管S4的源極、第六功率開關管S2a的源極、第二功率二極管D2的陽極、第四功率二極管D4的陽極、第二諧振電容C2a的負極和第四諧振電容C4a的負極；
[0008]所述第一功率開關管S1的源極分別與第一諧振電容Cla的負極、第七功率開關管Slb的發射極、第八功率開關管S2b的集電極、第二功率開關管S2的漏極、第二諧振電容C2a的正極以及進網濾波器一端相連；第三功率開關管S3的源極分別與第三諧振電容C3a的負極、第九功率開關管S3b的發射極、第十功率開關管S4b的集電極、第四功率開關管S4的漏極、第四諧振電容C4a的正極以及進網濾波器的另一端相連；
[0009]所述第五功率開關管Sla的源極分別與第一諧振電感Lla的一端、第五功率二極管Dal的陰極相連；第六功率開關管S2a的漏極分別與第二諧振電感L2a的一端、第五功率二極管Dal的陽極相連；
[0010]所述第一諧振電感Lla的另一端分別與第七功率開關管Slb的集電極、第九功率開關管S3b的集電極相連；第二諧振電感L2a的另一端分別與第八功率開關管S2b的發射極、第十功率開關管S4b的發射極相連。
[0011]進一步地，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Sla和第六功率開關管S2a采用MOSFET型晶體管。
[0012]進一步地，第七功率開關管Slb、第八功率開關管S2b、第九功率開關管S3b和第十功率開關管S4b采用IGBT型晶體管。
[0013]進一步地，一種零電壓開關Heric型非隔離光伏并網逆變器的開關控制時序方法為:
[0014]將第七功率開關管Slb和第十功率開關管S4b同時開通關斷，在進網電流正半周一直導通，負半周關斷；
[0015]將第八功率開關管S2b和第九功率開關管S3b同時開通關斷，在進網電流負半周一直導通，正半周關斷；
[0016]將第一功率開關管S1和第四功率開關管S4同時開通關斷，在進網電流正半周按單極性SPWM方式高頻動作，負半周關斷；
[0017]將第二功率開關管S2和第三功率開關管S3同時開通關斷，在進網電流負半周按單極性SPWM方式高頻動作，正半周關斷；
[0018]將第五功率開關管Sla和第六功率開關管S2a同時開通關斷；在進網電流正半周，第五功率開關管Sla的開通時刻先于第一功率開關管S1的開通時刻，第五功率開關管Sla的關斷時刻與第一功率開關管S1的開通時刻一致；在進網電流負半周，第五功率開關管Sla的開通時刻先于第二功率開關管S2的開通時刻，第五功率開關管Sla的關斷時刻與第二功率開關管S2的開通時刻一致。
[0019]有益效果:本發明提供的一種零電壓開關Heric型非隔離光伏并網逆變器，在四開關全橋電路的基礎上加入由第五功率開關管Sla、第六功率開關管S2a、第七功率開關管Slb、第八功率開關管S2b、第九功率開關管S3b、第十功率開關管S4b、第一諧振電感Lla、第二諧振電感L2a、第一諧振電容Cla、第二諧振電容C2a、第三諧振電容C3a、第四諧振電容C4a和第五功率二極管Dal組成的諧振網絡構成零電壓轉換支路，配合上述開關控制時序，可以實現第一功率開關管S1、第二功率開關管S2、第三功率開關管S3和第四功率開關管S4的零電壓開通和零電壓關斷條件，降低了開關導通損耗。從而可以實現非隔離并網逆變器的高頻化、小型化。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1是本發明一種零電壓開關Heric型非隔離光伏并網逆變器的電路示意圖；
[0021]圖2是本發明的驅動邏輯圖；
[0022]圖3是本發明在進網電流正半周時高頻開關周期刻度的理論工作波形圖；
[0023]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:
[0024]? 4(a) l[t0, tj ；
[0025]圖4(b)模態 2 Et1, t2];
[0026]圖4 (C)模態 3 [t2, t3]；
[0027]圖4 (d)模態 4 [t3, t4]；
[0028]圖4 (e)模態 5 [t4, t5]；
[0029]圖4 (f)模態 6 [t5, t6]；
[0030]圖4 (g)模態 7 [t6, t7]；
[0031]圖4(h)模態 8[t7, t8];
[0032]圖5是本發明中諧振網絡工作波形圖；
[0033]圖6(a)_(d)是本發明中主要功率器件在高頻開關周期刻度的仿真工作波形圖:
[0034]圖6 (a)第一功率開關管S1的工作波形；
[0035]圖6 (b)第五功率開關管Sla的工作波形；
[0036]圖6 (C)第五功率二極管Dal的工作波形；
[0037]圖6 (d)第七功率開關管Slb的工作波形；
[0038]圖7是基于本發明加入共模電壓箝位支路的電路結構圖；
[0039]其中:ug——電網電壓；Upv——太陽能電池輸出電壓——進網濾波電感電流。
【具體實施方式】
[0040]下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。
[0041]如圖1描述了本發明的主電路的構成方式:一種零電壓開關Heric型非隔離光伏并網逆變器，包括電容支路1、高頻主開關單元2、諧振網絡3;電容支路I包括第一電容Cd。；高頻主開關單元2包括并聯的第一功率開關管S1和第一功率二極管D1、并聯的第二功率開關管S2和第二功率二極管D2、并聯的第三功率開關管S3和第三功率二極管D3、并聯的第四功率開關管S4和第四功率二極管D4 ;諧振網絡3包括第五功率開關管Sla、第六功率開關管S2a、第七功率開關管Slb、第八功率開關管S2b、第九功率開關管S3b、第十功率開關管S4b、第一諧振電感Lla、第二諧振電感L2a、第一諧振電容Cla、第二諧振電容C2a、第三諧振電容C3a、第四諧振電容C4a和第五功率二極管Dal ；
[0042]其中第五功率開關管Sla和第六功率開關管S2a起到輔助作用；第七功率開關管Slb、第八功率開關管S2b、第九功率開關管S3b和第十功率開關管S4b起到阻斷作用；
[0043]第一電容Cde的正極分別連接太陽能電池正極、第一功率開關管S1的漏極、第三功率開關管S3的漏極、第五功率開關管Sla的漏極、第一功率二極管D1的陰極、第三功率二極管D3的陰極、第一諧振電容Cla的正極和第三諧振電容C3a的正極相連；第一電容Cd。的負極分別連接太陽能電池負極、第二功率開關管S2的源極、第四功率開關管S4的源極、第六功率開關管S2a的源極、第二功率二極管D2的陽極、第四功率二極管D4的陽極、第二諧振電容C2a的負極和第四諧振電容C4a的負極相連；
[0044]第一功率開關管S1的源極分別與第一諧振電容Cla的負極、第七功率開關管Slb的發射極、第八功率開關管S2b的集電極、第二功率開關管S2的漏極、第二諧振電容C2a的正極以及進網濾波器的一端相連；第三功率開關管S3的源極分別與第三諧振電容C3a的負極、第九功率開關管S3b的發射極、第十功率開關管S4b的集電極、第四功率開關管S4的漏極、第四諧振電容C4a的正極以及進網濾波器的另一端相連；
[0045]第五功率開關管Sla的源極分別與第一諧振電感Lla的一端、第五功率二極管Dal的陰極相連；第六功率開關管S2a的漏極分別與第二諧振電感L2a的一端、第五功率二極管Dal的陽極相連；
[0046]第一諧振電感Lla的另一端分別與第七功率開關管Slb的集電極、第九功率開關管S3b的集電極相連；第二諧振電感L2a的另一端分別與第八功率開關管S2b的發射極、第十功率開關管S4b的發射極相連。
[0047]圖2是本發明的驅動信號邏輯圖，其中:isl為第一功率開關管S1的電流波形，iLla為第一諧振電感Lla的電流波形，islb為第七功率開關管Slb的電流波形，iS3b為第九功率開關管S3b的電流波形，vS3b為第九功率開關管S3b的電壓波形，vsla為第五功率開關管Sla的電壓波形，vaa為第一諧振電容Cla的電壓波形，iDla為第五功率二極管Dal的電流波形，込進網電流的幅值，Ts聞頻開關管的開關周期。
[0048]第七功率開關管Slb和第十功率開關管S4b同時開通關斷，在進網電流正半周一直導通，負半周關斷；第八功率開關管S2b和第九功率開關管S3b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和第四功率開關管S4同時開通關斷，在進網電流正半周按單極性SPWM方式高頻動作，負半周關斷；第二功率開關管S2和第三功率開關管S3同時開通關斷，在進網電流負半周按單極性SPWM方式高頻動作，正半周關斷；第五功率開關管Sla和第六功率開關管S2a同時開通關斷，在進網電流正半周，第五功率開關管Sla的開通時刻先于第一功率開關管S1的開通時刻，第五功率開關管Sla的關斷時刻與第一功率開關管31的開通時刻一致；在進網電流負半周，第五功率開關管Sla的開通時刻先于第二功率開關管S2的開通時刻,第五功率開關管Sla的關斷時刻與第二功率開關管S2的開通時刻一致。
[0049]圖3是本發明在進網電流正半周時開關周期刻度的理論工作波形圖。
[0050]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。
[0051]本發明的一個具體實例如下:太陽能電池輸出電壓Upv = 400V、電網電壓Ug =220VRMS、電網頻率匕=50Hz、額定功率Pn = 3kff ;直流母線電容Cdel = Cdc2 = 470 μ F ;濾波電感L1 = L2 = 0.5mH ;濾波電容C1 = 2 μ F ;電池板對地寄生電容Cpvi = Cpv2 = 0.15 μ F ;開關頻率 f = lOOkHZ、諧振參數 Lla = L2a = 10 μ H、Cla = C2a = C3a = C4a = 5nF。
[0052]圖5是本發明中諧振網絡工作波形圖，其中S1，S4是第一功率開關管S1和第四功率開關管S4的驅動波形、Sla，S2a是第五功率開關管Sla和第六功率開關管S2a的驅動波形、Sib, S4b是第七功率開關管Slb和第十功率開關管S4b的驅動波形、ILla是第一諧振電感Lla的電流波形、VCla是第一諧振電容Cla的電壓波形，橫坐標為時間軸，單位為秒；縱坐標中，驅動信號為邏輯高低電平，高電平I代表驅動信號有效開關管導通，低電平O代表驅動信號無效開關管關斷，電壓量的單位為伏特，電流量的單位為安培。
[0053]從圖中可以看出諧振電感Lla的電流按恒定斜率增加或減小，且僅在高頻主開關管第一功率開關管S1和第四功率開關管S4的開通時刻工作一段時間；同時，諧振電容電壓的上升過程被軟化，有利于消除高頻主開關管的電壓尖峰，在諧振動作的作用下諧振電容Cla的電壓在高頻主開關管開通之前其電壓被諧振到零，保證了高頻主開關管的零電壓開通。
[0054]圖6 (a)-(d)是本發明中主要功率器件第一功率開關管S1、第五功率開關管Sla、第五功率二極管Dal和第七功率開關管Slb在開關周期刻度的仿真工作波形圖，其中橫坐標為時間軸，單位為秒；縱坐標中，驅動信號為邏輯高低電平，高電平I代表驅動信號有效開關管導通，低電平O代表驅動信號無效開關管關斷，電壓量的單位為伏特，電流量的單位為安培。
[0055]圖6(a)為第一功率開關管S1的工作波形，其中ICSl是第一功率開關管S1的電流波形、VSl是第一功率開關管S1的電壓波形；
[0056]圖6(b)為第五功率開關管Sla的工作波形，其中ISla是第五功率開關管Sla的電流波形、VSla是第五功率開關管Sla的電壓波形；
[0057]圖6(c)為第五功率二極管Dal的工作波形，其中IDal是第五功率二極管Dal的電流波形、VDal是第五功率二極管Dal的電壓波形；
[0058]圖6(d)為第七功率開關管Slb的工作波形，其中ISlb是第七功率開關管Slb的電流波形、VSlb是第七功率開關管Slb的電壓波形；
[0059]從圖6中所有的仿真波形圖中可知與圖3中的理論工作波形一致，本發明實現了第一功率開關管S1、第二功率開關管S2、第三功率開關管S3和第四功率開關管S4零電壓開通和零電壓關斷；第五功率開關管Sla、第六功率開關管S2a實現了零電流開通；第五功率二極管Dal實現了零電流關斷。
[0060]圖7是本發明的基礎上加入共模電壓箝位支路的電路結構圖，在電容支路I上增加一個電容與第一電容(^。串聯，在諧振網絡3中增加一個第五功率二極管與第五功率二極管Dal串聯，增加的電容的負極連接太陽能電池的負極，第一電容Cd。的負極連接第五功率二極管Dal的陽極，增加的第五功率二極管的陽極連接第六功率開關管S2a的漏極；從而可以實現續流階段共模電壓箝位至輸入電壓的一半，從而保證消除漏電流。
[0061]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】
1.一種零電壓開關HeriC型非隔離光伏并網逆變器，其特征在于:包括電容支路(I)、高頻主開關單元(2)、諧振網絡(3);所述電容支路(I)包括第一電容Cd。；所述高頻主開關單元(2)包括并聯的第一功率開關管S1和第一功率二極管D1、并聯的第二功率開關管S2和第二功率二極管％、并聯的第三功率開關管S3和第三功率二極管D3、并聯的第四功率開關管S4和第四功率二極管D4;所述諧振網絡(3)包括第五功率開關管Sla、第六功率開關管S2a、第七功率開關管Slb、第八功率開關管S2b、第九功率開關管S3b、第十功率開關管S4b、第一諧振電感Lla、第二諧振電感L2a、第一諧振電容Cla、第二諧振電容C2a、第三諧振電容C3a、第四諧振電容C4a和第五功率二極管Dal ； 所述第一電容Cd。的正極分別連接太陽能電池正極、第一功率開關管S1的漏極、第三功率開關管S3的漏極、第五功率開關管Sla的漏極、第一功率二極管D1的陰極、第三功率二極管D3的陰極、第一諧振電容Cla的正極和第三諧振電容C3a的正極；第一電容Cd。的負極分別連接太陽能電池負極、第二功率開關管S2的源極、第四功率開關管S4的源極、第六功率開關管S2a的源極、第二功率二極管D2的陽極、第四功率二極管D4的陽極、第二諧振電容C2a的負極和第四諧振電容C4a的負極； 所述第一功率開關管S1的源極分別與第一諧振電容Cla的負極、第七功率開關管Slb的發射極、第八功率開關管S2b的集電極、第二功率開關管S2的漏極、第二諧振電容C2a的正極以及進網濾波器一端相連；第三功率開關管S3的源極分別與第三諧振電容C3a的負極、第九功率開關管S3b的發射極、第十功率開關管S4b的集電極、第四功率開關管S4的漏極、第四諧振電容C4a的正極以及進網濾波器的另一端相連； 所述第五功率開關管Sla的源極分別與第一諧振電感Lla的一端、第五功率二極管Dal的陰極相連；第六功率開關管S2a的漏極分別與第二諧振電感L2a的一端、第五功率二極管Dal的陽極相連； 所述第一諧振電感Lla的另一端分別與第七功率開關管Slb的集電極、第九功率開關管S3b的集電極相連；第二諧振電感L2a的另一端分別與第八功率開關管S2b的發射極、第十功率開關管S4b的發射極相連。
2.根據權利要求1所述的一種零電壓開關Heric型非隔離光伏并網逆變器，其特征在于: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Sla和第六功率開關管S2a采用MOSFET型晶體管。
3.根據權利要求1所述的一種零電壓開關Heric型非隔離光伏并網逆變器，其特征在于:第七功率開關管Slb、第八功率開關管S2b、第九功率開關管S3b和第十功率開關管S4b采用IGBT型晶體管。
4.根據權利要求1所述的一種零電壓開關Heric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: 將第七功率開關管Slb和第十功率開關管S4b同時開通關斷，在進網電流正半周一直導通，負半周關斷； 將第八功率開關管S2b和第九功率開關管S3b同時開通關斷，在進網電流負半周一直導通，正半周關斷； 將第一功率開關管S1和第四功率開關管S4同時開通關斷，在進網電流正半周按單極性SPWM方式高頻動作，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，在進網電流負半周按單極性SPWM方式高頻動作，正半周關斷； 將第五功率開關管Sla和第六功率開關管S2a同時開通關斷；在進網電流正半周，第五功率開關管Sla的開通時刻先于第一功率開關管S1的開通時刻，第五功率開關管Sla的關斷時刻與第一功率開關管31的開通時刻一致；在進網電流負半周，第五功率開關管Sla的開通時刻先于第二功率開關管S2的開通時刻，第五功率開關管Sla的關斷時刻與第二功率開關管S2的開通時刻一致。
【文檔編號】H02J3/38GK104377982SQ201410687891
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月25日 優先權日:2014年11月25日
【發明者】肖華鋒 申請人:東南大學