孟建輝， 付超， 石新春， 王毅

(華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定 071003)

光伏逆變系統(tǒng)中的ZVS升壓變換器

孟建輝， 付超， 石新春， 王毅

(華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定 071003)

針對(duì)兩級(jí)式單相非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器的前級(jí)電路，研究了一種新型的ZVS(zero voltage switch)Boost升壓變換器電路拓?fù)?。通過(guò)增加一個(gè)開關(guān)管、諧振電感、吸收電容及兩個(gè)二極管組成輔助電路，實(shí)現(xiàn)了Boost升壓變換器電路中主開關(guān)管及所增加的輔助開關(guān)管的零電壓導(dǎo)通與關(guān)斷，從而減小了系統(tǒng)的開關(guān)損耗。分析了ZVS Boost升壓變換器電路拓?fù)涞墓ぷ髟?，探討了諧振電感與諧振電容、吸收電容的定量關(guān)系及選擇條件，對(duì)所研究的ZVS Boost電路拓?fù)溥M(jìn)行了軟件仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明該拓?fù)涔ぷ髟陂_關(guān)頻率為20 kHz、功率為2.5 kW時(shí)，所提出的兩級(jí)式單相非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器的整機(jī)效率可以達(dá)到97.16%。

單相并網(wǎng)逆變器;Boost變換器;軟開關(guān)電路;諧振回路;零電壓開關(guān)

0 引言

兩級(jí)式單相非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器以其體積小、成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)成為光伏并網(wǎng)逆變器的研究熱點(diǎn)之一［1－3］。采用前級(jí)為Boost升壓變換器，后級(jí)為橋式逆變電路的兩級(jí)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要作用一是提升及穩(wěn)定光伏電池輸出的電壓，因?yàn)橹行」β实墓夥到y(tǒng)，太陽(yáng)能光伏電池的數(shù)量有限，其輸出電壓較低。二是將最大功率跟蹤控制放到前級(jí)的升壓電路，簡(jiǎn)單實(shí)用。

高效率是兩級(jí)式單相非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器的一個(gè)重要要求。而前級(jí)Boost升壓變換器的開關(guān)頻率一般為10 kHz以上，其開關(guān)損耗對(duì)整機(jī)系統(tǒng)效率的影響非常大［4－6］。為解決這一問題，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外提出了許多 Boost軟開關(guān)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［7－11］，均在一定程度上提高了Boost變換器的轉(zhuǎn)換效率。

針對(duì)這一問題，本文研究了一種新型的零電壓開關(guān)(zero voltage switch，ZVS)Boost變換器［12－13］。在傳統(tǒng)Boost電路的基礎(chǔ)上增加輔助開關(guān)管、諧振電感、吸收電容及續(xù)流二極管組成輔助諧振回路，使主開關(guān)管及新增輔助開關(guān)管均能實(shí)現(xiàn)零電壓的導(dǎo)通與關(guān)斷，并將其與H6橋式逆變電路相連，組成所提出的兩級(jí)式單相非隔離型光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)。最后，通過(guò)Saber軟件仿真和樣機(jī)試驗(yàn)對(duì)理論分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 工作原理

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1所示是本文提出的兩級(jí)式單相非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器的整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中前級(jí)為ZVS Boost升壓變換器，后級(jí)為高效率且具備漏電流抑制能力的 H6 橋式拓?fù)洌?4－15］。

圖1 兩級(jí)式單相光伏并網(wǎng)逆變器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Circuit topology structure of two-stage single-phase photovoltaic grid-connected inverter

針對(duì)后級(jí)H6橋式拓?fù)?，文獻(xiàn)［14］、文獻(xiàn)［15］對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的研究，與傳統(tǒng)的橋式拓?fù)湎啾龋軌蛴行У囊种坡╇娏鞯漠a(chǎn)生，且續(xù)流回路經(jīng)過(guò)的器件數(shù)量較少，不經(jīng)過(guò)性能較差的體二極管，具有很高的變換效率與可靠性。

本文所研究的前級(jí)ZVS Boost升壓變換器，如圖1左邊虛線框中所示。通過(guò)增加的輔助開關(guān)模塊，主開關(guān)管S1和輔助開關(guān)管S2能夠?qū)崿F(xiàn)軟開關(guān)。其中輔助開關(guān)模塊包括一個(gè)輔助開關(guān)管(S2)、一個(gè)諧振電感(Lr)、一個(gè)諧振電容(Cr)、一個(gè)吸收電容(C1)、兩個(gè)續(xù)流二極管(D2和D3)。此外，增加的輔助回路不會(huì)對(duì)前級(jí)最大功率跟蹤控制造成影響，也不會(huì)影響到控制系統(tǒng)的性能［9，11］。本文研究的 ZVS Boost升壓變換器拓?fù)渲杏玫降闹饕骷?shù)如表1所示。其中，V為額定電壓，I為額定電流，tr為上升時(shí)間，tf為下降時(shí)間，trr為反向恢復(fù)時(shí)間。

表1 ZVS Boost升壓變換器主要元器件參數(shù)Table 1 Main component parameters of ZVS Boost converter

1.2 工作過(guò)程分析

本文研究的應(yīng)用在兩級(jí)式單相光伏并網(wǎng)逆變器的ZVS Boost升壓變換器可以被分為9種工作模式，各個(gè)工作模式的等效電路如圖2所示。為了簡(jiǎn)化所研究變換器的分析過(guò)程，本文假設(shè)開關(guān)器件和無(wú)源器件都是理想化的，且輸入電壓和升壓后的電壓沒有波動(dòng)。圖3表示各種工作模式下一些主要參數(shù)的波形圖。

1)模式1［t0～t1］。t1之前，S1和 S2均沒有導(dǎo)通。電感L1中的能量通過(guò)二極管D1傳遞給輸出側(cè)。此時(shí)，流過(guò)諧振電感Lr的電流是零，諧振電容Cr兩端的電壓等于升壓后的電壓，吸收電容C1兩端的電壓也為零。該工作模式下有

式中:uL1為電感L1兩端的電壓;UPV為ZVS Boost變換器輸入側(cè)的電壓;Udc為升壓后的直流母線電壓。

式中:iL1為流過(guò)電感L1的電流;I(t9)為電感L1在t9時(shí)刻的電流(下同)。

2)模式2［t1～t2］。t1時(shí)刻，輔助開關(guān)管 S2導(dǎo)通。S2導(dǎo)通后，Lr的電流從零開始線性增加，D1的電流線性減小。當(dāng)Lr的電流大小等于L1的電流值時(shí)，模式2結(jié)束，且此時(shí)，D1的電流大小為零。t2時(shí)刻，L1的電流減小到其最小值，Lr兩端的電壓為Udc，電流為

式中，iLr為流過(guò)諧振電感Lr的電流。

此外，Lr的電流與L1電流相等時(shí)所用時(shí)間為

3)模式3［t2～t3］。Lr的電流與 L1的電流相等時(shí)，二極管D1自然關(guān)斷。此時(shí)，Lr與Cr開始諧振，Cr通過(guò) Lr、S2開始放電，t3時(shí)刻，Cr兩端的電壓為零，諧振過(guò)程結(jié)束。諧振電感的電流大小為主電感電流與諧振電感電流的和，即

圖2 ZVS Boost升壓變換器工作模式等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit schemes of the operation modes in the ZVS Boost converter

4)模式4［t3～t4］。當(dāng)Cr兩端的電壓減小到零時(shí)，S1的體二極管自然導(dǎo)通，Lr的電流流過(guò)S2及S1的體二極管，它兩端的電壓幾乎為零，也即S1兩端的電壓為零。此時(shí)L1兩端的電壓為UPV，則流過(guò)L1的電流為

5)模式5［t4～t5］。模式4中，S1兩端的電壓為零。t4時(shí)刻，S1在零電壓下開通，同時(shí)，輔助開關(guān)管S2關(guān)斷。由于吸收電容C1的存在，使得S2兩端電壓升高的速度變慢，即S2可以實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷。該模式下，諧振電感Lr向C1及Cds充電，直至流過(guò)Lr的電流為零，其電流表達(dá)式為

6)模式6［t5～t6］。t5時(shí)刻，諧振電感Lr的電流下降為零，此時(shí)Cds經(jīng)過(guò)Lr和S1開始放電，且Lr的電流反向，由于Cds兩端的電壓小于Udc，因此其電流幅值大小比t2到t3階段增加的電流值略小。

7)模式7［t6～t7］。當(dāng)Cds兩端的電壓下降到零時(shí)，S2的體二極管自然導(dǎo)通，Lr的電流經(jīng)S1和S2的體二極管構(gòu)成回路。此時(shí)，S1兩端的電壓幾乎為零，則主電感L1的電流為

圖3 主要參數(shù)波形圖Fig.3 The waveforms diagram of main parameters

8)模式 8［t7～t8］。t7時(shí)刻，S1在零電壓下關(guān)斷，此時(shí)Lr中的能量向Cr轉(zhuǎn)移，Cr兩端的電壓在兩個(gè)電感的作用下逐漸上升，C1中的能量經(jīng)過(guò)D3傳遞給輸出側(cè)，一定程度上實(shí)現(xiàn)了無(wú)損吸收。

9)模式9［t8～t9］。t9時(shí)刻，Lr中的電流下降為零，C1中的能量完全傳遞給輸出側(cè)。此時(shí)有

2 關(guān)鍵參數(shù)選擇

在本文研究的ZVS Boost軟開關(guān)電路中，關(guān)鍵的參數(shù)有:諧振電容Cr、諧振電感Lr及吸收電容C1。在這些參數(shù)的選擇上主要考慮主開關(guān)管、主二極管及輔助開關(guān)管的軟開關(guān)條件。

2.1 諧振電容Cr

諧振電容Cr的選擇主要考慮主開關(guān)管S1的零電壓導(dǎo)通過(guò)程。從模式2開始到模式3結(jié)束，所用的時(shí)間應(yīng)該保證至少小于輔助開關(guān)管S2導(dǎo)通的時(shí)間，其中諧振電感Lr的電流從零逐漸增加到與主電感L1電流值相等的時(shí)間為

諧振電感Lr與諧振電容Cr的諧振時(shí)間為四分之一的諧振周期［11］，即

假設(shè)輔助開關(guān)管S1導(dǎo)通的時(shí)間是0.1T，則由下式成立

2.2 諧振電感Lr與吸收電容C1

模式5期間，假設(shè)此時(shí)Lr與C1、Cds的諧振時(shí)間為0.02T，諧振電感Lr向吸收電容C1和輔助開關(guān)管的輸出電容Cds充電，則需滿足吸收電容兩端的電壓不大于Boost升壓變換器的輸出電壓，即下列表達(dá)式成立

選擇諧振電感Lr與吸收電容的數(shù)值時(shí)需要考慮下面3個(gè)因素:(1)限制輔助開關(guān)管的電流上升速率及電壓上升速率，從而降低輔助開關(guān)管的開關(guān)損耗;(2)降低主二極管的反向恢復(fù)時(shí)間，從而降低由于反向恢復(fù)電流引起的損耗;(3)降低輔助諧振回路的諧振時(shí)間，從而降低諧振損耗。

根據(jù)上面推導(dǎo)出的表達(dá)式，可以得到諧振電感Lr與諧振電容Cr、吸收電容C1的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 Lr與Cr、C1關(guān)系曲線圖Fig.4 Relations diagram between Lrand Cr，C1

可以看出當(dāng)諧振電感Lr大小為10 μF時(shí)，諧振電容Cr與吸收電容C1的變化趨于穩(wěn)定。因此可以選擇 Cr為 2 nF、C1為 22 nF。再將 Lr、Cr、C1的數(shù)值代入式(13)、式(15)，均成立。

因此，根據(jù)上面的條件綜合考慮，ZVS Boost升壓變換器選擇的參數(shù)如表2所示。其中，在實(shí)際設(shè)計(jì)電路時(shí)，諧振電容可以直接用所選MOSFET開關(guān)管SPW47N60CFD的輸出電容替代，其輸出電容的值為2 nF。

表2 ZVS Boost升壓變換器的主要諧振參數(shù)Table 2 Main resonant parameters of ZVS boost converter

3 仿真分析

針對(duì)本文研究的應(yīng)用在兩級(jí)式單相非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器中的ZVS Boost升壓變換器，利用元器件級(jí)的仿真軟件Saber進(jìn)行仿真分析，其仿真參數(shù)與表2所選參數(shù)一致。其中，仿真時(shí)間為30 ms，仿真步長(zhǎng)1 ns，仿真中所有開關(guān)器件型號(hào)均與實(shí)際選擇一致。

圖5所示是主開關(guān)管兩端的電壓和電流波形圖，圖6所示輔助開關(guān)管兩端的電壓和電流波形圖。

圖5 主開關(guān)管S1兩端的電壓、電流波形Fig.5 The voltage and current waveforms of the main switch S1

圖6 輔助開關(guān)管S2兩端的電壓、電流波形Fig.6 The voltage and current waveforms of the auxiliary switch S2

從圖5和圖6中可以看出，主開關(guān)管S1在零電壓條件下開通、關(guān)斷，諧振電容Cr減小了關(guān)斷損耗。輔助開關(guān)管S2在諧振電感Lr作用下，其導(dǎo)通時(shí)的電流上升緩慢，減小了開通損耗，關(guān)斷時(shí)，由于吸收電容C1的存在，減少了S2的關(guān)斷損耗。

圖7所示是諧振電感Lr的電流波形圖。與理想情況不同的是，由于存在能量的損耗，諧振電感電流在正的最大值和負(fù)的最大值時(shí)并不能維持一個(gè)恒定的值不變，而是有一定的減小的變化趨勢(shì)。

圖7 諧振電感Lr的電流波形Fig.7 The current waveform of the resonant inductor Lr

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所研究的ZVS Boost升壓變換器能夠較大的提高兩級(jí)式單相非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器的效率，研制了一套額定功率為3 kW的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)Fig.8 Experimental prototype

其中，該樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)為:輸入電壓為Upv=200～500VDC;升壓后的直流母線電壓為 Udc=400VDC;輸出電壓為Ugrid=220VAC;輸出頻率fac=50 Hz;ZVS Boost主電感L1=1.6 mH;光伏陣列輸入電容 Cin1=195 μF;直流母線電容 Cin=2000 μF;輸出濾波電感L2=L3=1.2 mH;輸出濾波電容Cout=4.7 μF;ZVS Boost升壓變換器中其它的參數(shù)如表2所示。此外，核心控制板采用浮點(diǎn)型 DSP:TMS320F28335。本次實(shí)驗(yàn)相關(guān)波形及數(shù)據(jù)結(jié)果是利用TDS2014示波器及WT3000功率分析儀進(jìn)行測(cè)量得到的。

圖9所示為ZVS Boost升壓變換器中主開關(guān)管S1兩端的電壓與門極驅(qū)動(dòng)波形，圖9(b)是圖9(a)開通與關(guān)斷過(guò)程的局部放大圖。在主開關(guān)管S1導(dǎo)通之前，由于諧振回路的存在，它兩端的電壓已經(jīng)下降為零，即S1實(shí)現(xiàn)了零電壓開通與關(guān)斷。

圖9 主開關(guān)管S1的電壓與驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)波形Fig.9 The voltage and driving experimental waveforms of the main switch S1

圖10所示為輔助開關(guān)管S2兩端的電壓與門極驅(qū)動(dòng)波形，同樣，圖10(b)是圖10(a)開通與關(guān)斷過(guò)程的局部放大圖。

圖10 輔助開關(guān)管S2的電壓與驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)波形Fig.10 The voltage and driving experimental waveforms of the auxiliary switch S2

由圖10可知，S2在導(dǎo)通的瞬間有較小的開通損耗，關(guān)斷的時(shí)候幾乎沒有關(guān)斷損耗，這是由于吸收電容C1的存在，使得S2的開關(guān)損耗極小。

圖11所示是ZVS Boost升壓變換器中諧振電感Lr的電流波形圖。為了更清楚的觀察Lr的電流波形，在測(cè)量Lr的電流時(shí)，增加開關(guān)管S1和S2的導(dǎo)通時(shí)間，可以看出測(cè)量出的電流波形與理論分析及仿真結(jié)果基本一致。

圖11 諧振電感Lr的電流實(shí)驗(yàn)波形Fig.11 The current experimental waveforms of the resonant inductor Lr

針對(duì)所研究的前級(jí)為ZVS Boost升壓變換器的兩級(jí)式單相非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器，在相同頻率和功率等級(jí)下，本文將其與前級(jí)為硬開關(guān)Boost升壓變換器的光伏并網(wǎng)逆變器進(jìn)行效率測(cè)試對(duì)比，測(cè)試結(jié)果如圖12所示。H代表光伏并網(wǎng)逆變器的前級(jí)Boost電路是硬開關(guān)電路，S則代表其前級(jí)為ZVS Boost電路。其中，效率測(cè)量?jī)x器采用橫河的WT3000高精度功率分析儀。

圖12 單相光伏并網(wǎng)逆變器效率測(cè)試曲線Fig.12 Efficiency curves of single-phase photovoltaic grid-connected inverter

從圖12中可以看出，通過(guò)在單相非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器的前級(jí)采用本文研究的ZVS Boost升壓變換器可以較大幅度的提高光伏并網(wǎng)逆變器的整機(jī)效率，功率為2.5 kW時(shí)的最大效率可達(dá)97.16%。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)兩級(jí)式單相非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器的前級(jí)Boost升壓電路，本文研究了一種新型的 ZVS Boost升壓變換器。該電路拓?fù)渫ㄟ^(guò)增加一個(gè)輔助諧振回路，實(shí)現(xiàn)了主開關(guān)管與輔助開關(guān)管的零電壓導(dǎo)通與關(guān)斷，并將其與H6橋式逆變電路組合為兩級(jí)式單相非隔離型光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)。通過(guò)分析工作原理，諧振參數(shù)選擇，建立了仿真模型，并以一臺(tái)功率為3 kW的樣機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，采用本文研究的ZVS Boost升壓變換器可以很好的實(shí)現(xiàn)其開關(guān)管的軟開關(guān)控制，從而提高光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的整機(jī)效率，具有很好的應(yīng)用價(jià)值及實(shí)際意義。

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(編輯:劉琳琳)

ZVS boost converter of photovoltaic inverter system

MENG Jian-hui， FU Chao， SHI Xin-chun， WANG Yi
(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources，North China Electric Power University，Baoding 071003，China)

For the pre-stage circuit of two-stage single-phase non-isolated photovoltaic(PV)grid inverter，a zero voltage switching(ZVS)boost converter circuit topology，which is realized by adding a switch tube，a resonant inductor，a snubber capacitor and two diodes to form auxiliary circuit，is researched to achieve the ZVS of main switch tube and the auxiliary switch in the boost converter circuit，thus significantly reducing the switching losses.The operation mode of the proposed ZVS Boost converter circuit topology was analyzed.Then the quantitative relationship between the resonant inductor and resonant capacitor as well as the absorption of the capacitance and the respective selection criteria was explored.The simulation and experimental validation of the researched circuit topology was completed，from which the experimental results show that the whole efficiency of the proposed two single-phase non-isolated PV grid inverter can achieve up to 97.16%on 20 kHz switching frequency and 2.5 kW.

single-phase grid-connected inverter;boost converter;soft switching circuit;resonant circuit;zero voltage switching(ZVS)

TM 464

A

1007－449X(2013)11－0001－07

2013－02－19

國(guó)家自然科學(xué)基金(51277072，50977028);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(13MS74)

孟建輝(1987—)，男，博士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)、新能源發(fā)電與電力系統(tǒng);

付 超(1979—)，男，博士，講師，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電、電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用;

石新春(1950—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾滦凸β首儞Q技術(shù)、電能質(zhì)量、高頻電源技術(shù)等;

王 毅(1977—)，男，博士后，副教授，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)、電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用等。

孟建輝