一种零电流转换H6结构非隔离光伏并网逆变器_肖华锋

XIAO Huafeng, LIU Xipu, LAN Ke
(School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, Jiangsu Province, China) ABSTRACT: Low leakage current and high efficiency are two key indexes for transformerless PV grid-connected inverter. The transformerless inverter has superior efficiency thanks to saving the transformer, but its switches work at hard-switching state at present. This paper presents a new zero-currenttransition H6 type transformerless PV grid-connected inverter, the zero-current turn-off of the high frequency main switches, and the zero-current turn-on of the auxiliary switches are achieved by introducing two resonant tanks. The operation principle, soft-switching conditions, duty cycle restrict, and resonant tank parameters design rule are analyzed in detail. Finally, the validity of the zero-voltage-transition full bridge inverter is verified by a prototype rated at 50kHz, 1kW. KEY WORDS: grid-connected inverter; transformerless; zero-current-transition; resonant tank 摘要： 非隔离型单相光伏并网逆变器的漏电流和效率是两个 关键指标。非隔离型并网逆变器相比隔离型结构有效率优 势， 但到目前为止， 非隔离型并网逆变器的高频开关仍然工 作在硬开关状态。提出一种零电流转换 H6 结构非隔离光伏 并网逆变器， 通过引入两组谐振支路可以实现高频主开关的 零电流关断， 及高频辅助开关管的零电流开通。 详细分析了 新型逆变器的工作模态、 软开关条件、 占空比约束条件和谐 振参数设计方法，并通过一台 50kHz、1kW 原理样机验证 新型逆变器的可行性。 关键词：并网逆变器；非隔离；零电流关断；谐振
iD3, iD2 t5 t6 t7 t8 (b) 驱动信号
图1
新型零电流转换非隔离光伏并网逆变器 Novel ZCT transformerless PV grid-connected inverter
Fig. 1
段的箝位二极管，工作方式与 H6 拓扑一致[16]，本 节重点介绍 ZCT 谐振支路的工作过程。 1.2 工作原理 图 1(b)为 ZCT-H6 在进网电流正半周运行时的 驱动信号时序图，S1、S4 持续开通，S2、S3 持续断 开，S5、S6 以单极性 SPWM 调制方式工作，辅助开 关 S5a、S6a 仅在 S5、S6 关断时刻附近的一个时段内 开通，为 S5、S6 创造零电流关断条件。相对应地， 在进网电流负半周，S1、S4 持续关断，S2、S3 持续 开通，S5、S6 以及辅助开关 S5a、S6a 的工作方式与 正半周一致。可见，在 ZCT-H6 中 S1—S4 为低频开 关管几乎不产生开关损耗，主开关 S5、S6 是开关损 耗的主要产生者。本文试图通过为 S5、S6 引入谐振 支路创造零电流关断来降低开关损耗，同时实现辅 助开关 S5a、S6a 的零电流开通。本节详细分析主开 关 S5、S6 和辅助开关 S5a、S6a 及谐振支路在 SPWM
第1期
肖华锋等：一种零电流转换 H6 结构非隔离光伏并网逆变器
D5 S5 D5a Upv Cdc1 PV Cdc2 S5a S6a D a D6a S6 D6 (a) 提出的电路结构 C6a L6a D8 S2 D2 S1 D7 1 S3 D1 D3 L1 IL
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变换效率和电路性能的提高[8]。 单 极 性 正 弦脉 宽 调 制 (sinusoidal pulse width modulation，SPWM)全桥非隔离光伏并网逆变器为 了消除开关频率脉动的共模电压
1
1.1
ZCT-H6 电路构成和原理分析
新型电路的构成 为了实现高频功率器件的软开关工作，本文针
对 HS-H6 的主开关 S5、S6 引入谐振元件 C5a、L5a、 C6a 和 L6a，辅助开关管 S5a/D5a、S6a/D6a，和辅助二 极管 Da 构成谐振支路，如图 1(a)所示，其中：L5a L6aLr；C5aC6aCr；S1—S4 为工频全桥电路开关 管；L1、L2 和 C1 为进网滤波器；D7、D8 为续流阶
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第 34 卷 第 1 期 2014 年 1 月 5 日
中
国 电 机 工 程 学 Proceedings of the CSEE
报
Vol.34 No.1 Jan.5, 2014 ©2014 Chin.Soc.for Elec.Eng. 中图分类号：TM 46
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2014.01.004
[15]
L5a C5a
， 可在主电路中
电网
构造新的续流回路，使续流阶段光伏电池输出端与 电网脱离，从而切断共模回路。从具体的实现措施 来看，可分为直流侧旁路[16-19]和交流侧旁路[20-22]两 种。为进一步提高共模电流抑制性能，文献[15]从 并网逆变器共模模型中推导出“续流回路电平箝位 至光伏阵列输入电压中点”的结论，可实现开关频 率共模电压的彻底消除。 文献[16,18,21]中的拓扑均 符合这一结论，但它们达到的箝位效果有差异[18]。 在现有单相全桥非隔离光伏并网逆变器中， 文献[16] 拓扑(俗称 H6)抑制漏电流的效果最好。另外，H6 拓扑将逆变器主电路中的高频开关管移至直流侧 回路， 从而为该电路的高频开关管引入 ZCT 谐振回 路创造了条件[23]。 本文基于 H6 拓扑，提出一种零电流转换 H6 结构非隔离光伏并网逆变器 (zero-current-transition H6 type transformerless PV grid-connected inverter， ZCT-H6) 电路。对高频功率器件加入零电流转换 (zero-current-transition，ZCT)谐振支路实现主功率 器件零电流关断和辅助功率器件的零电流开通，对 实现并网逆变器的高频化有重要价值。同时保证了 续流阶段时续流回路电平的自由箝位，从而实现整 个开关期间共模电压恒定，可适用于非隔离光伏并 网场合。本文详细分析 ZCT-H6 电路的工作原理和 工作模态，讨论主开关的软开关条件、占空比约束 条件和谐振参数设计方法。最后通过一台 50kHz、 1kW 原理样机验证 ZCT-H6 的差模特性和共模特 性，及高频开关管的软开关情况，并给出 ZCT-H6 与 硬 开 关 H6 拓 扑 (hard switching H6 type transformerless PV grid-connected inverter，HS-H6) 的效率对比曲线。
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中
国
电
机
工
程
学
报
D5 L5a D5a C5a Cdc1 Cdc2 S5a S6a D
a
第 34 卷
开关周期内的工作状态，在稳态分析过程中假设进 网电感电流为恒流源 IL，一个开关周期分为 9 个工 作模态，如图 2 所示。
S5
S1 D7
S3 D1 D3
1）模态 1[t0, t1]：t0 时刻前 S1、S4、S5、S6 开通，
0 引言
非隔离型光伏并网逆变器已在分布式光伏发电 其 系统中占主流， 受到国内外学者的广泛关注[1-2]。 中，追求高效率是推动非隔离并网逆变器发展的最
基金项目：国家自然科学基金项目(51207024)；教育部博士点基金 项目(20120092120054)。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51207024); the Ph.D. Programs Foundation of Ministry of Education of China (20120092120054).
为常规的功率传输阶段，谐振电容 C5a、C6a 上的电 压为恒值 UCa，且 UCa0.5UPV，否则 Da 将导通； 谐振电感 L 5 a 、 L 6 a 上的电流为零。 t 0 时刻起辅
D5 S5 D5a Cdc1 Cdc2 S5a S6a D
a
D6a C6a L6a S6 D6
D8 S2
C1 2 S4 L2 D4

S1, S4 S5, S6 S5a, S6a iS5 IL
vS5 iL5a
iD5 iS5a UCa iDa iD5a ILa
vC5a vS5a vDa Upv
UCa 0.5Upv 0.5Upv UCa

2UCa Upv 2UCa iS1, iS4

t 0t 1t 2t器，特别是单 相非隔离并网逆变器变换效率的主要途径有：提出 新型的多电平拓扑结构(以五电平为主流[3-5])，或采 用新型的功率器件， 如 SiC 型、 GaN 型功率管等[6-7]。 单相五电平非隔离并网逆变器可降低开关管的 电压应力和减小滤波器体积及损耗，有利于提高变 换效率，但大幅增加的功率器件数量和分压电容均 衡问题使得电路可靠性降低和控制复杂度增加，同 时成本降低并不明显；新型功率半导体器件的应用 对提高非隔离并网逆变器变换效率是根本性的，是 推动电力电子技术发展的源动力。但现阶段新型材 料的功率器件仍然存在制备工艺不成熟、成品率低 等缺陷，使得生产成本居高不下，这与目前市场对 新能源发电成本降低的期望相违背。软开关技术是 当前技术背景下进一步提高非隔离并网逆变器变换 效率和降低成本的可行途径。 基于 Si 型半导体器件 的软开关技术可大幅减小甚至消除开关损耗，从而 可大幅提高非隔离并网逆变器的开关频率，对减小 滤波器体积、提高功率密度非常有利，从而降低了 逆变器生产成本和分布式光伏系统的安装成本[8]。 逆变器的软开关概念最早由美国威斯康星大学 的 Divan 博士提出[9]，经过多年发展已有包括谐振 DC 环节方式、 谐振极方式、 负载侧谐振方式等[10-13]， 从谐振电路或辅助电路所处逆变器主电路上位置的 不同， 可分为直流侧型和交流侧型。 在现有的逆变器 软开关技术中仍然存在调制方式实现困难、器件电 压/电流应力大、谐振元件数量多损耗大等问题[14]。 零电流转换(zero current transition， ZCT)技术因其不 改变主开关管的定频开关方式、主开关较小的电压/ 电流应力等优点在直流变换器中得到广泛应用，若 能将其应用到非隔离并网逆变器拓扑中将有利于