单相全桥光伏并网逆变器的软开关技术研究

易臻希

【摘 要】传统的光伏并网逆变器采用硬开关模式,其功率开关器件的开关损耗大,效率低,发热多,电磁干扰也很严重.为了解决上述问题,将零电压转换软开关技术应用于光伏并网逆变器;在介绍两级无隔离单相全桥并网逆变器之后,对软开关的工作机理进行分析,并设计了相关参数;最后,利用试验证明了软开关技术的可行性. 【期刊名称】《电子工业专用设备》 【年(卷),期】2016(045)011 【总页数】5页(P50-54)

【关键词】光伏并网逆变器;软开关;谐振;开关损耗 【作 者】易臻希

【作者单位】中国电子科技集团公司第四十八研究所,湖南长沙410111 【正文语种】中 文 【中图分类】TN712

并网逆变器是光伏并网发电系统的核心部件，它将太阳能电池阵列产生的直流电变换为符合电网并网要求的交流电，其可靠性、安全性、逆变效率、成本等因素成为光伏并网发电系统的关注点。随着工作开关频率的提高，电力电子变换器的开关损耗和开关噪声随之增加，同时也易产生严重的电磁干扰。近年来，软开关技术在光伏并网逆变器中得到了广泛的应用，其做法是在传统硬开关电路上增加辅助开关管和辅助LC谐振电路，使开关管实现零电压或零电流软开关，减小系统损耗，提高

并网逆变器变换效率，提高功率密度，减小开关器件的电压电流应力，减小电磁辐射。

文献[1]采用两个反串开关管的辅助谐振支路，研制零电压转换型四象限软开关斩波器，并进行了实验，效率较硬开关提高明显。本文将这种结构的软开关技术应用于单相小功率光伏发电系统中，研究单相全桥光伏并网逆变器的软开关技术。在分析电路工作原理的基础上，设计了辅助谐振回路，并对谐振过程进行分析，设计了软开关参数。

拓扑结构是太阳能并网逆变器的关键部分，它直接影响着并网逆变器的效率和成本。逆变器分类方式有多种，按拓扑结构的级数分，可分为单级逆变器和多级逆变器。按逆变器的输入端和输出端是否隔离，又可分为隔离型和非隔离型。图1为两级无隔离单相全桥并网逆变器，第一级为DC-DC直流BOOST升压电路，将太阳能电池阵列输出的低压直流电升压至较高电压等级直流电；第二级为SPWM高频DC-AC逆变电路，将高压直流电转换成50 Hz交流电并馈入电网。这种拓扑结构可适应宽输入电压范围，体积小，质量轻，可降低成本和提高效率，是目前常用的拓扑结构方式。

图1 中的DC-AC逆变电路采用以绝缘栅双极性晶体管(IGBT)为开关器件的单相全桥结构。其中，L1、L2为交流输出电感，VT1-VT4是功率开关管，每个开关管上均有反并联二极管，逆变器由两个桥臂并联组成，属于升压式结构。全桥式逆变器工作原理是：当VT1、VT4导通，VT2、VT3截止时，电流由直流母线正极开始，经VT1、L1、市电电网、L2和VT4后，回到负极；当VT1、VT4截止时，VT2、VT3导通时，电流从电源正极经VT2、L2、市电电网、L1和VT3后，再回到电源负极。控制高频SPWM脉冲波，使得两对IGBT管交替开关，在A、B两端形成正负交变的方波。经过滤波电感的作用，在滤波器的输出端形成正弦波交流波形。逆变桥臂并联二极管起到无功能量通道和续流的作用。

传统单相全桥并网逆变器采用硬开关工作方式，不断提高逆变器的工作频率存在开关损耗大、感性关断电压尖峰大、容性开通电流尖峰大、电磁干扰严重等问题，利用软开关技术可以实现主开关管的零电压转换，降低功率器件开关损耗，改善电磁兼容性。

图2为软开关单相全桥并网逆变器DC-AC逆变电路，其主要特点是将辅助谐振支路与主功率开关管并联，在主功率管变换的很短一段时间间隔内，使辅助谐振电路工作，为主功率管创造零电压开关条件。L1、L2，VT1-VT4，VD1-VD4的含义与图1相同，谐振支路中VTr1和VTr2是谐振开关管，作用是控制谐振回路的开通关断；Cr是谐振电容，作用是为主开关管创造零电压开关条件；Lr是谐振电感，作用是为VTr1和VTr2创造零电流开关条件。

为了简化分析，假设所有元件均为理想元件，在一个开关周期内，认为负载电流为一恒定值IL0。当逆变器工作在VT1、VT4桥臂时，其工作时序如图3所示，共分为7个工作阶段，详细分析如下：

（1）二极管续流阶段（t0～t1）续流二极管VD2、VD3导通，主开关管VT1，VT4关断，谐振回路中的辅助开关管VTr1、VTr2关断，Lr电流为零，此时负载能量经续流支路反馈回Ud，谐振电容Cr两端电压为Ud。

（2）电感充电阶段（t1～t2）t1时刻VTr1开通，由于Lr的作用，Tr1为零电流开通。Tr1开通之前电压为Ud，Tr开通后，Lr的电压为Ud，其电流线性增加，电流变化率为：diLr/dt=Ud/Lr，VD2、VD3电流线性减小，负载的电流由VD2、VD3支路转换到Lr支路。在t:2时刻，Lr的电流上升到IL0，VD2、VD3电流减小到0。

（3）谐振阶段（t2～t3）当 iLr＞IL0时，VD2，VD3零电流关断，谐振电容Cr开始放电，在续流二极管关断之后，谐振回路Cr和Lr开始进行谐振。谐振方程为： 其中。

（4）Lr放电、Cr反向充电阶段（t3～t4）谐振周期末的t3时刻，Cr放电至-Ud，VD1，VD4导通，将VT1，VT4两端电压箝位为零，VT1和VT4可在零电压条件下开通。VT1，VT4开通后，Lr两端电压反向，iLr迅速下降到零。

（5）iLr防反阶段（t4～t5）当谐振电感电流iLr降为零后，由于VTr2的防反作用使谐振回路不能反向谐振，谐振电感电流iLr维持为零值，所以VTr1可在零电流条件下关断。

（6）负载充电阶段（t5～t6）在此时间段内，VT1，VT4导通，Ud为负载充电，辅助开关管VTr1及其辅助二极管VDr1完全关断。

（7）软关断阶段（t6～t7）在t6时刻，主开关管VT1，VT4关断，由于存在Cr，VT1，VT4是零电压关断，在iL0的作用下VT1和VT4两端电压缓慢上升到Ud，此时VD2，VD3导通，开始下一工作周期。 3.1 谐振电容的选择

谐振电容Cr在谐振过程中进行循环的充放电工作，为主开关创造零电压开通和关断的条件，从而减小主开关的开关损耗，并且降低主开关开关时的du/dt，因此，Cr容量越大效果越好。然而，谐振电容中储存的能量在主开关开通过程中必须全部放掉，由于器件选取、外接电路干扰等原因，主开关管不可能准确地在其两端电压刚好为零的时候开通，而是近似零电压开通，所以在主开关中存在开通损耗，Cr越大开通损耗越大。因此Cr的大小选取需要综合开通和关断两种情况，使总损耗最小。一般情况下硬开关工作的电压变化率为2 kV/μs，软开关工作的电压变化率较硬开关小10倍左右[2]。其电压变化率为：

取duce/dt=200 V/μs，逆变器稳定工作电流il0= 15 A，可得Cr=0.075 μF，综合开通和关断两种损耗，取Cr=0.068 μF。 3.2 谐振电感的选择

谐振电感Lr的作用是为谐振开关管创造零电流开关条件，其选取应参照谐振电流

峰值和谐振周期。谐振周期，文献[2]指出，为了不影响主电路的工作时间，谐振电路工作周期通常为整个工作周期的1/10。并网逆变器开关频率为20 kHz，谐振电路起作用的时间应控制在5 μs以内。综合以上因素及实际条件，取Lr=8 μHz，当Ud=400 V时，Tr=4.63 μs。 3.3 谐振开关管及二极管的选择

谐振开关管应选取导通压降低、开关速度快的IGBT，其峰值电流与谐振电感的峰值电流相同，最大电压与谐振电容的最大电压相同。直流母线工作电压Ud=400 V，逆变器最大输出电流30 A，开关管工作频率20 kHz，选择60 A/600 V的IGBT作为谐振开关管。

谐振二极管与谐振开关管并联在一起，其选取原则与谐振开关管相同，同时需要有快速的反向恢复特性，选择60 A/600 V的超快恢复二极管作为谐振二极管。 图4为Ud=400 V，负载电流为15 A时VT4的导通波形。图4（a）为硬开关情况下主开关管CE两端波形，IGBT开通速度快，CE电压在开通过程中有明显尖峰；图4（b）为软开关情况下主开关管CE两端波形。IGBT开通时间得到延长，抑制了过高的du/dt，主开关管CE电压变化平稳，有效防止了电磁干扰。

本文将零电压转换型软开关技术应用于单相全桥光伏并网逆变器中，软开关辅助谐振电路与主功率开关器件并联，为主功率开关器件创造零电压开关条件，其所处位置不受输入电压和输出负载的影响。软开关技术具有损耗小、效率高、电磁干扰小的特点。利用软开关技术可以提高功率管开关频率，提高功率密度，减小开关器件的电压电流应力，减小电磁辐射，提高信号处理电路的可靠性。

易臻希（1969-），男，高级工程师，从事太阳能光伏产品及应用系统研究。 【相关文献】

[1] 夏猛，徐俊起，龙文波，等.四象限软开关悬浮斩波器研究[J].电力电子技术，2011，45(4)：98-99.

[2] 王宁，姚煊道.软开关悬浮斩波器研究[J].电力电子技术，2006，40(3)：86-87. [3] 蔡先武.太阳能并网逆变系统研究[D].长沙：国防科学技术大学.2008.

[4] 李云钢，王宁，谈瑛，等.磁浮列车的软开关悬浮斩波器研究[J].机车电传动.2014，(5)：38-41.

[5] 刘战涛.四象限软开关悬浮斩波器研究[D].成都：西南交通大学.2008. [6] 吕丹.光伏并网逆变器软开关技术研究[D].北京：北京交通大学.2012.6.