CN116683787A - 一种可零开关损耗运行的软开关非隔离并网逆变电路 - Google Patents

一种可零开关损耗运行的软开关非隔离并网逆变电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可零开关损耗运行的软开关非隔离并网逆变电路，包括逆变电路包括母线电容组、功率开关组、续流开关组和辅助谐振网络，通过加入全控开关、谐振电容和谐振电感组成的谐振网络，在相应的开关控制时序下，可实现功率开关管S1～S5零电流开通和零电流关断、续流开关管Sf2和Sf4零电流开通和零电流关断、功率开关管S5a和S4a的零电流开通和零电流关断、辅助功率二极管Da1～Da4零电流关断，消除了二极管的反向恢复问题。本发明的逆变电路实现可零开关损耗运行，令非隔离逆变电路突破开关损耗对开关频率的限制，有利于提高开关频率。

Description

一种可零开关损耗运行的软开关非隔离并网逆变电路
技术领域
本发明涉及一种可零开关损耗运行的软开关非隔离并网逆变电路，属于逆变电路软开关技术领域。
背景技术
非隔离型光伏并网逆变器结构简单、效率高，在行业中得到广泛应用。现有的逆变电路通常采用硬开关方式运行，如图1所示专利US 7411802 B2所公开的H5逆变电路。为了实现更高的转换效率，现有逆变器只能在较低的开关频率下工作，导致需要较大的滤波电感和滤波电容，从而增加了逆变器的功率密度和成本。
限制非隔离并网逆变器开关频率提高的主要因素是开关损耗，开关频率越高开关损耗也会越大，从而导致逆变效率越低，且需要更大体积的散热装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：如何提高现有非隔离并网逆变器的开关频率，进而提高逆变效率。
为解决上述技术问题，本发明提供一种可零开关损耗运行的软开关非隔离并网逆变电路，包括：
母线电容组、功率开关、续流开关和辅助谐振网络；
第五功率开关、第一功率开关、第二功率开关依次串联后联接在母线电容组的两端；
第五功率开关、第三功率开关、第四功率开关依次串联后联接在母线电容组的两端；
所述辅助谐振网络包括第一辅助谐振单元，所述第一辅助谐振单元连接在第五功率开关两端，第一辅助谐振单元通过中间电感连接第二辅助谐振单元，所述第二辅助谐振单元通过第二续流开关连接至第一功率开关、第二功率开关之间的节点，所述第二辅助谐振单元通过第四续流开关连接至第三功率开关、第四功率开关之间的节点，所述第二辅助谐振单元同时连接至母线电容组；
第一进网滤波电感、进网滤波电容、第二进网滤波电感依次串联后两端分别连接在第一功率开关与第二功率开关之间的节点、第三功率开关与第四功率开关之间的节点。
前述的一种可零开关损耗运行的软开关非隔离并网逆变电路，所述第一功率开关包括并联连接的第一功率开关管和第一功率二极管。
前述的一种可零开关损耗运行的软开关非隔离并网逆变电路，所述第二功率开关包括并联连接的第二功率开关管和第二功率二极管。
前述的一种可零开关损耗运行的软开关非隔离并网逆变电路，所述第三功率开关包括并联连接的第三功率开关管和第三功率二极管。
前述的一种可零开关损耗运行的软开关非隔离并网逆变电路，所述第四功率开关包括并联连接的第四功率开关管和第四功率二极管。
前述的一种可零开关损耗运行的软开关非隔离并网逆变电路，所述第五功率开关包括并联连接的第五功率开关管和第五功率二极管。
前述的一种可零开关损耗运行的软开关非隔离并网逆变电路，所述第二续流开关包括第二续流开关管，第二续流开关管与一个二极管并联。
所述第四续流开关包括第四续流开关管，第四续流开关管与一个二极管并联。
前述的一种可零开关损耗运行的软开关非隔离并网逆变电路，所述第一辅助谐振单元包括第一辅助功率二极管和第二辅助功率二极管，第一辅助功率二极管和第二辅助功率二极管的负极均连接至第五功率开关、第一功率开关之间的节点，第一辅助功率二极管与第二辅助功率二极管的正极之间连接第一辅助电容，第七功率开关管的一端连接至母线电容组的一端，第七功率开关管的另一端连接至第一辅助功率二极管的正极；第二辅助功率二极管的正极连接至中间电感。
前述的一种可零开关损耗运行的软开关非隔离并网逆变电路，所述第二辅助谐振单元包括第三辅助功率二极管和第四辅助功率二极管，第三辅助功率二极管的负极通过第二辅助电容、第六功率开关管连接至母线电容组的另一端, 第三辅助功率二极管的正极同时连接第二续流开关、第四辅助功率二极管的正极，第四辅助功率二极管的负极连接至第六功率开关管，第四辅助功率二极管的正极连接第四续流开关；第三辅助功率二极管的负极连接至中间电感。
前述的一种可零开关损耗运行的软开关非隔离并网逆变电路，所述母线电容组包括一个母线电容。
前述的一种可零开关损耗运行的软开关非隔离并网逆变电路，所述母线电容组包括两个串联连接的母线电容，分别为第一母线电容和第二母线电容；
所述中间电感包括串联连接的第一中间电感、第二中间电感；
第一中间电感与第二中间电感之间的节点连接至第一母线电容与第二母线电容之间的节点。
本发明达到的有益效果：本发明的可零开关损耗运行的软开关非隔离并网逆变电路，通过加入全控开关、谐振电容和谐振电感组成的谐振网络，在相应的开关控制时序下，可实现功率开关管S1～S5零电流开通和零电流关断、续流开关管Sf2和Sf4零电流开通和零电流关断、功率开关管S5a和S4a的零电流开通和零电流关断、辅助功率二极管Da1～Da4零电流关断，消除了二极管的反向恢复问题，逆变电路实现可零开关损耗运行，令非隔离逆变电路突破开关损耗对开关频率的限制，有利于提高开关频率、无源元件小型化及样机集成，逆变电路能够实现功率器件零开关损耗运行，不会额外增加主开关管的电流幅值及导通损耗，适用于非隔离逆变***应用。
同时，本发明实施例二中的逆变电路结构能够实现将共模电压箝位在一半的输入电压，令逆变电路具有消除非隔离型逆变***漏电流的功能。
附图说明
图1为现有的H5逆变电路的电路示意图；
图2为本发明实施例一提供的非隔离并网逆变电路示意图；
图3为本发明实施例一提供的开关控制时序图；
图4为本发明实施例一在一个开关周期内的理论工作波形图；
图5为本发明实施例一模态1的示意图；
图6为本发明实施例一模态2的示意图；
图7为本发明实施例一模态3的示意图；
图8为本发明实施例一模态4的示意图；
图9为本发明实施例一模态5的示意图；
图10为本发明实施例一模态6的示意图；
图11为本发明实施例一模态7的示意图；
图12为本发明实施例一模态8的示意图；
图13为本发明实施例一第五功率开关管S5的工作波形图；
图14为本发明实施例一第七功率开关管S5a的工作波形图；
图15为本发明实施例一第一辅助功率二极管Da1的工作波形图；
图16为本发明实施例一第三辅助功率二极管Da3的工作波形图；
图17为本发明实施例一第四续流开关管Sf4的工作波形图；
图18为本发明实施例二提供的非隔离并网逆变电路示意图；
图19为本发明实施例二共模电压仿真波形图。
图中标记为：
Cdc、Cdc1、Cdc2—母线电容、第一母线电容、第二母线电容；
S1～S5、S4a、S5a—第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管、第五功率开关管、第六功率开关管、第七功率开关管；
D1～D5—第一功率二极管、第二功率二极管、第三功率二极管、第四功率二极管、第五功率二极管；
Da1、Da2、Da3、Da4—第一辅助功率二极管、第二辅助功率二极管、第三辅助功率二极管、第四辅助功率二极管；
Sf2、Sf4—第二续流开关管、第四续流开关管；
ug—电网电压；
UPV—太阳能电池板输出电压；
L1、L2、La、La1、La2—第一进网滤波电感、第二进网滤波电感、中间电感、第一中间电感、第二中间电感；
Cf—进网滤波电容。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
图1所示为H5逆变电路示意图，为硬开关工作，图2为本发明的一种可零开关损耗运行的软开关非隔离并网逆变电路的实施例一的电路图，包括：
母线电容组1、功率开关、续流开关和辅助谐振网络4；
第五功率开关25、第一功率开关21、第二功率开关22依次串联后联接在母线电容组1的两端；
第五功率开关25、第三功率开关23、第四功率开关24依次串联后联接在母线电容组1的两端；
所述辅助谐振网络4包括第一辅助谐振单元，所述第一辅助谐振单元连接在第五功率开关25两端，第一辅助谐振单元通过中间电感La连接第二辅助谐振单元，所述第二辅助谐振单元通过第二续流开关32连接至第一功率开关21、第二功率开关22之间的节点，所述第二辅助谐振单元通过第四续流开关34连接至第三功率开关23、第四功率开关24之间的节点，所述第二辅助谐振单元同时连接至母线电容组；
第一进网滤波电感L1、进网滤波电容Cf、第二进网滤波电感L2依次串联后两端分别连接在第一功率开关21与第二功率开关22之间的节点、第三功率开关23与第四功率开关24之间的节点。
太阳能电池板输出电压UPV与母线电容组并联。
所述第一功率开关21包括并联连接的第一功率开关管S1和第一功率二极管D1；
所述第二功率开关22包括并联连接的第二功率开关管S2和第二功率二极管D2；
所述第三功率开关23包括并联连接的第三功率开关管S3和第三功率二极管D3；
所述第四功率开关24包括并联连接的第四功率开关管S4和第四功率二极管D4；
所述第五功率开关25包括并联连接的第五功率开关管S5和第五功率二极管D5。
所述第二续流开关32包括第二续流开关管Sf2，第二续流开关管Sf2与一个二极管并联；
所述第四续流开关34包括第四续流开关管Sf4，第四续流开关管Sf4与一个二极管并联。
所述第一辅助谐振单元包括第一辅助功率二极管Da1和第二辅助功率二极管Da2，第一辅助功率二极管Da1和第二辅助功率二极管Da2的负极均连接至第五功率开关25、第一功率开关21之间的节点，第一辅助功率二极管Da1与第二辅助功率二极管Da2的正极之间连接第一辅助电容Ca1，第七功率开关管S5a的一端连接至母线电容组的一端，第七功率开关管S5a的另一端连接至第一辅助功率二极管Da1的正极；第二辅助功率二极管Da2的正极连接至中间电感La。
所述第二辅助谐振单元包括第三辅助功率二极管Da3和第四辅助功率二极管Da4，第三辅助功率二极管Da3的负极通过第二辅助电容Ca2、第六功率开关管S4a连接至母线电容组的另一端, 第三辅助功率二极管Da3的正极同时连接第二续流开关32、第四辅助功率二极管Da4的正极，第四辅助功率二极管Da4的负极连接至第六功率开关管S4a，第四辅助功率二极管Da4的正极连接第四续流开关34；第三辅助功率二极管Da3的负极连接至中间电感La。
所述母线电容组包括一个母线电容Cdc。
图3为本发明实施例提供的开关控制时序，第一功率开关管S1和第四续流开关管Sf4在进网电流正半周一直开通、在负半周一直关断；第三功率开关管S3和第二续流开关管Sf2在进网电流正半周一直关断、在负半周一直开通；第二功率开关管S2在进网电流正半周一直关断、在负半周高频动作；第四功率开关管S4在进网电流正半周高频动作、在负半周一直关断；第五功率开关管S5在整个电网周期高频动作；第六功率开关管S4a和第七功率开关管S5a在全周期内均高频开关动作。第六功率开关管S4a和第七功率开关管S5a的导通延迟于第五功率开关管S5的导通时间，关断时间相同。
图4是本发明实施例一在高频开关周期刻度的理论工作波形图，图5至图12是本发明实施例一在一个开关周期内模态1～8的等效工作模态图。
在本实施例中，太阳能电池板输出电压UPV＝400V、电网电压ug＝220VRMS、电网频率fg＝50Hz、额定功率PN＝1000W、母线电容Cdc＝470μF；进网滤波电感L1＝L2＝0.5mH；滤波电容C1＝2.2μF；电池板对地寄生电容Cpv1＝Cpv2＝0.15μF；开关频率f＝50kHz、谐振参数Lr＝12μH、Cr＝47nF。
从图13到图17所示的实施结果可以看出，在图2所示电路结构配合图3所示的开关控制时序的情况下，可以实现第一功率开关管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的零电流开通和零电流关断，第七功率开关管S5a、第六功率开关管S4a的零电流开通和零电流关断，实现第一辅助功率二极管Da1、第二辅助功率二极管Da2、第三辅助功率二极管Da3、第四辅助功率二极管Da4零电流关断，消除了功率二极管中的反向恢复问题。
实施例二
图18为本发明实施例二的电路图,一种可零开关损耗运行的软开关非隔离并网逆变电路，包括：
母线电容组、功率开关、续流开关和辅助谐振网络4；
第五功率开关25、第一功率开关21、第二功率开关22依次串联后联接在母线电容组1的两端；
第五功率开关25、第三功率开关23、第四功率开关24依次串联后联接在母线电容组1的两端；
所述辅助谐振网络4包括第一辅助谐振单元，所述第一辅助谐振单元连接在第五功率开关25两端，第一辅助谐振单元依次通过第一中间电感La1、第二中间电感La2连接第二辅助谐振单元，所述第二辅助谐振单元通过第二续流开关32连接至第一功率开关21、第二功率开关22之间的节点，所述第二辅助谐振单元通过第四续流开关34连接至第三功率开关23、第四功率开关24之间的节点，所述第二辅助谐振单元同时连接至母线电容组；
第一进网滤波电感L1、进网滤波电容Cf、第二进网滤波电感L2依次串联后两端分别连接在第一功率开关21与第二功率开关22之间的节点、第三功率开关23与第四功率开关24之间的节点。
所述第一功率开关21包括并联连接的第一功率开关管S1和第一功率二极管D1；
所述第二功率开关22包括并联连接的第二功率开关管S2和第二功率二极管D2；
所述第三功率开关23包括并联连接的第三功率开关管S3和第三功率二极管D3；
所述第四功率开关24包括并联连接的第四功率开关管S4和第四功率二极管D4；
所述第五功率开关25包括并联连接的第五功率开关管S5和第五功率二极管D5。
所述第二续流开关32包括第二续流开关管Sf2，第二续流开关管Sf2与一个二极管并联；
所述第四续流开关34包括第四续流开关管Sf4，第四续流开关管Sf4与一个二极管并联。
所述第一辅助谐振单元包括第一辅助功率二极管Da1和第二辅助功率二极管Da2，第一辅助功率二极管Da1和第二辅助功率二极管Da2的负极连接至第五功率开关25、第一功率开关21之间的节点，第一辅助功率二极管Da1与第二辅助功率二极管Da2的正极之间连接第一辅助电容Ca1，第七功率开关管S5a的一端连接至母线电容组的一端，第七功率开关管S5a的另一端连接至第一辅助功率二极管Da1的正极；第二辅助功率二极管Da2的正极连接至中间电感La。
所述第二辅助谐振单元包括第三辅助功率二极管Da3和第四辅助功率二极管Da4，第三辅助功率二极管Da3的负极通过第二辅助电容Ca2、第六功率开关管S4a连接至母线电容组的另一端, 第三辅助功率二极管Da3的正极同时连接第二续流开关32、第四辅助功率二极管Da4的正极，第四辅助功率二极管Da4的负极连接至第六功率开关管S4a，第四辅助功率二极管Da4的正极连接第四续流开关34；第三辅助功率二极管Da3的负极连接至中间电感La。
所述母线电容组包括两个串联连接的母线电容，分别为第一母线电容Cdc1和第二母线电容Cdc2，第一中间电感La1与第二中间电感La2之间的节点连接至第一母线电容Cdc1与第二母线电容Cdc2之间的节点。
本发明实施例二提供的开关控制时序，第一功率开关管S1和第四续流开关管Sf4在进网电流正半周一直开通、在负半周一直关断；第三功率开关管S3和第二续流开关管Sf2在进网电流正半周一直关断、在负半周一直开通；第二功率开关管S2在进网电流正半周一直关断、在负半周高频动作；第四功率开关管S4在进网电流正半周高频动作、在负半周一直关断；第五功率开关管S5在整个电网周期高频动作；第六功率开关管S4a和第七功率开关管S5a在全周期内均高频开关动作。第六功率开关管S4a和第七功率开关管S5a的导通延迟于第五功率开关管S5的导通时间，关断时间相同。
在图18所示电路结构配合图3所示的开关控制时序的情况下，可以实现第一功率开关管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的零电流开通和零电流关断，第七功率开关管S5a、第六功率开关管S4a的零电流开通和零电流关断，实现第一辅助功率二极管Da1、第二辅助功率二极管Da2、第三辅助功率二极管Da3、第四辅助功率二极管Da4零电流关断，消除了功率二极管中的反向恢复问题。图19所示的仿真波形则说明箝位结构则能够保证逆变器在功率传输、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。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (11)

1.一种可零开关损耗运行的软开关非隔离并网逆变电路，其特征在于：包括：
母线电容组（1）、功率开关、续流开关和辅助谐振网络（4）；
第五功率开关（25）、第一功率开关（21）、第二功率开关（22）依次串联后联接在母线电容组（1）的两端；
第五功率开关（25）、第三功率开关（23）、第四功率开关（24）依次串联后联接在母线电容组（1）的两端；
所述辅助谐振网络（4）包括第一辅助谐振单元，所述第一辅助谐振单元连接在第五功率开关（25）两端，第一辅助谐振单元通过中间电感连接第二辅助谐振单元，所述第二辅助谐振单元通过第二续流开关（32）连接至第一功率开关（21）、第二功率开关（22）之间的节点，所述第二辅助谐振单元通过第四续流开关（34）连接至第三功率开关（23）、第四功率开关（24）之间的节点，所述第二辅助谐振单元同时连接至母线电容组；
第一进网滤波电感（L1）、进网滤波电容（Cf）、第二进网滤波电感（L2）依次串联后两端分别连接在第一功率开关（21）与第二功率开关（22）之间的节点、第三功率开关（23）与第四功率开关（24）之间的节点。
2.根据权利要求1所述的一种可零开关损耗运行的软开关非隔离并网逆变电路，其特征在于：所述第一功率开关（21）包括并联连接的第一功率开关管（S1）和第一功率二极管（D1）。
3.根据权利要求1所述的一种可零开关损耗运行的软开关非隔离并网逆变电路，其特征在于，所述第二功率开关（22）包括并联连接的第二功率开关管（S2）和第二功率二极管（D2）。
4.根据权利要求1所述的一种可零开关损耗运行的软开关非隔离并网逆变电路，其特征在于：所述第三功率开关（23）包括并联连接的第三功率开关管（S3）和第三功率二极管（D3）。
5.根据权利要求1所述的一种可零开关损耗运行的软开关非隔离并网逆变电路，其特征在于：所述第四功率开关（24）包括并联连接的第四功率开关管（S4）和第四功率二极管（D4）。
6.根据权利要求1所述的一种可零开关损耗运行的软开关非隔离并网逆变电路，其特征在于：所述第五功率开关（25）包括并联连接的第五功率开关管（S5）和第五功率二极管（D5）。
7.根据权利要求1所述的一种可零开关损耗运行的软开关非隔离并网逆变电路，其特征在于：所述第二续流开关（32）包括第二续流开关管（Sf2），第二续流开关管（Sf2）与一个二极管并联；
所述第四续流开关（34）包括第四续流开关管（Sf4），第四续流开关管（Sf4）与一个二极管并联。
8.根据权利要求1所述的一种可零开关损耗运行的软开关非隔离并网逆变电路，其特征在于：所述第一辅助谐振单元包括第一辅助功率二极管（Da1）和第二辅助功率二极管（Da2），第一辅助功率二极管（Da1）和第二辅助功率二极管（Da2）的负极均连接至第五功率开关（25）、第一功率开关（21）之间的节点，第一辅助功率二极管（Da1）与第二辅助功率二极管（Da2）的正极之间连接第一辅助电容（Ca1），第七功率开关管（S5a）的一端连接至母线电容组的一端，第七功率开关管（S5a）的另一端连接至第一辅助功率二极管（Da1）的正极；第二辅助功率二极管（Da2）的正极连接至中间电感。
9.根据权利要求1所述的一种可零开关损耗运行的软开关非隔离并网逆变电路，其特征在于：所述第二辅助谐振单元包括第三辅助功率二极管（Da3）和第四辅助功率二极管（Da4），第三辅助功率二极管（Da3）的负极通过第二辅助电容（Ca2）、第六功率开关管（S4a）连接至母线电容组的另一端,第三辅助功率二极管（Da3）的正极同时连接第二续流开关（32）、第四辅助功率二极管（Da4）的正极，第四辅助功率二极管（Da4）的负极连接至第六功率开关管（S4a），第四辅助功率二极管（Da4）的正极连接第四续流开关（34）；第三辅助功率二极管（Da3）的负极连接至中间电感。
10.根据权利要求1所述的一种可零开关损耗运行的软开关非隔离并网逆变电路，其特征在于：所述母线电容组包括一个母线电容。
11.根据权利要求1所述的一种可零开关损耗运行的软开关非隔离并网逆变电路，其特征在于：所述母线电容组包括两个串联连接的母线电容，分别为第一母线电容（Cdc1）和第二母线电容（Cdc2）；
所述中间电感包括串联连接的第一中间电感（La1）、第二中间电感（La2）；
第一中间电感（La1）与第二中间电感（La2）之间的节点连接至第一母线电容（Cdc1）与第二母线电容（Cdc2）之间的节点。
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