一种零电压转换全桥型非隔离光伏并网逆变器

1、(19)中民*CCNN110033117788773399AA*(12)发明专利申请(10)申请公布号 CN 103178739(43)申请公布日 2013.06.26A(21)申请号201310135312.9(22)申请日2013.04.17(71)申请人东南大学地址 210096 江苏省南京市四牌楼 2 号(72)发明人锋(74)专利机构 江苏永衡昭辉32250人(51)Int.Cl.H02M 7/537 (2006.01)权利要求书2页说明书4页附图8页(54) 发明名称一种零电压转换器(57) 摘要型非光伏并网逆变本发明提供一种可高频软开关工作、低漏电流的非型光伏并网逆变器及其开关时

2、序，包括分压电容支路（1）、高频主开关单元（2）、谐振网络（3）、箝位支路（4）和低频换向开关单元（5）。本发明在单相六开关逆变电路 ( 俗称H6拓扑 ) 的基础上分别加入两支可控开关管、一只二极管和两组电感电容支路谐振网络为主开关单元提供零电压开通工作条件，实现了高频开关的软开关工作，可大幅降低开关损耗 ；配合开关时序同样可保证功率传递阶段、谐振阶段和续流阶段时共模电压均为同一恒定的电压值，从而消除非实现非并网逆变器的漏电流 ；本发明可光伏并网逆变器的高频化，有利于大幅降低并网逆变器的体积、重量和成本。CN 103178739 A权利要求书CN 103178739 A1/2 页1. 一种零电

3、压转换型非光伏并网逆变器，其包括分压电容支路（1）、高频主开关单元（2）、谐振网络（3）、箝位支路（4）和低频换向开关单元（5）；所述分压电容支路（1）由第一分压电容 (Cdc1)、第二分压电容 (Cdc2) 组成 ；所述高频主开关单元（2）包括第五功率开关管 (S5) 和第五功率二极管 (D5) 并联组合以及第六功率开关管 (S6) 和第六功率二极管(D6) 并联组合 ；所述谐振网络（3）由第五辅助功率开关管(S5a) 和第五辅助功率二极管(D5a)并联组合、第五辅助谐振电感 (L 5a)、第五辅助谐振电容 (C 5a)、第六辅助功率开关管 (S6a)/ 第六辅助功率二极管 (D6a) 并联

4、组合、第六辅助谐振电感 (L 6a)、第六辅助谐振电容 (C 6a) 和辅助功率二极管(Da)；所述箝位支路（4）由第七功率二极管(D7)、第八功率二极管(D8)组成 ；所述低频换向开关单元（5）由第率开关管 (S1) 和第率二极管 (D1) 并联组合、第二功率开关管 (S2) 和第二功率二极管 (D2) 并联组合、第三功率开关管 (S3) 和第三功率二极管 (D3) 并联组合、第四功率开关管 (S4) 和第四功率二极管 (D4) 并联组合组成 ；其特征在于 ：所述第率开关管 (S1)、第二功率开关管 (S2)、第三功率开关管 (S3)、第四功率开关管(S4)、第五功率开关管(S5)、第六功率

5、开关管(S6)、第五辅助功率开关管(S5a) 和第六辅助功率开关管 (S6a) 为或 MOSFET器件 ；所述第一分压电容 (Cdc1) 的正端分别连接太阳能电池正输出端、第五功率开关管 (S5) 的漏极和第五辅助功率开关管 (S5a) 的漏极、第五功率二极管 (D5) 和第五辅助功率二极管(D5a) 的阴极、第五辅助谐振电容 (C5a) 的第一端 ；所述第一分压电容 (Cdc1) 的负端分别连接第二分压电容 (Cdc2) 的正端、第七功率二极管 (S7) 的阳极和第八功率二极管 (S8) 的阴极 ；所述第二分压电容(Cdc2) 的负端分别连接太阳能电池负输出端、第六功率开关管(S6) 的源极

6、和第六辅助功率开关管 (S6a) 的源极、第六功率二极管 (D6) 和第六辅助功率二极管(D6a) 的阳极、第六辅助谐振电容 (C 6a) 的第一端 ；所述第五功率开关管(S5) 的源极分别与第五功率二极管(D5) 的阳极、第五辅助谐振电容 (C 5a) 的第二端、第五辅助谐振电感 (L 5a) 的第一端、第七功率二极管 (D7) 的阴极、第率开关管 (S1) 和第三功率开关管 (S3) 的集电极、第率二极管 (D1) 和第三功率开关管(D3) 的阴极相连接 ；所述第六功率开关管 (S6) 的漏极分别与第六功率二极管 (D6) 的阴极、第六辅助谐振电容(C 6a) 的第二端、第六辅助谐振电感(

7、L 6a) 的第一端、第八功率二极管(D8) 的阳极、第二功率开关管 (S2) 和第四功率开关管 (S4) 的发射极、第二功率二极管 (D2) 和第四功率二极管 (D4) 的阳极相连接 ；所述第五辅助功率开关管 (S5a) 的源极分别与第五辅助功率二极管 (D5a) 的阳极、辅助功率二极管 (Da) 的阴极相连接、第五辅助谐振电感 (L 5a) 的第二端相连接 ；所述第六辅助功率开关管 (S6a) 的漏极分别与第六辅助功率二极管 (D6a) 的阴极、辅助功率二极管 (Da) 的阳极相连接、第六辅助谐振电感 (L 6a) 的第二端相连接 ；所述第七功率二极管 (D7) 的阳极分别与第八功率二极管

8、 (D8) 的阴极、第一分压电容(Cdc1) 的阴极、第二分压电容 (Cdc2) 的阳极相连接 ；所述第率开关管(S1) 的发射极分别连接第二功率开关管(S2) 的集电极、第率二极管 (D1) 的阳极和第二功率二极管 (D2) 的阴极，以及连接第一进网滤波电感 (L 1) 的一端 ；所述第三功率开关管(S3) 的发射极分别连接第四功率开关管(S4) 的集电极、第三功率2权利要求书CN 103178739 A2/2 页二极管 (D3) 的阳极和第四功率二极管 (D4) 的阴极，以及连接第二进网滤波电感 (L 2) 的一端。2. 如权利要求 1 所述一种零电压转换方法，其特征在于 ：型非光伏并网逆

9、变器的开关时序将第率开关管(S1) 和第四功率开关管(S4) 同时开通关断，在进网电流正半周一直导通，负半周关断 ；将第二功率开关管(S2) 和第三功率开关管(S3) 同时开通关断，在进网电流负半周一直导通，正半周关断 ；第率开关管 (S1) 与第二功率开关管 (S2) 的驱动信号互补，并加入死区时间 ；第五功率开关管 (S5) 和第六功率开关管 (S6) 同时开通关断并按单极性 SPWM 方式高频动作，第五辅助开关 (S5a) 的开通时刻先于第五功率开关管 (S5) 的开通时刻，第五辅助开关(S5a) 的关断时刻与第五功率开关管 (S5) 的开通时刻一致 ；第六辅助开关 (S6a) 的开通时

10、刻先于第六功率开关管 (S6) 的开通时刻，第六辅助开关 (S6a) 的关断时刻与第六功率开关管(S6) 的开通时刻一致。3说明书CN 103178739 A1/4 页一种零电压转换型非光伏并网逆变器技术领域0001本发明涉及高效并网逆变器拓扑技术领域，尤其涉及一种非的软开关技术。光伏并网逆变器背景技术0002非型光伏并网逆变器相比型结构拥有效率高、体积小、重量轻和成本低等优势。但由于电池板对地寄生电容的存在，使得并网逆变器开关器件的开关动作可能产生高频时变电压作用在寄生电容之上，由此诱发的漏电流可能超出范围。高频漏电流的产生会带来传导和辐射干扰、进网电流谐波及损耗的增加，甚至危及设备和安全。

11、应用场合，0003双极性 SPWM并网逆变器可以有效消除漏电流，能直接用于非但其差模特性较差 ；单极性 SPWM并网逆变器的差模特性优良，但存在开关频率脉动的共模电压（其幅值为输入直流电压）。为了消除单极性 SPWM并网逆变器中的开关频率共模电压，已有大量专利产生，如专利 EP 1369985 A2（简称 Heric 拓扑）、专利 US 7411802B2（简称 H5 拓扑）、专利 CN101814856A（已完成实质性和，待批准）等，这些专利技术使得中、小功率单相并网逆变器的效率大幅提供，最高可达 98.8%。但是，在现阶段技术水平下，这些逆变器一般工作在 1020kHz 的开关频率，还需要

12、比较大的滤波电感和滤波电容，这样既增加了并网逆变器的体积重量，又增加了成本。0004限制非并网逆变器开关频率提升的主要因素是高频开关的开关损耗问题，随着逆变器开关频率的提升，开关损耗大幅增加，导致逆变器效率快速下降和需要更大的散热器。可见，若能降低现有非并网逆变器的开关损耗，实现高频开关的软开关工作，就能大幅提高并网逆变器的工作频率，减小滤波器体积，从而实现了并网逆变器的高频化、小型化。发0005本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种可实现高频开关软开关工作的零电压转换型非光伏并网逆变器及其开关时序。0006为实现上述目的，本发明所述非光伏并网逆变器可采用如下技术方案 ：一种零电压换型

13、非光伏并网逆变器，包括分压电容支路、高频主开关单元、谐振网络、箝位支路和低频换向开关单元 ；分压电容支路由第一分压电容 Cdc1、第二分压电容Cdc2 组成 ；高频主开关单元由第五功率开关管 S5/ 第五功率二极管D5 并联组合、第六功率开关管S6/ 第六功率二极管D6 并联组合；谐振网络由第五辅助功率开关管 S5a/ 第五辅助功率二极管D5a 并联组合、第五辅助谐振电感L 5a、第五辅助谐振电容C 5a、第六辅助功率开关管 S6a/ 第六辅助功率二极管 D6a 并联组合、第六辅助谐振电感L 6a、第六辅助谐振电容C 6a 和辅助功率二极管 Da向开关单元由第；箝位支路由第七功率二极管 D7、

14、第八功率二极管 D8 组成 ；低频换率开关管 S1/ 第率二极管 D1 并联组合、第二功率开关管 S2/ 第二功率二极管 D2 并联组合、第三功率开关管 S3/ 第三功率二极管 D3 并联组合、第四功率开关4说明书CN 103178739 A2/4 页管 S4/ 第四功率二极管 D4 并联组合组成。0007上述第率开关管 S1、第二功率开关管 S2、第三功率开关管 S3、第四功率开关管S4、第五功率开关管 S5、第六功率开关管 S6、第五辅助功率开关管 S5a、第六辅助功率开关管S6a 可以为或 MOSFET 等器件，本发明以第率开关管S1、第二功率开关管 S2、第三功率开关管 S3、第四功率

15、开关管 S4 选用，第五功率开关管 S5、第六功率开关管 S6、第五辅助功率开关管 S5a、第六辅助功率开关管 S6a 选用 MOSFET 为例进行描述和实施。0008上述第一分压电容 Cdc1 的正端分别连接太阳能电池正输出端、第五功率开关管 S5 的漏极和第五辅助功率开关管S5a 的漏极、第五功率二极管 D5 和第五辅助功率二极管D5a 的阴极、第五辅助谐振电容C 5a 的第一端 ；第一分压电容Cdc1 的负端分别连接第二分压电容Cdc2 的正端、第七功率二极管 (S7) 的阳极和第八功率二极管 (S8) 的阴极 ；第二分压电容 Cdc2 的负端分别连接太阳能电池负输出端、第六功率开关管

16、S6 的源极和第六辅助功率开关管S6a 的源极、第六功率二极管 D6 和第六辅助功率二极管D6a 的阳极、第六辅助谐振电容C 6a 的第一端 ；上述第五功率开关管 S5 的源极分别与第五功率二极管 D5 的阳极、第五辅助谐振电容C 5a 的第二端、第五辅助谐振电感L 5a 的第一端、第七功率二极管 D7 的阴极、第率开关管S1 和第三功率开关管S3 的集电极、第率二极管D1 和第三功率开关管D3 的阴极相连接 ；第六功率开关管 S6 的漏极分别与第六功率二极管 D6 的阴极、第六辅助谐振电容 C6a 的第二端、第六辅助谐振电感 L6a 的第一端、第八功率二极管 D8 的阳极、第二功率开关管 S

17、2 和第四功率开关管 S4 的发射极、第二功率二极管 D2 和第四功率二极管 D4 的阳极相连接。0009上述第五辅助功率开关管 S5a 的源极分别与第五辅助功率二极管 D5a 的阳极、辅助功率二极管 Da 的阴极相连接第五辅助谐振电容C 5a 的第二端相连接 ；第六辅助功率开关管S6a 的漏极分别与第六辅助功率二极管D6a 的阴极、辅助功率二极管Da 的阳极、第六辅助谐振电感L 6a 的第二端相连接。0010上述第七功率二极管 D7 的阳极分别与第八功率二极管 D8 的阴极、第一分压电容Cdc1 的阴极、第二分压电容 Cdc2 的阳极相连接。0011上述第率开关管S1 的发射极分别连接第二功

18、率开关管S2 的集电极、第率二极管 D1 的阳极和第二功率二极管 D2 的阴极，以及连接第一进网滤波电感L 1 的一端 ； 上述第三功率开关管S3 的发射极分别连接第四功率开关管S4 的集电极、第三功率二极管 D3 的阳极和第四功率二极管 D4 的阴极，以及连接第二进网滤波电感L 2 的一端。0012本发明所述开关来实现，具体过程如下 ：时序可以基于上述非光伏并网逆变器中的功率开关管将第率开关管 S1 和第四功率开关管 S4 同时开通关断，在进网电流正半周一直导通，负半周关断 ；将第二功率开关管 S2 和第三功率开关管 S3 同时开通关断，在进网电流负半周一直导通，正半周关断 ；第率开关管 S

19、1 与第二功率开关管 S2 的驱动信号互补，并加入死区时间 ；第五功率开关管 S5 和第六功率开关管 S6 同时开通关断并按单极性 SPWM 方式高频动作，第五辅助开关 S5a 的开通时刻先于第五功率开关管 S5 的开通时刻，第五辅助开关 S5a 的关断时刻与第五功率开关管 S5 的开通时刻一致 ；第六辅助开关 S6a 的开通时刻先于第六功5说明书CN 103178739 A3/4 页率开关管 S6 的开通时刻，第六辅助开关 S6a 的关断时刻与第六功率开关管 S6 的开通时刻一致。0013本发明在六开关电路( 俗称 H6 拓扑) 的基础上加入两组由开关、谐振电容和谐振电感组成的谐振网络以及辅

20、助二极管零电压转换支路，配合上诉开关时序，可以实现第五功率开关管 S5 和第六功率开关管 S6 的零电压开通条件逆变器在功率传输、谐振阶段和续流阶段时共模电压恒处于二分之一的电池电压来消除漏电流。从而可以实现非并网逆变器的高频化、小型化。附图说明0014图 1 是本发明主电路拓扑采用和 MOSFET 组合的电路图。0015图 2 是本发明的驱动信号产生逻辑。0016图 3 是本发明在进网电流正半高频开关周期刻度的工作波形图。0017图 4（a）-（h）是本发明在进网电流正半图，其中图 4（a）模态 1t 0, t 1 ； 图 4（b）模态 2t 1, t 2 ； 图 4（c）模态 3t 2,

21、t 3) ； 图 4（d）模态 4t 3 ；图 4（e）模态 5(t 3, t 4 ； 图 4（f）模态 6t 4, t 5 ； 图 4（g）模态 7t 5, t 6 ； 图 4（h）模态 8t 6, t 7 ；高频开关周期刻度的等效工作模态图 5（a）-（b）是本发明在一个电网周期的电网电压、进网电流和差模、共模电压波形图，其中图 5（a）共模电压和差模电压波形 ；图 5（b）共模电压和差模电压波形细节图 ； 图 6 是本发明中谐振网络工作波形图。0018图 7（a）-（e）是本发明中主要功率器件在高频开关周期刻度的工作波形图，其中图 7（a）主开关 S5 的工作波形 ；图 7（b）辅助开关

22、 S5a 的工作波形 ； 图 7（c）辅助二极管 Da 的工作波形 ； 图 7（d）低频开关 S1 的工作波形 ； 图 7（e）低频开关 S2 的工作波形 ；上述附图的主要符号及标号名称 ：C dc1、C dc2分压电容 ；S1S6、S5a、S6a功率开关管及驱动信号 ；D1 D 6、D 5a、D 6a功率二极管 ；Grid, u g电网电压 ；U pv太阳能电池板输出电压 ；L 1、L 2进网滤波电感 ；C 1进网滤波电容 ；i g进网电流 ；v DM逆变器产生的差模电压 ；v CM逆变桥产生的共模电压。具体实施方式6说明书CN 103178739 A4/4 页0019下面结合附图对本发明的

23、技术方案进行详细说明 ：图1 描述了本发明的主电路的方式，由第一分压电容Cdc1 和第二分压电容Cdc2 组成基本单元 1 ；由第五功率开关管 S5/ 第五功率二极管 D5 并联组合、第六功率开关管S6/ 第六功率二极管D6 并联组合组成基本单元2 ；由第五辅助功率开关管S5a/ 第五辅助功率二极管D5a 并联组合、第五辅助谐振电感L 5a、第五辅助谐振电容C 5a、第六辅助功率开关管 S6a/ 第六辅助功率二极管 D6a 并联组合、第六辅助谐振电感L 6a、第六辅助谐振电容C 6a 和辅助功率二极管 Da本单元 4 ；由第组成基本单元 3 ；由第七功率二极管 D7、第八功率二极管 D8 组成

24、基率开关管S1/ 第率二极管D1 并联组合、第二功率开关管 S2/ 第二功率二极管 D2 并联组合、第三功率开关管 S3/ 第三功率二极管 D3 并联组合、第四功率开关管S4/ 第四功率二极管 D4 并联组合组成基本单元 5。0020图 2 是本发明的驱动信号产生逻辑，第率开关管S1 和第四功率开关管S4 在进网电流正半周同时开通、在负半周同时关断 ；第二功率开关管 S2 和第三功率开关管 S3 在进网电流正半周同时关断、在负半周同时开关 ；为了保证可靠换流，在过零阶段所有功率开关管均关断。第五功率开关管 S5 和第六功率开关管 S6 同时按单极性 SPWM 方式高频动作，第五辅助功率开关管 S5a 和第六辅助功率开关管 S6a 同时高频开关动作，他们的载波为反向三角波第五辅助开关S5a 的关断时刻与第五功率开关管S5 的开通时刻一致 ；第六辅助开关 S6a 的关断时刻与第六功率开关管 S6 的开通时刻一致。0021图 3 是本发明在进网电流正半开关周期刻度的工作波形图。0