CN103107729A - 单相隔离并网逆变器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单相隔离并网逆变器，包括用于把直流电源PV转换成交流电的转换隔离电路、用于升压及整流的开关整流电路、用于将半波整流转换成符合并网要求的正弦波的H桥换向电路，转换隔离电路和开关整流电路连接，开关整流电路和H桥换向电路连接，转换隔离电路和开关整流电路共同组成组合电路。本发明采用了推挽电路、全桥电路+H桥换向电路，同时加入了谐振软开关技术，不但实现副边电流的临界导通，而且还实现了原边开关管零电压导通，从而使效率更高，同时由于加入了谐振，使每个开关周期内原边和副边的电流接近正弦半波，减少谐波产生，优化了***电磁兼容性能（EMC），使输出滤波电感和输出滤波器的体积有较大减小。

Description

单相隔离并网逆变器及其控制方法

技术领域

本发明涉及光伏发电领域，尤其涉及单相隔离并网逆变器及其控制方法。

背景技术

单相光伏逆变器一般采用一级或两级无变压器非隔离拓扑实现，效率可以做到很高，但是会带来漏电流的问题，虽然有些拓扑能够解决漏电流问题，但是不能从根本上解决；采用隔离拓扑，可以从空间上完全切断漏电流路径，彻底解决漏电流问题，但效率一般不高，主要原因是隔离拓扑一般用两级拓扑，一级DC/DC用变压器升降压，一级DC/AC逆变，为了减小体积，升降压部分采用了高频隔离，在高频状态，原副边开关管及变压器损耗均会变大，效率低，因此业内提出用一级高频隔离实现DC/AC得到100Hz/120Hz馒头半波，然后用H桥转换为50Hz/60Hz正弦波，这样效率将有较大提高。目前美国Enphase公司专利产品采用两路flyback交错实现DC/AC，H桥转换实现正弦波，控制采用临界模式实现副边零电流导通，消除副边功率管反向恢复，其最高效率可达96%以上，已经非常接近非隔离拓扑。但是其产品在原边开关还是硬开关，效率想要更进一步提升很困难，其对逆变输出直流分量抑制和其他一般拓扑一样，***电磁兼容性能（EMC）没有得到改善。在本发明之前，由直流变换交流的控制方法，业内常用SPWM或者SVPWM，但是这两种控制方法很难实现软开关，这对逆变器效率的更进一步提高带来了一定的局限性，使其完全取决于器件和拓扑的优化。

发明内容

本发明的目的在于提出一种效率更高，***电磁兼容性能（EMC）更优化的隔离逆变器。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种单相隔离并网逆变器，其特征在于：所述逆变器包括用于把直流电源PV转换成交流电的转换隔离电路（1）、用于谐振及整流的开关整流电路（2）、用于将半波整流转换成符合并网要求的正弦波的H桥换向电路（3），转换隔离电路（1）的输出端和开关整流电路（2）的输入端连接，开关整流电路（2）的输出端和H桥换向电路（3）的输入端连接，转换隔离电路（1）和开关整流电路（2）共同组成组合电路（4）。

其中，转换隔离电路（1）为推挽电路，推挽电路包括开关管K15、开关管K16和高频变压器T14， T14的原边进出线端分别接到K15、K16的一端， T14的中心抽头端为转换隔离电路（1）的第一输入端，K15、K16的另一端连接在一起作为转换隔离电路（1）的第二输入端，T14的副边进出线作为转换隔离电路（1）的第一输出端和第二输出端。

其中，转换隔离电路（1）为全桥电路，全桥电路包括开关管K17、开关管K18、开关管K19、开关管K20和高频变压器T21，K17的一端和K19的一端连接在一起作为转换隔离电路（1）的第一输入端，K18的一端和K20的一端连接在一起作为转换隔离电路（1）的第二输入端，K17的另一端和K18的另一端与T21的原边进出线的一端连接在一起, K19的另一端和K20的另一端与T21的原边进出线的另一端连接在一起，T21的副边进出线作为转换隔离电路（1）的第一输出端和第二输出端。

其中，开关整流电路（2）为谐振倍压整流电路，谐振倍压整流电路包括电感L13、电容C9、电容C10、开关管K11和开关管K12， L13的一端作为开关整流电路（2）的第一输入端，C9的一端和C10的一端连接在一起作为开关整流电路（2）的第二输入端，L13的另一端和K11的一端和K12的一端连接在一起，K11的另一端和C9的另一端连接在一起作为开关整流电路（2）的第一输出端，K12的另一端和C10的另一端连接在一起作为开关整流电路（2）的第二输出端。

其中，开关整流电路（2）为谐振全桥整流电路，谐振全桥整流电路包括电感L27、电容C26、开关管K22、开关管K23、开关管K24和开关管K25， L27的一端作为开关整流电路（2）的第一输入端，K24的一端和K25的一端连接在一起作为开关整流电路（2）的第二输入端，L27的另一端与C26的一端连接，C26的另一端和K22的一端和K23的一端连接在一起，K22的另一端和K24的另一端连接在一起作为开关整流电路（2）的第一输出端，K23的另一端和K25的另一端连接在一起作为开关整流电路（2）的第二输出端。

其中，H桥换向电路（3）包括开关管K5、开关管K6、开关管K7和开关管K8，K5的一端和K8的一端连接在一起作为H桥换向电路（3）的第一输入端，K6的一端和K7的一端连接在一起作为H桥换向电路（3）的第二输入端，K5的另一端和K6的另一端连接在一起作为H桥换向电路（3）的第一输出端，K7的另一端和K8的另一端连接在一起作为H桥换向电路（3）的第二输出端。

其中，N路组合电路（4）并联在一起，然后与H桥换向电路（3）串联，N大于等于2。

其中，组合电路（4）N路交错并联，每路之间相差一个交错角度，交错角度为Pi/N。

其中，还包括稳压电路，稳压电路的输入端接至直流电源PV的两端，稳压电路的输出端接至转换隔离电路（1）的输入端。

其中，稳压电路为N路稳压电路交错并联，每路之间相差一个交错角度，交错角度为2Pi/N。

一种逆变器的控制方法，包括：

在交流负半周期内：

控制转换隔离电路（1）：开通开关管K16、关断开关管K15，控制开关整流电路（2）：开通开关管K11、关断开关管K12，控制H桥换向电路（3）：开通开关管K8、关断开关管K7、开通开关管K6、关断开关管K5；

控制转换隔离电路（1）：关断开关管K16、关断开关管K15，控制开关整流电路（2）：开通开关管K11、关断开关管K12，控制H桥换向电路（3）：开通开关管K8、关断开关管K7、开通开关管K6、关断开关管K5；

控制转换隔离电路（1）：开通开关管K15、关断开关管K16，控制开关整流电路（2）：开通开关管K12、关断开关管K11，控制H桥换向电路（3）：开通开关管K8，关断开关管K7，开通开关管K6，关断开关管K5；

控制转换隔离电路（1）：开通开关管K15，关断开关管K16，控制开关整流电路（2）：开通开关管K12，关断开关管K11，控制H桥换向电路（3）：开通开关管K8，关断开关管K7，开通开关管K6，关断开关管K5。

其中，开关管的频率是变化的，通过调节开关管的驱动频率的变化来调节电压电流和幅值。

其中，在频率达到上限后，还要继续向上调节频率，采用brust方式来实现调节功能。

其中，在频率达到上限后，还要继续向上调节频率，采用频率不变，占空比变小来实现调节功能。

其中，每个周期的占空比是固定的。

其中，每个周期的死区是固定的。

其中，开关整流电路（2）的电压电流波形为工频的馒头半波。

其中，H桥换向电路（3）的电压电流波形为工频的正弦波。

本发明的有益效果为：一种单相隔离并网逆变器，包括用于把直流电源PV转换成交流电的转换隔离电路、用于升压及整流的开关整流电路、用于将半波整流转换成符合并网要求的正弦波的H桥换向电路，转换隔离电路和开关整流电路连接，开关整流电路和H桥换向电路连接，转换隔离电路和开关整流电路共同组成组合电路。本发明采用了推挽电路、全桥电路+H桥换向电路，同时加入了谐振软开关技术，不但实现副边电流的临界导通，而且还实现了原边开关管零电压导通，从而使效率更高，同时由于加入了谐振，使每个开关周期内原边和副边的电流接近正弦半波，减少谐波产生，优化了***电磁兼容性能（EMC），使输出滤波电感和输出滤波器的体积有较大减小，发明中的高频变压器起到了电气隔离的作用，从根本上解决了漏电流问题。本发明的控制方法把PFM引入到逆变器的控制中，结合谐振技术，实现了原边开关管零电压开通，副边整流管零电流关断。

附图说明

图1是本发明的示意图和实施例提出的功率电路图。

图2是本发明的实施例电路图。

图3是本发明的实施例负半周工作状态1。

图4是本发明的实施例负半周工作状态2。

图5是本发明的实施例负半周工作状态3。

图6是本发明的实施例负半周工作状态4。

图7是本发明的实施例的开关管关键时刻波形图。

图8是本发明全桥电路。

图9是本发明谐振全桥整流电路。

图10是组合电路交错并联逆变器电路示意图。

图11是带稳压器的逆变器电路示意图。

图12是稳压器交错并联逆变器电路示意图。

具体实施方式

下面将结合图1-图12并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图1所示，一种单相隔离并网逆变器，包括用于把直流电源PV转换成交流电的转换隔离电路1、用于谐振及整流的开关整流电路2、用于将半波整流转换成符合并网要求的正弦波的H桥换向电路3，转换隔离电路1的输出端和开关整流电路2的输入端连接，开关整流电路2的输出端和H桥换向电路3的输入端连接，转换隔离电路1和开关整流电路2共同组成组合电路4。

在本实施例中，转换隔离电路1为推挽电路，推挽电路包括开关管K15、开关管K16和高频变压器T14， T14的原边进出线端分别接到K15、K16的一端， T14的中心抽头端为转换隔离电路1的第一输入端，K15、K16的另一端连接在一起作为转换隔离电路1的第二输入端，T14的副边进出线作为转换隔离电路1的第一输出端和第二输出端。

作为另一种实施例，转换隔离电路1为全桥电路，如图8所示，全桥电路包括开关管K17、开关管K18、开关管K19、开关管K20和高频变压器T21，K17的一端和K19的一端连接在一起作为转换隔离电路1的第一输入端，K18的一端和K20的一端连接在一起作为转换隔离电路1的第二输入端，K17的另一端和K18的另一端与T21的原边进出线的一端连接在一起, K19的另一端和K20的另一端与T21的原边进出线的另一端连接在一起，T21的副边进出线作为转换隔离电路1的第一输出端和第二输出端。

在本实施例中，开关整流电路2为谐振倍压整流电路，谐振倍压整流电路包括电感L13、电容C9、电容C10、开关管K11和开关管K12， L13的一端作为开关整流电路2的第一输入端，C9的一端和C10的一端连接在一起作为开关整流电路2的第二输入端，L13的另一端和K11的一端和K12的一端连接在一起，K11的另一端和C9的另一端连接在一起作为开关整流电路2的第一输出端，K12的另一端和C10的另一端连接在一起作为开关整流电路2的第二输出端。

作为另一种实施例，开关整流电路2为谐振全桥整流电路，如图9所示，谐振全桥整流电路包括电感L27、电容C26、开关管K22、开关管K23、开关管K24和开关管K25， L27的一端作为开关整流电路2的第一输入端，K24的一端和K25的一端连接在一起作为开关整流电路2的第二输入端，L27的另一端与C26的一端连接，C26的另一端和K22的一端和K23的一端连接在一起，K22的另一端和K24的另一端连接在一起作为开关整流电路2的第一输出端，K23的另一端和K25的另一端连接在一起作为开关整流电路2的第二输出端。

在本实施例中，H桥换向电路3包括开关管K5、开关管K6、开关管K7和开关管K8，K5的一端和K8的一端连接在一起作为H桥换向电路3的第一输入端，K6的一端和K7的一端连接在一起作为H桥换向电路3的第二输入端，K5的另一端和K6的另一端连接在一起作为H桥换向电路3的第一输出端，K7的另一端和K8的另一端连接在一起作为H桥换向电路3的第二输出端。

在本实施例中，K5、K6、K7、K8、K15、K16为MOSFET，K11、K12为二极管，L13为单独的电感，C9、C10为无极性电容，T14为高频变压器。

在本实施例中，N路组合电路4并联在一起，然后与H桥换向电路3串联，N大于等于2。

进一步的，组合电路4由N路交错并联，如图10所示，每路之间相差一个交错角度，交错角度为Pi/N。

在本实施例中，逆变器还包括稳压电路，如图11所示，稳压电路的输入端接至直流电源PV的两端，稳压电路的输出端接至转换隔离电路1的输入端。稳压电路可以是降压式变换电路（buck电路）、升压式变换电路（boost电路）、升降压式变换电路（buck-boost电路）。

进一步的，稳压电路为N路稳压电路交错并联，如图12所示，每路之间相差一个交错角度，交错角度为2Pi/N。

在本实施例中，采用了推挽加H桥换向电路，同时加入谐振软开关技术，见图2，不但实现副边电流的临界导通，而且还实现了原边开关管零电压导通，从而使效率更高，同时由于加入了谐振，使每个开关周期内原边和副边的电流接近正弦半波，减少谐波产生，优化了***电磁兼容性能，使输出滤波电感和输出滤波器的体积有较大减小，实施例中的高频变压器起到了电气隔离的作用，从根本上解决了漏电流问题。

进一步的，对本实施例的详细工作原理进行分析，在交流负半周，由四个状态组成：t0、t1、t2、t3。

t0状态，如图3所示， K16开通，K15关断，逆变器原边的电流由直流电源PV正极流向T14的中心抽头，经过T14原边下部绕组，流经K16漏极，最后到直流电源PV负极；逆变器副边的电流由T14副边的同名端流出，经过L13、K11，一部分经过C9回到T14的副边异名端，一部分经过K8，经过交流源，经过K6，再经过C10回到T14的副边绕组异名端。

t1状态，如图4所示，K16关断，K15关断，由于原边绕组也是电感，存储有能量，在K16关断后，没有了电流回路，能量需要找通路释放，由于T14的存在，T14原边下半部分绕组的能量将转移到上半部分，通过中心抽头流进直流电源PV正极，又从直流电源PV负极流出，通过K15的反向二极管，回到T14原边上部分绕组的同名端，这时相当于把15的漏源极电压降为只有一个二极管压降，在电流变为0之前打开K15，将实现K15的零电压开通；由于变压器的作用且电压极性没有改变，逆变器副边的电流仍将保持tO副边电流的回路。

t2状态，如图5所示，K16关断，K15开通，逆变器原边的电流由直流电源PV正极流向T14的中心抽头，经过T14原边上部绕组，流经K15漏极，最后到直流电源PV负极；逆变器副边的电流由T14副边的异名端流出，一部分经过C10、K12、 L13,回到T14的副边同名端，一部分经过K9，经过K8，经过交流源，经过K6、再经过K12、L13回到T14的副边绕组同名端。

t3状态，如图6所示，K16关断，K15关断，电流由T14原边中心抽头流出，经过直流电源PV，经过K16回到T14下部绕组异名端；逆变器副边的电流将保持t2副边电流的回路。

进一步的，图7展示了关键时刻的波形图。

更进一步地，在设计变压器时，开关频率太高将带来很多问题，实际中都对最高频率有限制。在馒头半波过零时，最高频率不能满足增益的要求，这就要采取特别的措施去处理。本实施例中结合brust模式，使过零处满足电压或电流的需求。

在本实施例中，一种逆变器的控制方法，包括：

在交流负半周期内：

控制转换隔离电路1：开通开关管K16、关断开关管K15，控制开关整流电路2：开通开关管K11、关断开关管K12，控制H桥换向电路3：开通开关管K8、关断开关管K7、开通开关管K6、关断开关管K5；

控制转换隔离电路1：关断开关管K16、关断开关管K15，控制开关整流电路2：开通开关管K11、关断开关管K12，控制H桥换向电路3：开通开关管K8、关断开关管K7、开通开关管K6、关断开关管K5；

控制转换隔离电路1：开通开关管K15、关断开关管K16，控制开关整流电路2：开通开关管K12、关断开关管K11，控制H桥换向电路3：开通开关管K8，关断开关管K7，开通开关管K6，关断开关管K5；

控制转换隔离电路1：开通开关管K15，关断开关管K16，控制开关整流电路2：开通开关管K12，关断开关管K11，控制H桥换向电路3：开通开关管K8，关断开关管K7，开通开关管K6，关断开关管K5。

在本实施例中，开关管的频率是变化的，通过调节开关管的驱动频率的变化来调节电压电流和幅值。

在频率达到上限后，还要继续向上调节频率，采用brust方式即发一个波，关几个波来实现调节功能，随需求的不同，发几个波和关几个波各不相同。

作为另一种实施例，在频率达到上限后，还要继续向上调节频率，采用频率不变，占空比变小来实现调节功能。

在本实施例中，每个周期的占空比是固定的。

在本实施例中，每个周期的死区是固定的。

在本实施例中，开关整流电路2的电压电流波形为工频的馒头半波。

在本实施例中，H桥换向电路3的电压电流波形为工频的正弦波。

在本实施例中，把脉冲频率调制PFM引入到逆变器的控制中，结合谐振技术，以实现原边开关管零电压开通，副边整流管零电流关断。

结合拓扑的增益曲线和频率特性，使频率与输出电压或输出电流建立一个单调一一对应关系，当输出电压或需要改变时，就调节频率，改变其增益曲线，从而改变输出电压或电流。本发明的实施例中，当在馒头半波顶部时，要求输出电压或电流最大，要求的电压或电流增益也最大，开关工作频率将降低；当在馒头半波过零时，要求的增益为零，开关频率将最高。

以上所述仅为本发明的具体实施方式，这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种单相隔离并网逆变器，其特征在于：所述逆变器包括用于把直流电源PV转换成交流电的转换隔离电路（1）、用于谐振及整流的开关整流电路（2）、用于将半波整流转换成符合并网要求的正弦波的H桥换向电路（3），转换隔离电路（1）的输出端和开关整流电路（2）的输入端连接，开关整流电路（2）的输出端和H桥换向电路（3）的输入端连接，转换隔离电路（1）和开关整流电路（2）共同组成组合电路（4）。

2.根据权利要求1所述的一种单相隔离并网逆变器，其特征在于：所述转换隔离电路（1）为推挽电路，所述推挽电路包括开关管K15、开关管K16和高频变压器T14， T14的原边进出线端分别接到K15、K16的一端， T14的中心抽头端为转换隔离电路（1）的第一输入端，K15、K16的另一端连接在一起作为转换隔离电路（1）的第二输入端，T14的副边进出线作为转换隔离电路（1）的第一输出端和第二输出端。

3.根据权利要求1所述的一种单相隔离并网逆变器，其特征在于：所述转换隔离电路（1）为全桥电路，所述全桥电路包括开关管K17、开关管K18、开关管K19、开关管K20和高频变压器T21，K17的一端和K19的一端连接在一起作为转换隔离电路（1）的第一输入端，K18的一端和K20的一端连接在一起作为转换隔离电路（1）的第二输入端，K17的另一端和K18的另一端与T21的原边进出线的一端连接在一起, K19的另一端和K20的另一端与T21的原边进出线的另一端连接在一起，T21的副边进出线作为转换隔离电路（1）的第一输出端和第二输出端。

4.根据权利要求1所述的一种单相隔离并网逆变器，其特征在于：所述开关整流电路（2）为谐振倍压整流电路，谐振倍压整流电路包括电感L13、电容C9、电容C10、开关管K11和开关管K12， L13的一端作为开关整流电路（2）的第一输入端，C9的一端和C10的一端连接在一起作为开关整流电路（2）的第二输入端，L13的另一端和K11的一端和K12的一端连接在一起，K11的另一端和C9的另一端连接在一起作为开关整流电路（2）的第一输出端，K12的另一端和C10的另一端连接在一起作为开关整流电路（2）的第二输出端。

5.根据权利要求1所述的一种单相隔离并网逆变器，其特征在于：所述开关整流电路（2）为谐振全桥整流电路，谐振全桥整流电路包括电感L27、电容C26、开关管K22、开关管K23、开关管K24和开关管K25， L27的一端作为开关整流电路（2）的第一输入端，K24的一端和K25的一端连接在一起作为开关整流电路（2）的第二输入端，L27的另一端与C26的一端连接，C26的另一端和K22的一端和K23的一端连接在一起，K22的另一端和K24的另一端连接在一起作为开关整流电路（2）的第一输出端，K23的另一端和K25的另一端连接在一起作为开关整流电路（2）的第二输出端。

6.根据权利要求1所述的一种单相隔离并网逆变器，其特征在于：所述H桥换向电路（3）包括开关管K5、开关管K6、开关管K7和开关管K8，K5的一端和K8的一端连接在一起作为H桥换向电路（3）的第一输入端，K6的一端和K7的一端连接在一起作为H桥换向电路（3）的第二输入端，K5的另一端和K6的另一端连接在一起作为H桥换向电路（3）的第一输出端，K7的另一端和K8的另一端连接在一起作为H桥换向电路（3）的第二输出端。

7.根据权利要求1所述的一种单相隔离并网逆变器，其特征在于：N路所述组合电路（4）并联在一起，然后与H桥换向电路（3）串联，N大于等于2。

8.根据权利要求7所述的一种单相隔离并网逆变器，其特征在于：所述组合电路（4）N路交错并联，每路之间相差一个交错角度，交错角度为Pi/N。

9.根据权利要求1所述的一种单相隔离并网逆变器，其特征在于：所述逆变器还包括稳压电路，稳压电路的输入端接至直流电源PV的两端，稳压电路的输出端接至转换隔离电路（1）的输入端。

10.根据权利要求9所述的一种单相隔离并网逆变器，其特征在于：所述稳压电路为N路稳压电路交错并联，每路之间相差一个交错角度，交错角度为2Pi/N。

11.一种逆变器的控制方法，其特征在于：包括：

在交流负半周期内：

控制转换隔离电路（1）：开通开关管K16、关断开关管K15，控制开关整流电路（2）：开通开关管K11、关断开关管K12，控制H桥换向电路（3）：开通开关管K8、关断开关管K7、开通开关管K6、关断开关管K5；

控制转换隔离电路（1）：关断开关管K16、关断开关管K15，控制开关整流电路（2）：开通开关管K11、关断开关管K12，控制H桥换向电路（3）：开通开关管K8、关断开关管K7、开通开关管K6、关断开关管K5；

控制转换隔离电路（1）：开通开关管K15、关断开关管K16，控制开关整流电路（2）：开通开关管K12、关断开关管K11，控制H桥换向电路（3）：开通开关管K8，关断开关管K7，开通开关管K6，关断开关管K5；

控制转换隔离电路（1）：开通开关管K15，关断开关管K16，控制开关整流电路（2）：开通开关管K12，关断开关管K11，控制H桥换向电路（3）：开通开关管K8，关断开关管K7，开通开关管K6，关断开关管K5。

12.根据权利要求11所述的一种逆变器的控制方法，其特征在于：所述开关管的频率是变化的，通过调节开关管的驱动频率的变化来调节电压电流和幅值。

13.根据权利要求11所述的一种逆变器的控制方法，其特征在于：在频率达到上限后，还要继续向上调节频率，采用brust方式来实现调节功能。

14.根据权利要求11所述的一种逆变器的控制方法，其特征在于：在频率达到上限后，还要继续向上调节频率，采用频率不变，占空比变小来实现调节功能。

15.根据权利要求11所述的一种逆变器的控制方法，其特征在于：每个周期的占空比是固定的。

16.根据权利要求11所述的一种逆变器的控制方法，其特征在于：每个周期的死区是固定的。

17.根据权利要求11所述的一种逆变器的控制方法，其特征在于：开关整流电路（2）的电压电流波形为工频的馒头半波。

18.根据权利要求11所述的一种逆变器的控制方法，其特征在于：H桥换向电路（3）的电压电流波形为工频的正弦波。

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