一種零電壓轉(zhuǎn)換全橋型非隔離光伏并網(wǎng)逆變器

1、(19)中民*CCNN110033117788773399AA*(12)發(fā)明專利申請(10)申請公布號 CN 103178739(43)申請公布日 2013.06.26A(21)申請?zhí)?01310135312.9(22)申請日2013.04.17(71)申請人東南大學(xué)地址 210096 江蘇省南京市四牌樓 2 號(72)發(fā)明人鋒(74)專利機(jī)構(gòu) 江蘇永衡昭輝32250人(51)Int.Cl.H02M 7/537 (2006.01)權(quán)利要求書2頁說明書4頁附圖8頁(54) 發(fā)明名稱一種零電壓轉(zhuǎn)換器(57) 摘要型非光伏并網(wǎng)逆變本發(fā)明提供一種可高頻軟開關(guān)工作、低漏電流的非型光伏并網(wǎng)逆變器及其開關(guān)時

2、序，包括分壓電容支路（1）、高頻主開關(guān)單元（2）、諧振網(wǎng)絡(luò)（3）、箝位支路（4）和低頻換向開關(guān)單元（5）。本發(fā)明在單相六開關(guān)逆變電路 ( 俗稱H6拓?fù)?) 的基礎(chǔ)上分別加入兩支可控開關(guān)管、一只二極管和兩組電感電容支路諧振網(wǎng)絡(luò)為主開關(guān)單元提供零電壓開通工作條件，實現(xiàn)了高頻開關(guān)的軟開關(guān)工作，可大幅降低開關(guān)損耗 ；配合開關(guān)時序同樣可保證功率傳遞階段、諧振階段和續(xù)流階段時共模電壓均為同一恒定的電壓值，從而消除非實現(xiàn)非并網(wǎng)逆變器的漏電流 ；本發(fā)明可光伏并網(wǎng)逆變器的高頻化，有利于大幅降低并網(wǎng)逆變器的體積、重量和成本。CN 103178739 A權(quán)利要求書CN 103178739 A1/2 頁1. 一種零電

3、壓轉(zhuǎn)換型非光伏并網(wǎng)逆變器，其包括分壓電容支路（1）、高頻主開關(guān)單元（2）、諧振網(wǎng)絡(luò)（3）、箝位支路（4）和低頻換向開關(guān)單元（5）；所述分壓電容支路（1）由第一分壓電容 (Cdc1)、第二分壓電容 (Cdc2) 組成 ；所述高頻主開關(guān)單元（2）包括第五功率開關(guān)管 (S5) 和第五功率二極管 (D5) 并聯(lián)組合以及第六功率開關(guān)管 (S6) 和第六功率二極管(D6) 并聯(lián)組合 ；所述諧振網(wǎng)絡(luò)（3）由第五輔助功率開關(guān)管(S5a) 和第五輔助功率二極管(D5a)并聯(lián)組合、第五輔助諧振電感 (L 5a)、第五輔助諧振電容 (C 5a)、第六輔助功率開關(guān)管 (S6a)/ 第六輔助功率二極管 (D6a) 并聯(lián)

4、組合、第六輔助諧振電感 (L 6a)、第六輔助諧振電容 (C 6a) 和輔助功率二極管(Da)；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(guān)單元（5）由第率開關(guān)管 (S1) 和第率二極管 (D1) 并聯(lián)組合、第二功率開關(guān)管 (S2) 和第二功率二極管 (D2) 并聯(lián)組合、第三功率開關(guān)管 (S3) 和第三功率二極管 (D3) 并聯(lián)組合、第四功率開關(guān)管 (S4) 和第四功率二極管 (D4) 并聯(lián)組合組成 ；其特征在于 ：所述第率開關(guān)管 (S1)、第二功率開關(guān)管 (S2)、第三功率開關(guān)管 (S3)、第四功率開關(guān)管(S4)、第五功率開關(guān)管(S5)、第六功率

5、開關(guān)管(S6)、第五輔助功率開關(guān)管(S5a) 和第六輔助功率開關(guān)管 (S6a) 為或 MOSFET器件 ；所述第一分壓電容 (Cdc1) 的正端分別連接太陽能電池正輸出端、第五功率開關(guān)管 (S5) 的漏極和第五輔助功率開關(guān)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 (Cdc1) 的負(fù)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(Cdc2) 的負(fù)端分別連接太陽能電池負(fù)輸出端、第六功率開關(guān)管(S6) 的源極

6、和第六輔助功率開關(guān)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 (C 6a) 的第一端 ；所述第五功率開關(guān)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 (C 5a) 的第二端、第五輔助諧振電感 (L 5a) 的第一端、第七功率二極管 (D7) 的陰極、第率開關(guān)管 (S1) 和第三功率開關(guān)管 (S3) 的集電極、第率二極管 (D1) 和第三功率開關(guān)管(D3) 的陰極相連接 ；所述第六功率開關(guān)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(C 6a) 的第二端、第六輔助諧振電感(

7、L 6a) 的第一端、第八功率二極管(D8) 的陽極、第二功率開關(guān)管 (S2) 和第四功率開關(guān)管 (S4) 的發(fā)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(guān)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 (L 5a) 的第二端相連接 ；所述第六輔助功率開關(guān)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 (L 6a) 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

8、 (D8) 的陰極、第一分壓電容(Cdc1) 的陰極、第二分壓電容 (Cdc2) 的陽極相連接 ；所述第率開關(guān)管(S1) 的發(fā)射極分別連接第二功率開關(guān)管(S2) 的集電極、第率二極管 (D1) 的陽極和第二功率二極管 (D2) 的陰極，以及連接第一進(jìn)網(wǎng)濾波電感 (L 1) 的一端 ；所述第三功率開關(guān)管(S3) 的發(fā)射極分別連接第四功率開關(guān)管(S4) 的集電極、第三功率2權(quán)利要求書CN 103178739 A2/2 頁二極管 (D3) 的陽極和第四功率二極管 (D4) 的陰極，以及連接第二進(jìn)網(wǎng)濾波電感 (L 2) 的一端。2. 如權(quán)利要求 1 所述一種零電壓轉(zhuǎn)換方法，其特征在于 ：型非光伏并網(wǎng)逆

9、變器的開關(guān)時序?qū)⒌诼书_關(guān)管(S1) 和第四功率開關(guān)管(S4) 同時開通關(guān)斷，在進(jìn)網(wǎng)電流正半周一直導(dǎo)通，負(fù)半周關(guān)斷 ；將第二功率開關(guān)管(S2) 和第三功率開關(guān)管(S3) 同時開通關(guān)斷，在進(jìn)網(wǎng)電流負(fù)半周一直導(dǎo)通，正半周關(guān)斷 ；第率開關(guān)管 (S1) 與第二功率開關(guān)管 (S2) 的驅(qū)動信號互補(bǔ)，并加入死區(qū)時間 ；第五功率開關(guān)管 (S5) 和第六功率開關(guān)管 (S6) 同時開通關(guān)斷并按單極性 SPWM 方式高頻動作，第五輔助開關(guān) (S5a) 的開通時刻先于第五功率開關(guān)管 (S5) 的開通時刻，第五輔助開關(guān)(S5a) 的關(guān)斷時刻與第五功率開關(guān)管 (S5) 的開通時刻一致 ；第六輔助開關(guān) (S6a) 的開通時

10、刻先于第六功率開關(guān)管 (S6) 的開通時刻，第六輔助開關(guān) (S6a) 的關(guān)斷時刻與第六功率開關(guān)管(S6) 的開通時刻一致。3說明書CN 103178739 A1/4 頁一種零電壓轉(zhuǎn)換型非光伏并網(wǎng)逆變器技術(shù)領(lǐng)域0001本發(fā)明涉及高效并網(wǎng)逆變器拓?fù)浼夹g(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種非的軟開關(guān)技術(shù)。光伏并網(wǎng)逆變器背景技術(shù)0002非型光伏并網(wǎng)逆變器相比型結(jié)構(gòu)擁有效率高、體積小、重量輕和成本低等優(yōu)勢。但由于電池板對地寄生電容的存在，使得并網(wǎng)逆變器開關(guān)器件的開關(guān)動作可能產(chǎn)生高頻時變電壓作用在寄生電容之上，由此誘發(fā)的漏電流可能超出范圍。高頻漏電流的產(chǎn)生會帶來傳導(dǎo)和輻射干擾、進(jìn)網(wǎng)電流諧波及損耗的增加，甚至危及設(shè)備和安全。

11、應(yīng)用場合，0003雙極性 SPWM并網(wǎng)逆變器可以有效消除漏電流，能直接用于非但其差模特性較差 ；單極性 SPWM并網(wǎng)逆變器的差模特性優(yōu)良，但存在開關(guān)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并網(wǎng)逆變器中的開關(guān)頻率共模電壓，已有大量專利產(chǎn)生，如專利 EP 1369985 A2（簡稱 Heric 拓?fù)洌?、專?US 7411802B2（簡稱 H5 拓?fù)洌?、專?CN101814856A（已完成實質(zhì)性和，待批準(zhǔn)）等，這些專利技術(shù)使得中、小功率單相并網(wǎng)逆變器的效率大幅提供，最高可達(dá) 98.8%。但是，在現(xiàn)階段技術(shù)水平下，這些逆變器一般工作在 1020kHz 的開關(guān)頻率，還需要

12、比較大的濾波電感和濾波電容，這樣既增加了并網(wǎng)逆變器的體積重量，又增加了成本。0004限制非并網(wǎng)逆變器開關(guān)頻率提升的主要因素是高頻開關(guān)的開關(guān)損耗問題，隨著逆變器開關(guān)頻率的提升，開關(guān)損耗大幅增加，導(dǎo)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(xiàn)有非并網(wǎng)逆變器的開關(guān)損耗，實現(xiàn)高頻開關(guān)的軟開關(guān)工作，就能大幅提高并網(wǎng)逆變器的工作頻率，減小濾波器體積，從而實現(xiàn)了并網(wǎng)逆變器的高頻化、小型化。發(fā)0005本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種可實現(xiàn)高頻開關(guān)軟開關(guān)工作的零電壓轉(zhuǎn)換型非光伏并網(wǎng)逆變器及其開關(guān)時序。0006為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所述非光伏并網(wǎng)逆變器可采用如下技術(shù)方案 ：一種零電壓換型

13、非光伏并網(wǎng)逆變器，包括分壓電容支路、高頻主開關(guān)單元、諧振網(wǎng)絡(luò)、箝位支路和低頻換向開關(guān)單元 ；分壓電容支路由第一分壓電容 Cdc1、第二分壓電容Cdc2 組成 ；高頻主開關(guān)單元由第五功率開關(guān)管 S5/ 第五功率二極管D5 并聯(lián)組合、第六功率開關(guān)管S6/ 第六功率二極管D6 并聯(lián)組合；諧振網(wǎng)絡(luò)由第五輔助功率開關(guān)管 S5a/ 第五輔助功率二極管D5a 并聯(lián)組合、第五輔助諧振電感L 5a、第五輔助諧振電容C 5a、第六輔助功率開關(guān)管 S6a/ 第六輔助功率二極管 D6a 并聯(lián)組合、第六輔助諧振電感L 6a、第六輔助諧振電容C 6a 和輔助功率二極管 Da向開關(guān)單元由第；箝位支路由第七功率二極管 D7、

14、第八功率二極管 D8 組成 ；低頻換率開關(guān)管 S1/ 第率二極管 D1 并聯(lián)組合、第二功率開關(guān)管 S2/ 第二功率二極管 D2 并聯(lián)組合、第三功率開關(guān)管 S3/ 第三功率二極管 D3 并聯(lián)組合、第四功率開關(guān)4說明書CN 103178739 A2/4 頁管 S4/ 第四功率二極管 D4 并聯(lián)組合組成。0007上述第率開關(guān)管 S1、第二功率開關(guān)管 S2、第三功率開關(guān)管 S3、第四功率開關(guān)管S4、第五功率開關(guān)管 S5、第六功率開關(guān)管 S6、第五輔助功率開關(guān)管 S5a、第六輔助功率開關(guān)管S6a 可以為或 MOSFET 等器件，本發(fā)明以第率開關(guān)管S1、第二功率開關(guān)管 S2、第三功率開關(guān)管 S3、第四功率

15、開關(guān)管 S4 選用，第五功率開關(guān)管 S5、第六功率開關(guān)管 S6、第五輔助功率開關(guān)管 S5a、第六輔助功率開關(guān)管 S6a 選用 MOSFET 為例進(jìn)行描述和實施。0008上述第一分壓電容 Cdc1 的正端分別連接太陽能電池正輸出端、第五功率開關(guān)管 S5 的漏極和第五輔助功率開關(guān)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C 5a 的第一端 ；第一分壓電容Cdc1 的負(fù)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 ；第二分壓電容 Cdc2 的負(fù)端分別連接太陽能電池負(fù)輸出端、第六功率開關(guān)管

16、S6 的源極和第六輔助功率開關(guān)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C 6a 的第一端 ；上述第五功率開關(guān)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C 5a 的第二端、第五輔助諧振電感L 5a 的第一端、第七功率二極管 D7 的陰極、第率開關(guān)管S1 和第三功率開關(guān)管S3 的集電極、第率二極管D1 和第三功率開關(guān)管D3 的陰極相連接 ；第六功率開關(guān)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(guān)管 S

17、2 和第四功率開關(guān)管 S4 的發(fā)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。0009上述第五輔助功率開關(guān)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C 5a 的第二端相連接 ；第六輔助功率開關(guān)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L 6a 的第二端相連接。0010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Cdc1 的陰極、第二分壓電容 Cdc2 的陽極相連接。0011上述第率開關(guān)管S1 的發(fā)射極分別連接第二功

18、率開關(guān)管S2 的集電極、第率二極管 D1 的陽極和第二功率二極管 D2 的陰極，以及連接第一進(jìn)網(wǎng)濾波電感L 1 的一端 ； 上述第三功率開關(guān)管S3 的發(fā)射極分別連接第四功率開關(guān)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(jìn)網(wǎng)濾波電感L 2 的一端。0012本發(fā)明所述開關(guān)來實現(xiàn)，具體過程如下 ：時序可以基于上述非光伏并網(wǎng)逆變器中的功率開關(guān)管將第率開關(guān)管 S1 和第四功率開關(guān)管 S4 同時開通關(guān)斷，在進(jìn)網(wǎng)電流正半周一直導(dǎo)通，負(fù)半周關(guān)斷 ；將第二功率開關(guān)管 S2 和第三功率開關(guān)管 S3 同時開通關(guān)斷，在進(jìn)網(wǎng)電流負(fù)半周一直導(dǎo)通，正半周關(guān)斷 ；第率開關(guān)管 S

19、1 與第二功率開關(guān)管 S2 的驅(qū)動信號互補(bǔ)，并加入死區(qū)時間 ；第五功率開關(guān)管 S5 和第六功率開關(guān)管 S6 同時開通關(guān)斷并按單極性 SPWM 方式高頻動作，第五輔助開關(guān) S5a 的開通時刻先于第五功率開關(guān)管 S5 的開通時刻，第五輔助開關(guān) S5a 的關(guān)斷時刻與第五功率開關(guān)管 S5 的開通時刻一致 ；第六輔助開關(guān) S6a 的開通時刻先于第六功5說明書CN 103178739 A3/4 頁率開關(guān)管 S6 的開通時刻，第六輔助開關(guān) S6a 的關(guān)斷時刻與第六功率開關(guān)管 S6 的開通時刻一致。0013本發(fā)明在六開關(guān)電路( 俗稱 H6 拓?fù)? 的基礎(chǔ)上加入兩組由開關(guān)、諧振電容和諧振電感組成的諧振網(wǎng)絡(luò)以及輔

20、助二極管零電壓轉(zhuǎn)換支路，配合上訴開關(guān)時序，可以實現(xiàn)第五功率開關(guān)管 S5 和第六功率開關(guān)管 S6 的零電壓開通條件逆變器在功率傳輸、諧振階段和續(xù)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(xiàn)非并網(wǎng)逆變器的高頻化、小型化。附圖說明0014圖 1 是本發(fā)明主電路拓?fù)洳捎煤?MOSFET 組合的電路圖。0015圖 2 是本發(fā)明的驅(qū)動信號產(chǎn)生邏輯。0016圖 3 是本發(fā)明在進(jìn)網(wǎng)電流正半高頻開關(guān)周期刻度的工作波形圖。0017圖 4（a）-（h）是本發(fā)明在進(jìn)網(wǎng)電流正半圖，其中圖 4（a）模態(tài) 1t 0, t 1 ； 圖 4（b）模態(tài) 2t 1, t 2 ； 圖 4（c）模態(tài) 3t 2,

21、t 3) ； 圖 4（d）模態(tài) 4t 3 ；圖 4（e）模態(tài) 5(t 3, t 4 ； 圖 4（f）模態(tài) 6t 4, t 5 ； 圖 4（g）模態(tài) 7t 5, t 6 ； 圖 4（h）模態(tài) 8t 6, t 7 ；高頻開關(guān)周期刻度的等效工作模態(tài)圖 5（a）-（b）是本發(fā)明在一個電網(wǎng)周期的電網(wǎng)電壓、進(jìn)網(wǎng)電流和差模、共模電壓波形圖，其中圖 5（a）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(xì)節(jié)圖 ； 圖 6 是本發(fā)明中諧振網(wǎng)絡(luò)工作波形圖。0018圖 7（a）-（e）是本發(fā)明中主要功率器件在高頻開關(guān)周期刻度的工作波形圖，其中圖 7（a）主開關(guān) S5 的工作波形 ；圖 7（b）輔助開關(guān)

22、 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(guān) S1 的工作波形 ； 圖 7（e）低頻開關(guān) S2 的工作波形 ；上述附圖的主要符號及標(biāo)號名稱 ：C dc1、C dc2分壓電容 ；S1S6、S5a、S6a功率開關(guān)管及驅(qū)動信號 ；D1 D 6、D 5a、D 6a功率二極管 ；Grid, u g電網(wǎng)電壓 ；U pv太陽能電池板輸出電壓 ；L 1、L 2進(jìn)網(wǎng)濾波電感 ；C 1進(jìn)網(wǎng)濾波電容 ；i g進(jìn)網(wǎng)電流 ；v DM逆變器產(chǎn)生的差模電壓 ；v CM逆變橋產(chǎn)生的共模電壓。具體實施方式6說明書CN 103178739 A4/4 頁0019下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的

23、技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明 ：圖1 描述了本發(fā)明的主電路的方式，由第一分壓電容Cdc1 和第二分壓電容Cdc2 組成基本單元 1 ；由第五功率開關(guān)管 S5/ 第五功率二極管 D5 并聯(lián)組合、第六功率開關(guān)管S6/ 第六功率二極管D6 并聯(lián)組合組成基本單元2 ；由第五輔助功率開關(guān)管S5a/ 第五輔助功率二極管D5a 并聯(lián)組合、第五輔助諧振電感L 5a、第五輔助諧振電容C 5a、第六輔助功率開關(guān)管 S6a/ 第六輔助功率二極管 D6a 并聯(lián)組合、第六輔助諧振電感L 6a、第六輔助諧振電容C 6a 和輔助功率二極管 Da本單元 4 ；由第組成基本單元 3 ；由第七功率二極管 D7、第八功率二極管 D8 組成

24、基率開關(guān)管S1/ 第率二極管D1 并聯(lián)組合、第二功率開關(guān)管 S2/ 第二功率二極管 D2 并聯(lián)組合、第三功率開關(guān)管 S3/ 第三功率二極管 D3 并聯(lián)組合、第四功率開關(guān)管S4/ 第四功率二極管 D4 并聯(lián)組合組成基本單元 5。0020圖 2 是本發(fā)明的驅(qū)動信號產(chǎn)生邏輯，第率開關(guān)管S1 和第四功率開關(guān)管S4 在進(jìn)網(wǎng)電流正半周同時開通、在負(fù)半周同時關(guān)斷 ；第二功率開關(guān)管 S2 和第三功率開關(guān)管 S3 在進(jìn)網(wǎng)電流正半周同時關(guān)斷、在負(fù)半周同時開關(guān) ；為了保證可靠換流，在過零階段所有功率開關(guān)管均關(guān)斷。第五功率開關(guān)管 S5 和第六功率開關(guān)管 S6 同時按單極性 SPWM 方式高頻動作，第五輔助功率開關(guān)管 S5a 和第六輔助功率開關(guān)管 S6a 同時高頻開關(guān)動作，他們的載波為反向三角波第五輔助開關(guān)S5a 的關(guān)斷時刻與第五功率開關(guān)管S5 的開通時刻一致 ；第六輔助開關(guān) S6a 的關(guān)斷時刻與第六功率開關(guān)管 S6 的開通時刻一致。0021圖 3 是本發(fā)明在進(jìn)網(wǎng)電流正半開關(guān)周期刻度的工作波形圖。0