易臻希

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南長(zhǎng)沙410111)

單相全橋光伏并網(wǎng)逆變器的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)研究

易臻希

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所，湖南長(zhǎng)沙410111)

傳統(tǒng)的光伏并網(wǎng)逆變器采用硬開(kāi)關(guān)模式，其功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)損耗大，效率低，發(fā)熱多，電磁干擾也很?chē)?yán)重。為了解決上述問(wèn)題，將零電壓轉(zhuǎn)換軟開(kāi)關(guān)技術(shù)應(yīng)用于光伏并網(wǎng)逆變器；在介紹兩級(jí)無(wú)隔離單相全橋并網(wǎng)逆變器之后，對(duì)軟開(kāi)關(guān)的工作機(jī)理進(jìn)行分析，并設(shè)計(jì)了相關(guān)參數(shù)；最后，利用試驗(yàn)證明了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的可行性。

光伏并網(wǎng)逆變器；軟開(kāi)關(guān)；諧振；開(kāi)關(guān)損耗

文獻(xiàn)[1]采用兩個(gè)反串開(kāi)關(guān)管的輔助諧振支路，研制零電壓轉(zhuǎn)換型四象限軟開(kāi)關(guān)斬波器，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，效率較硬開(kāi)關(guān)提高明顯。本文將這種結(jié)構(gòu)的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)應(yīng)用于單相小功率光伏發(fā)電系統(tǒng)中，研究單相全橋光伏并網(wǎng)逆變器的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。在分析電路工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了輔助諧振回路，并對(duì)諧振過(guò)程進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了軟開(kāi)關(guān)參數(shù)。

1　兩級(jí)無(wú)隔離單相全橋并網(wǎng)逆變器

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是太陽(yáng)能并網(wǎng)逆變器的關(guān)鍵部分，它直接影響著并網(wǎng)逆變器的效率和成本。逆變器分類(lèi)方式有多種，按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的級(jí)數(shù)分，可分為單級(jí)逆變器和多級(jí)逆變器。按逆變器的輸入端和輸出端是否隔離，又可分為隔離型和非隔離型。圖1為兩級(jí)無(wú)隔離單相全橋并網(wǎng)逆變器，第一級(jí)為DC-DC直流BOOST升壓電路，將太陽(yáng)能電池陣列輸出的低壓直流電升壓至較高電壓等級(jí)直流電；第二級(jí)為SPWM高頻DC-AC逆變電路，將高壓直流電轉(zhuǎn)換成50 Hz交流電并饋入電網(wǎng)。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可適應(yīng)寬輸入電壓范圍，體積小，質(zhì)量輕，可降低成本和提高效率，是目前常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方式。

圖1兩級(jí)無(wú)隔離單相全橋并網(wǎng)逆變器

圖1中的DC-AC逆變電路采用以絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)為開(kāi)關(guān)器件的單相全橋結(jié)構(gòu)。其中，L1、L2為交流輸出電感，VT1-VT4是功率開(kāi)關(guān)管，每個(gè)開(kāi)關(guān)管上均有反并聯(lián)二極管，逆變器由兩個(gè)橋臂并聯(lián)組成，屬于升壓式結(jié)構(gòu)。全橋式逆變器工作原理是：當(dāng)VT1、VT4導(dǎo)通，VT2、VT3截止時(shí)，電流由直流母線正極開(kāi)始，經(jīng)VT1、L1、市電電網(wǎng)、L2和VT4后，回到負(fù)極；當(dāng)VT1、VT4截止時(shí)，VT2、VT3導(dǎo)通時(shí)，電流從電源正極經(jīng)VT2、L2、市電電網(wǎng)、L1和VT3后，再回到電源負(fù)極?？刂聘哳lSPWM脈沖波，使得兩對(duì)IGBT管交替開(kāi)關(guān)，在A、B兩端形成正負(fù)交變的方波。經(jīng)過(guò)濾波電感的作用，在濾波器的輸出端形成正弦波交流波形。逆變橋臂并聯(lián)二極管起到無(wú)功能量通道和續(xù)流的作用。

傳統(tǒng)單相全橋并網(wǎng)逆變器采用硬開(kāi)關(guān)工作方式，不斷提高逆變器的工作頻率存在開(kāi)關(guān)損耗大、感性關(guān)斷電壓尖峰大、容性開(kāi)通電流尖峰大、電磁干擾嚴(yán)重等問(wèn)題，利用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)主開(kāi)關(guān)管的零電壓轉(zhuǎn)換，降低功率器件開(kāi)關(guān)損耗，改善電磁兼容性。

2　軟開(kāi)關(guān)單相全橋并網(wǎng)逆變器

圖2為軟開(kāi)關(guān)單相全橋并網(wǎng)逆變器DC-AC逆變電路，其主要特點(diǎn)是將輔助諧振支路與主功率開(kāi)關(guān)管并聯(lián)，在主功率管變換的很短一段時(shí)間間隔內(nèi)，使輔助諧振電路工作，為主功率管創(chuàng)造零電壓開(kāi)關(guān)條件。L1、L2，VT1-VT4，VD1-VD4的含義與圖1相同，諧振支路中VTr1和VTr2是諧振開(kāi)關(guān)管，作用是控制諧振回路的開(kāi)通關(guān)斷；Cr是諧振電容，作用是為主開(kāi)關(guān)管創(chuàng)造零電壓開(kāi)關(guān)條件；Lr是諧振電感，作用是為VTr1和VTr2創(chuàng)造零電流開(kāi)關(guān)條件。

圖2　軟開(kāi)關(guān)單相全橋并網(wǎng)逆變器DC-AC逆變電路

為了簡(jiǎn)化分析，假設(shè)所有元件均為理想元件，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，認(rèn)為負(fù)載電流為一恒定值IL0。當(dāng)逆變器工作在VT1、VT4橋臂時(shí)，其工作時(shí)序如圖3所示，共分為7個(gè)工作階段，詳細(xì)分析如下：

圖3　軟開(kāi)關(guān)逆變器工作時(shí)序圖

（1）二極管續(xù)流階段（t0～t1）續(xù)流二極管VD2、VD3導(dǎo)通，主開(kāi)關(guān)管VT1，VT4關(guān)斷，諧振回路中的輔助開(kāi)關(guān)管VTr1、VTr2關(guān)斷，Lr電流為零，此時(shí)負(fù)載能量經(jīng)續(xù)流支路反饋回Ud，諧振電容Cr兩端電壓為Ud。

（2）電感充電階段（t1～t2）t1時(shí)刻VTr1開(kāi)通，由于Lr的作用，Tr1為零電流開(kāi)通。Tr1開(kāi)通之前電壓為Ud，Tr開(kāi)通后，Lr的電壓為Ud，其電流線性增加，電流變化率為：diLr/dt=Ud/Lr，VD2、VD3電流線性減小，負(fù)載的電流由VD2、VD3支路轉(zhuǎn)換到Lr支路。在t:2時(shí)刻，Lr的電流上升到IL0，VD2、VD3電流減小到0。

李瑞東，清朝直隸武清縣人，放到今天就是天津武清區(qū)人。從出身來(lái)說(shuō)，他算是四李當(dāng)中最有錢(qián)的一個(gè)。他父親李小歧是縣衙吏員，精通醫(yī)術(shù)，家有良田四十余傾，房屋八十余間，并辦有藥材生意，還開(kāi)有一家叫“濟(jì)生堂”的連鎖藥店。

（3）諧振階段（t2～t3）當(dāng) iLr＞IL0時(shí)，VD2，VD3零電流關(guān)斷，諧振電容Cr開(kāi)始放電，在續(xù)流二極管關(guān)斷之后，諧振回路Cr和Lr開(kāi)始進(jìn)行諧振。諧振方程為：

（4）Lr放電、Cr反向充電階段（t3～t4）諧振周期末的t3時(shí)刻，Cr放電至-Ud，VD1，VD4導(dǎo)通，將VT1，VT4兩端電壓箝位為零，VT1和VT4可在零電壓條件下開(kāi)通。VT1，VT4開(kāi)通后，Lr兩端電壓反向，iLr迅速下降到零。

（5）iLr防反階段（t4～t5）當(dāng)諧振電感電流iLr降為零后，由于VTr2的防反作用使諧振回路不能反向諧振，諧振電感電流iLr維持為零值，所以VTr1可在零電流條件下關(guān)斷。

（6）負(fù)載充電階段（t5～t6）在此時(shí)間段內(nèi)，VT1，VT4導(dǎo)通，Ud為負(fù)載充電，輔助開(kāi)關(guān)管VTr1及其輔助二極管VDr1完全關(guān)斷。

（7）軟關(guān)斷階段（t6～t7）在t6時(shí)刻，主開(kāi)關(guān)管VT1，VT4關(guān)斷，由于存在Cr，VT1，VT4是零電壓關(guān)斷，在iL0的作用下VT1和VT4兩端電壓緩慢上升到Ud，此時(shí)VD2，VD3導(dǎo)通，開(kāi)始下一工作周期。

3　軟開(kāi)關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1諧振電容的選擇

諧振電容Cr在諧振過(guò)程中進(jìn)行循環(huán)的充放電工作，為主開(kāi)關(guān)創(chuàng)造零電壓開(kāi)通和關(guān)斷的條件，從而減小主開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)損耗，并且降低主開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)時(shí)的du/dt，因此，Cr容量越大效果越好。然而，諧振電容中儲(chǔ)存的能量在主開(kāi)關(guān)開(kāi)通過(guò)程中必須全部放掉，由于器件選取、外接電路干擾等原因，主開(kāi)關(guān)管不可能準(zhǔn)確地在其兩端電壓剛好為零的時(shí)候開(kāi)通，而是近似零電壓開(kāi)通，所以在主開(kāi)關(guān)中存在開(kāi)通損耗，Cr越大開(kāi)通損耗越大。因此Cr的大小選取需要綜合開(kāi)通和關(guān)斷兩種情況，使總損耗最小。一般情況下硬開(kāi)關(guān)工作的電壓變化率為2 kV/μs，軟開(kāi)關(guān)工作的電壓變化率較硬開(kāi)關(guān)小10倍左右[2]。其電壓變化率為：

取duce/dt=200 V/μs，逆變器穩(wěn)定工作電流il0= 15 A，可得Cr=0.075 μF，綜合開(kāi)通和關(guān)斷兩種損耗，取Cr=0.068 μF。

3.2諧振電感的選擇

3.3諧振開(kāi)關(guān)管及二極管的選擇

諧振開(kāi)關(guān)管應(yīng)選取導(dǎo)通壓降低、開(kāi)關(guān)速度快的IGBT，其峰值電流與諧振電感的峰值電流相同，最大電壓與諧振電容的最大電壓相同。直流母線工作電壓Ud=400 V，逆變器最大輸出電流30 A，開(kāi)關(guān)管工作頻率20 kHz，選擇60 A/600 V的IGBT作為諧振開(kāi)關(guān)管。

諧振二極管與諧振開(kāi)關(guān)管并聯(lián)在一起，其選取原則與諧振開(kāi)關(guān)管相同，同時(shí)需要有快速的反向恢復(fù)特性，選擇60 A/600 V的超快恢復(fù)二極管作為諧振二極管。

4　軟開(kāi)關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4為Ud=400 V，負(fù)載電流為15 A時(shí)VT4的導(dǎo)通波形。圖4（a）為硬開(kāi)關(guān)情況下主開(kāi)關(guān)管CE兩端波形，IGBT開(kāi)通速度快，CE電壓在開(kāi)通過(guò)程中有明顯尖峰；圖4（b）為軟開(kāi)關(guān)情況下主開(kāi)關(guān)管CE兩端波形。IGBT開(kāi)通時(shí)間得到延長(zhǎng)，抑制了過(guò)高的du/dt，主開(kāi)關(guān)管CE電壓變化平穩(wěn)，有效防止了電磁干擾。

圖4　VT4導(dǎo)通波形

5　總　結(jié)

本文將零電壓轉(zhuǎn)換型軟開(kāi)關(guān)技術(shù)應(yīng)用于單相全橋光伏并網(wǎng)逆變器中，軟開(kāi)關(guān)輔助諧振電路與主功率開(kāi)關(guān)器件并聯(lián)，為主功率開(kāi)關(guān)器件創(chuàng)造零電壓開(kāi)關(guān)條件，其所處位置不受輸入電壓和輸出負(fù)載的影響。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)具有損耗小、效率高、電磁干擾小的特點(diǎn)。利用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)可以提高功率管開(kāi)關(guān)頻率，提高功率密度，減小開(kāi)關(guān)器件的電壓電流應(yīng)力，減小電磁輻射，提高信號(hào)處理電路的可靠性。

[1]夏猛，徐俊起，龍文波，等.四象限軟開(kāi)關(guān)懸浮斬波器研究[J].電力電子技術(shù)，2011，45(4)：98-99.

[2]王寧，姚煊道.軟開(kāi)關(guān)懸浮斬波器研究[J].電力電子技術(shù)，2006，40(3)：86-87.

[3]蔡先武.太陽(yáng)能并網(wǎng)逆變系統(tǒng)研究[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué).2008.

[4]李云鋼，王寧，談瑛，等.磁浮列車(chē)的軟開(kāi)關(guān)懸浮斬波器研究[J].機(jī)車(chē)電傳動(dòng).2014，(5)：38-41.

[5]劉戰(zhàn)濤.四象限軟開(kāi)關(guān)懸浮斬波器研究[D].成都：西南交通大學(xué).2008.

[6]呂丹.光伏并網(wǎng)逆變器軟開(kāi)關(guān)技術(shù)研究[D].北京：北京交通大學(xué).2012.6.

Research on Soft-Switching in Single-Phase Full-bridge Grid-connected Inverter

YI Zhenxi
(The 48thResearch Insititute of CETC，Changsha 410111，China)

The traditional photovoltaic grid connected inverter adopts hard switching mode，the power switchdevicehas largeswitching loss，low efficiency，highheatgenerationandserious electromagnetic interference.In order to solve the above problems，the paper applies the zero voltage soft switching technology to the grid connected photovoltaic inverter.After introducing the two level non isolated single phase full bridge grid connected inverter，the working mechanism of the soft switch is analyzed，and the related parameters are designed.Finally，the feasibility of soft switching technology is proved by experiments.

Photovoltaic grid-connected inverter；Soft-switching；Resonance；Switching loss

TN712

B

1004-4507(2016)11-0050-04

2016-09-08

易臻希（1969-），男，高級(jí)工程師，從事太陽(yáng)能光伏產(chǎn)品及應(yīng)用系統(tǒng)研究。