CN202231632U

CN202231632U - 单相非隔离型低共模电流光伏并网逆变器

Info

Publication number: CN202231632U
Application number: CN2011203427176U
Authority: CN
Inventors: 梁雪芹
Original assignee: Individual
Current assignee: NEOVOLTAIC ENERGY NANTONG CO Ltd
Priority date: 2011-09-14
Filing date: 2011-09-14
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2021-09-14

Abstract

本实用新型的单相非隔离型低共模电流光伏并网逆变器，包括一个全桥拓朴电路的4个开关器件S1～S4和4个二极管D1～D4，还包括由2个续流开关器件S5和S6、2个续流二极管D5和D6、2个钳位电阻R1和R2、2个分压电容C1和C2组成的2个续流电路，所述1个续流电路串接在拓朴电路的2个开关器件S1与S2之间，另1个续流电路串接在拓朴电路的另2个开关器件S3与S4之间，2个续流电路的上端或下端为输出端与交流滤波电感连接，2个续流电路的另一端分别经2个钳位电阻R1和R2与2个分压电容C1和C2连接，2个分压电容C1和C2的另一端分别与光伏电源Vin两端连接。是一种能保持续流回路在续流时与直流侧断开的基础上，还具有续流回路不进行高频开关，同时只有两个开关器件进行高频开关，且开关时电压的振幅为Vin/2的损耗低、效率高和易于驱动等优点。

Description

单相非隔离型低共模电流光伏并网逆变器

技术领域

本实用新型涉及一种将直流电能转换为交流电能的逆变器，特别是一种更适合将光伏阵列的太阳能电池的直流电能转换为与市电并网的交流电能的逆变器，属于直流/交流(DC/AC)电能转换装置。

背景技术

现有的光伏并网逆变器主要有：

1）隔离型并网逆变器，主要是通过使用隔离变压器（将直流侧和交流侧进行电气绝缘，虽然不存在共模电流（漏电流）等带来的安全上和EMC等的问题，但是成本高，电能变换效率低。

2）非隔离并网逆变器，通过省略隔离变压器来提高电能变换效率。由于直流侧和交流侧没有电气绝缘，又由于光伏阵列和地之间存在寄生电容，会产生共模电流，这便增加了电磁辐射和安全隐患。为此应设法抑制非隔离型光伏并网逆变器中的共模电流。以下为共模电流小的主要4种非隔离并网逆变器：

A．双极性全桥逆变电路

其电路如图1所示，该双极性全桥逆变电路，虽然电路结构简单，共模电流（漏电流）小，但是电路中的四个开关（S1～S4）始终在高频开关，开关损耗大，而且输出电流纹波大，增加了交流滤波电感上（L1，L2）的损耗，另外存在滤波电感（L1，L2）和储能电容（C）之间的能量交换，电感与电容器件中的寄生因素引起额外的功率损耗。所以整体变换效率极低。

B．带交流旁路的全桥逆变器

其电路如图2所示，在该逆变器中，通过对图1的全桥拓扑的交流侧增加一个双向续流支路（S5，S6，D5， D6），使得续流回路在续流时与直流侧断开，从而使该拓扑不仅抑制了共模电流，而且没有滤波电感（L1，L2）和储能电容（C）之间的能量交换的问题。输出电压为单极性，电流纹波小，减小了交流滤波电感（L1，L2）上的损耗。另外同时只有两个开关（S1与S4或者S2与S3）进行高频开关，这也减小了开关损耗，所以整体变换效率较高。缺点：所有的6个开关器件（S1～S6）都必须有直流电压(Vin)以上的耐压。另外以直流电压的负端（点2）为基准电位的话，一共有4个开关器件（S1，S3，S5，S6）的门极驱动器需要承受振幅等于直流电压(Vin)的电压变化，这样降低了电路的可靠性，加大了驱动电路的复杂性。同时，在处于续流阶段时，续流回路（A点，B点）的电位状态取决于电路寄生参数（开关器件上的寄生电容等），这容易引起震荡，不但带来噪声，也会影响电路的稳定性。

C．带直流旁路的全桥逆变器

其电路如图3所示，在该逆变器中，通过对图1的全桥拓扑的直流侧增加两个开关器件和二级管（S5，S6，D5，D6，Daux1，Daux2），使得续流回路在续流时与直流侧断开，从而使该拓扑不仅抑制了共模电流，而且没有滤波电感（L1，L2）和储能电容（C）之间的能量交换的问题。输出电压为单极性，电流纹波小，减小了交流滤波电感上（L1，L2）的损耗，另外同时只有两个开关（S5与S6）进行高频开关，这也减小了开关损耗，所以整体变换效率较高。相对于带交流旁路的全桥逆变器电路，带直流旁路的全桥逆变器拓扑有两个开关器件（S5与S6）只要直流电压一半(Vin/2)的耐压（其他四个需要直流电压(Vin)耐压），而且处于续流阶段，续流回路的电位稳定在直流电压的一半电位(Vin/2)上，电路工作稳定。

缺点：导通时电流需要经过四个器件（S5->S1->S4->S6或者S5->S3->S2->S6），使得导通损耗较高。续流时电流流过两个二级管（D1与D4或D2与D3），这会增加二级管反向恢复引起的损耗。另外以直流电压的负端（点2）为基准的话，一共有3个开关器件（S1，S3，S5）的门极驱动器需要承受振幅等于直流电压(Vin)的电压变化，2个开关器件（S2，S4）的门极驱动器需要承受振幅等于直流电压一半(Vin/2)的电压变化，这样降低了电路的可靠性，加大了驱动电路的复杂性。

D．H5 桥逆变器

其电路如图4所示，在该逆变器中，通过增加对图1的全桥拓扑的直流侧增加一个额外的开关器件（S5），使得续流回路在续流时与直流侧断开，从而使该拓扑不仅抑制了共模电流，而且没有滤波电感（L1，L2）和储能电容（C）之间的能量交换的问题。输出电压为单极性，电流纹波小，减小了交流滤波电感上（L1，L2）的损耗。而且开关器件可以减少到5个，简化了电路。缺点：所有的5个开关器件（S1～S5）都必须有直流电压(Vin)以上的耐压。另外以直流电压的负端（点2）为基准的话，一共有3个开关器件（S1，S3，S5）的门将驱动器需要承受振幅等于直流电压(Vin)的电压变化，这样降低了可靠性，加大了驱动电路的复杂性。还有在处于续流阶段，续流回路的电位状态取决于电路寄生参数，这容易引起震荡，不但带来噪声，也会影响驱动电路的稳定性。另外对于开关管S5来说，必须同时工作在交流电流的正半周和负半周，损耗是S2，S4（只工作在正半周或负半周）的一倍，电路设计时必须分别对S2,S4和S5做选型，散热，可靠性等方面的设计，增加了设计的复杂性。

发明内容

本实用新型的目的是在继续保持续流回路在续流时与直流侧断开，从而不仅抑制了共模电流，没有滤波电感（L1，L2）和储能电容（C）之间的能量交换等缺点的基础上，同时只有两个开关器件（S1与S4或者S2与S3）进行高频开关，且开关时电压的振幅为Vin/2的损耗低、效率高、易于驱动的单相非隔离型低共模电流的光伏并网逆变器。

本实用新型的单相非隔离型低共模电流光伏并网逆变器，包括一个全桥拓朴电路的4个开关器件S1～S4和4个二极管D1～D4，其特征在于还包括由2个续流开关器件S5和S6、2个续流二极管D5和D6、2个钳位电阻R1和R2、2个分压电容C1和C2组成的2个续流电路，所述1个续流电路串接在拓朴电路的2个开关器件S1与S2之间，另1个续流电路串接在拓朴电路的另2个开关器件S3与S4之间，2个续流电路的上端或下端为输出端与交流滤波电感连接，2个续流电路的另一端分别经2个钳位电阻R1和R2与2个分压电容C1和C2连接，2个分压电容C1和C2的另一端分别与光伏电源Vin两端连接，所述拓朴电路的4个开关器件S1～S4受高频PWM信号控制，2个续流开关器件S5和S6受与交流输出相同频率的低频信号控制。

为了保持续流期间输出端电位稳定在Vin/2电位，可增设2个二极管D7和D8，所述2个二极管D7和D8的负极与钳位电阻R1和R2、分压电容C1和C2连接，2个二极管D7和D8的正极分别与钳位电阻R1和R2的另一端连接。

本实用新型的单相非隔离型低共模电流光伏并网逆变器，与现有逆变器相比，明显具有以下几个主要优点：

i. 续流阶段，S1～S4保持关断，使得续流回路在续流时与直流侧断开，从而使该拓扑不仅抑制了共模电流，而且没有滤波电感（L1，L2）和储能电容（C）之间的能量交换的问题，防止了电感与电容器件中的寄生因素引起额外的损耗。另外续流阶段续流回路电位稳定与Vin/2，减少了噪声，增加了电路的稳定性。

ii. 同时只有两个开关（S1与S4或者S2与S3）进行高频开关，这减小了开关损耗，而且开关时电压的振幅为Vin/2，由于振幅越小开关损耗越小，这同样也可以降低损耗，提高效率和易于驱动。

iii. 续流开关S5和S6的门极驱动的电路所需要的耐压就是Vin/2，这可以提高驱动电路工作的可靠性，也可以使得电路使用一些低成本的驱动器如高压半导体集成门极驱动电路（HVIC）成为可能，这可以降低驱动电路的成本。

. S5和S6不进行高频开关，所以开关损耗相对S1～S4的高频开关损耗可以忽略。由于半导体开关器件（如IGBT）普遍存在Trade-Off关系，即：如果导通饱和压降低的器件，开关损耗就高。开关损耗低的器件，导通饱和压降就高。由于S5、S6不进行高频开关其开关损耗可以忽略，所以可以选择低饱和压降的器件来进一步减少导通损耗。

. 输出电压为单极性，电流纹波小，减小了交流滤波电感上（L1，L2）的损耗。

Figure 2011203427176100002DEST_PATH_IMAGE003

. 元件布置灵活，可以根据应用***的不同要求，合理的配置器件。

附图说明

图1是现有的双极性全桥逆变器的一种电路结构示意图；

图2是现有的带交流旁路的全桥逆变器的一种电路结构示意图；

图3是现有的带直流旁路的全桥逆变器的一种电路结构示意图；

图4是现有的H5桥逆变器的一种电路结构示意图；

图5是本实用新型逆变器中从续流电路上端输出的一种电路结构示意图；

图6是本实用新型逆变器中从续流电路上端输出的另一种电路结构示意图；

图7是本实用新型逆变器中从续流电路下端输出的一种电路结构示意图；

图8是本实用新型逆变器中从续流电路下端输出的另一种电路结构示意图。

具体实施方式

参见附图5-8，本实用新型的单相非隔离型低共模电流光伏并网逆变器，包括一个全桥拓朴电路的4个开关器件S1～S4和4个二极管D1～D4，其特征在于还包括由2个续流开关器件S5和S6、2个续流二极管D5和D6、2个钳位电阻R1和R2、2个分压电容C1和C2组成的2个续流电路，所述1个续流电路串接在拓朴电路的2个开关器件S1与S2之间，另1个续流电路串接在拓朴电路的另2个开关器件S3与S4之间，2个续流电路的上端或下端为输出端与交流滤波电感连接，2个续流电路的另一端分别经2个钳位电阻R1和R2与2个分压电容C1和C2连接，2个分压电容C1和C2的另一端分别与光伏电源Vin两端连接，所述拓朴电路的4个开关器件S1～S4受高频PWM信号控制，2个续流开关器件S5和S6受与交流输出相同频率的低频信号控制。

所述2个续流电路的上端为输出端的电路的一种连接关系如图5所示，即：第一个续流开关器件S5源极与第一个续流二极管D5负极和拓朴电路第一个开关器件S1漏极相互连接并作为与交流滤波电感连接的一个输出端A；第二个续流开关器件S6源极与第二个续流二极管D6负极和拓朴电路第三个开关器件S3漏极相互连接并作为与交流滤波电感连接的另一个输出端B；第一个续流开关器件S5漏极与第二个续流二极管D6正极和拓朴电路第二个开关器件S2源极相互连接并经第一个钳位电阻R1与分压电容C1和C2连接；第二个续流开关器件S6漏极与第一个续流二极管D5正极和拓朴电路第四个开关器件S4源极相互连接并经第二个钳位电阻R2与分压电容C1和C2连接；拓朴电路第一个开关器件S1源极与拓朴电路第三个开关器件S3源极和分压电容C1另一端与光伏电源Vin正极连接；拓朴电路第二个开关器件S2漏极与拓朴电路第四个开关器件S4漏极和分压电容C2另一端与光伏电源Vin负极连接。

工作时，假设电流从A点流出，B点流回为输出电流的正半周；电流从B点流出，A点流回则为输出电流的负半周。

.在输出电流的正半周，S2、S3、S5始终保持关断，S6始终保持导通。当S1、S4导通时，电流通过S1->S6->S4，从直流电源Vin流向交流侧（Vac）。当S1、S4关断时，电流经过S6->D5进行续流。续流时，C和D点由R1、R2、D7、D8连接到Vin/2电位上（点3，C1=C2）。由于开关器件关断时的阻抗极高（一般为M欧姆级），不能快速的给开关器件上的寄生电容进行充放电，所以续流阶段，加上线路中寄生电感等的影响，容易引起续流回路的电位震荡，不但带来噪声，也会影响驱动电路的稳定性。R1、R2的作用在于给开关器件上的寄生电容提供一个快速充放电通路（一般为几十K欧姆到几百K欧姆），能使续流回路（A，B，C，D点）稳态时稳定在Vin/2电位上。D7、D8能保证C点和D点的电位的在瞬态（电路工作状态转换时）也不高于Vin/2。如果没有瞬态上的要求或者器件参数合理，可以省略D7、D8。

. 在输出电流的负半周，S1、S4、S6始终保持关断，S5始终保持导通。当S2、S3导通时，电流通过S3->S5->S2从直流电源Vin流向交流侧（Vac）。当S2、S3关断时，电流经过S5->D6进行续流。续流时，如i所说明，续流回路（A，B，C，D点）稳态时稳定在Vin/2电位上。

如上所述，续流阶段，S1～S4保持关断，使得续流回路在续流时与直流侧断开，从而使该拓扑不仅抑制了共模电流，而且没有滤波电感（L1，L2）和储能电容（C）之间的能量交换的问题，防止了电感与电容器件中的寄生因素引起额外的损耗。另外续流阶段续流回路电位稳定在Vin/2，减少了噪声，增加了电路的稳定性。

所述2个续流电路的上端为输出端的电路的另一种连接关系如图6所示，即：第一个续流开关器件S5源极与第一个续流二极管D5负极和拓朴电路第一个开关器件S1漏极相互连接并作为与交流滤波电感连接的一个输出端A；第二个续流开关器件S6源极与第二个续流二极管D6负极和拓朴电路第三个开关器件S3漏极相互连接并作为与交流滤波电感连接的另一个输出端B；第一个续流开关器件S5漏极与第二个续流二极管D6正极和拓朴电路第四个开关器件S4源极相互连接并经第二个钳位电阻R2与分压电容C1和C2连接；第二个续流开关器件S6漏极与第一个续流二极管D5正极和拓朴电路第二个开关器件S2源极相互连接并经第一个钳位电阻R1与分压电容C1和C2连接；拓朴电路第一个开关器件S1源极与拓朴电路第三个开关器件S3源极和分压电容C1另一端与光伏电源Vin正极连接；拓朴电路第二个开关器件S2漏极与拓朴电路第四个开关器件S4漏极和分压电容C2另一端与光伏电源Vin负极连接。

上述2个续流电路的下端为输出端的电路的一种连接关系如图7所示，即：第一个续流开关器件S5源极与第一个续流二极管D5负极和拓朴电路第一个开关器件S1漏极相互连接并经第一个钳位电阻R1与分压电容C1和C2连接；第二个续流开关器件S6源极与第二个续流二极管D6负极和拓朴电路第三个开关器件S3漏极相互连接并经第二个钳位电阻R2与分压电容C1和C2连接；第一个续流开关器件S5漏极与第二个续流二极管D6正极和拓朴电路第二个开关器件S2源极相互连接并作为与交流滤波电感连接的一个输出端C；第二个续流开关器件S6漏极与第一个续流二极管D5正极和拓朴电路第四个开关器件S4源极相互连接并作为与交流滤波电感连接的另一个输出端D；拓朴电路第一个开关器件S1源极与拓朴电路第三个开关器件S3源极和分压电容C1另一端与光伏电源Vin正极连接；拓朴电路第二个开关器件S2漏极与拓朴电路第四个开关器件S4漏极和分压电容C2另一端与光伏电源Vin负极连接。

上述2个续流电路的下端为输出端的电路的另一种连接关系如图8所示，即：第一个续流开关器件S5源极与第一个续流二极管D5负极和拓朴电路第一个开关器件S1漏极相互连接并经第一个钳位电阻R1与分压电容C1和C2连接；第二个续流开关器件S6源极与第二个续流二极管D6负极和拓朴电路第三个开关器件S3漏极相互连接并经第二个钳位电阻R2与分压电容C1和C2连接；第二个续流开关器件S6漏极与第一个续流二极管D5正极和拓朴电路第二个开关器件S2源极相互连接并作为与交流滤波电感连接的一个输出端C；第一个续流开关器件S5漏极与第二个续流二极管D6正极和拓朴电路第四个开关器件S4源极相互连接并作为与交流滤波电感连接的另一个输出端D；拓朴电路第一个开关器件S1源极与拓朴电路第三个开关器件S3源极和分压电容C1另一端与光伏电源Vin正极连接；拓朴电路第二个开关器件S2漏极与拓朴电路第四个开关器件S4漏极和分压电容C2另一端与光伏电源Vin负极连接。

Claims

1.一种单相非隔离型低共模电流光伏并网逆变器，包括一个全桥拓朴电路的4个开关器件S1～S4和4个二极管D1～D4，其特征在于还包括由2个续流开关器件S5和S6、2个续流二极管D5和D6、2个钳位电阻R1和R2、2个分压电容C1和C2组成的2个续流电路，所述1个续流电路串接在拓朴电路的2个开关器件S1与S2之间，另1个续流电路串接在拓朴电路的另2个开关器件S3与S4之间，2个续流电路的上端或下端为输出端与交流滤波电感连接，2个续流电路的另一端分别经2个钳位电阻R1和R2与2个分压电容C1和C2连接，2个分压电容C1和C2的另一端分别与光伏电源Vin两端连接，所述拓朴电路的4个开关器件S1～S4受高频PWM信号控制，2个续流开关器件S5和S6受与交流输出相同频率的低频信号控制。

2.如权利要求1所述的单相非隔离型低共模电流光伏并网逆变器，其特征在于所述2个续流电路的上端为输出端的电路连接关系是：第一个续流开关器件S5源极与第一个续流二极管D5负极和拓朴电路第一个开关器件S1漏极相互连接并作为与交流滤波电感连接的一个输出端A；第二个续流开关器件S6源极与第二个续流二极管D6负极和拓朴电路第三个开关器件S3漏极相互连接并作为与交流滤波电感连接的另一个输出端B；第一个续流开关器件S5漏极与第二个续流二极管D6正极和拓朴电路第二个开关器件S2源极相互连接并经第一个钳位电阻R1与分压电容C1和C2连接；第二个续流开关器件S6漏极与第一个续流二极管D5正极和拓朴电路第四个开关器件S4源极相互连接并经第二个钳位电阻R2与分压电容C1和C2连接；拓朴电路第一个开关器件S1源极与拓朴电路第三个开关器件S3源极和分压电容C1另一端与光伏电源Vin正极连接；拓朴电路第二个开关器件S2漏极与拓朴电路第四个开关器件S4漏极和分压电容C2另一端与光伏电源Vin负极连接。

3.如权利要求1所述的单相非隔离型低共模电流光伏并网逆变器，其特征在于所述2个续流电路的上端为输出端的电路的另一种连接关系是：第一个续流开关器件S5源极与第一个续流二极管D5负极和拓朴电路第一个开关器件S1漏极相互连接并作为与交流滤波电感连接的一个输出端A；第二个续流开关器件S6源极与第二个续流二极管D6负极和拓朴电路第三个开关器件S3漏极相互连接并作为与交流滤波电感连接的另一个输出端B；第一个续流开关器件S5漏极与第二个续流二极管D6正极和拓朴电路第四个开关器件S4源极相互连接并经第二个钳位电阻R2与分压电容C1和C2连接；第二个续流开关器件S6漏极与第一个续流二极管D5正极和拓朴电路第二个开关器件S2源极相互连接并经第一个钳位电阻R1与分压电容C1和C2连接；拓朴电路第一个开关器件S1源极与拓朴电路第三个开关器件S3源极和分压电容C1另一端与光伏电源Vin正极连接；拓朴电路第二个开关器件S2漏极与拓朴电路第四个开关器件S4漏极和分压电容C2另一端与光伏电源Vin负极连接。

4.如权利要求2或3所述的单相非隔离型低共模电流光伏并网逆变器，其特征在于还包括2个二极管D7和D8，所述2个二极管D7和D8的负极与钳位电阻R1和R2、分压电容C1和C2连接，2个二极管D7和D8的正极分别与钳位电阻R1和R2的另一端连接。

5.如权利要求1所述的单相非隔离型低共模电流光伏并网逆变器，其特征在于所述2个续流电路的下端为输出端的电路连接关系是：第一个续流开关器件S5源极与第一个续流二极管D5负极和拓朴电路第一个开关器件S1漏极相互连接并经第一个钳位电阻R1与分压电容C1和C2连接；第二个续流开关器件S6源极与第二个续流二极管D6负极和拓朴电路第三个开关器件S3漏极相互连接并经第二个钳位电阻R2与分压电容C1和C2连接；第一个续流开关器件S5漏极与第二个续流二极管D6正极和拓朴电路第二个开关器件S2源极相互连接并作为与交流滤波电感连接的一个输出端C；第二个续流开关器件S6漏极与第一个续流二极管D5正极和拓朴电路第四个开关器件S4源极相互连接并作为与交流滤波电感连接的另一个输出端D；拓朴电路第一个开关器件S1源极与拓朴电路第三个开关器件S3源极和分压电容C1另一端与光伏电源Vin正极连接；拓朴电路第二个开关器件S2漏极与拓朴电路第四个开关器件S4漏极和分压电容C2另一端与光伏电源Vin负极连接。

6.如权利要求1所述的单相非隔离型低共模电流光伏并网逆变器，其特征在于所述2个续流电路的下端为输出端的电路的另一种连接关系是：第一个续流开关器件S5源极与第一个续流二极管D5负极和拓朴电路第一个开关器件S1漏极相互连接并经第一个钳位电阻R1与分压电容C1和C2连接；第二个续流开关器件S6源极与第二个续流二极管D6负极和拓朴电路第三个开关器件S3漏极相互连接并经第二个钳位电阻R2与分压电容C1和C2连接；第二个续流开关器件S6漏极与第一个续流二极管D5正极和拓朴电路第二个开关器件S2源极相互连接并作为与交流滤波电感连接的一个输出端C；第一个续流开关器件S5漏极与第二个续流二极管D6正极和拓朴电路第四个开关器件S4源极相互连接并作为与交流滤波电感连接的另一个输出端D；拓朴电路第一个开关器件S1源极与拓朴电路第三个开关器件S3源极和分压电容C1另一端与光伏电源Vin正极连接；拓朴电路第二个开关器件S2漏极与拓朴电路第四个开关器件S4漏极和分压电容C2另一端与光伏电源Vin负极连接。

7.如权利要求5或6所述的单相非隔离型低共模电流光伏并网逆变器，其特征在于还包括2个二极管D7和D8，所述2个二极管D7和D8的正极与钳位电阻R1和R2、分压电容C1和C2连接，2个二极管D7和D8的负极分别与钳位电阻R1和R2的另一端连接。