带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器主电路拓扑的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器主电路拓扑，包括：一单相全桥逆变器、一箝位电容组、一续流箝位开关、一 LCL 滤波电路和一电阻，其中续流箝位开关由一单相不控整流桥和两个开关管组成，箝位电容组由两个输入电容组成。本发明的单相非隔离光伏逆变器通过在全桥逆变器的交流侧加入了一个续流箝位开关，该续流箝位开关可使逆变器续流电流不流经输入电源，省去了能量回馈电源这个环节，提高了非隔离光伏逆变器的转换效率；而且续流箝位开关中的两个开关管的一端接到逆变器直流输入箝位电容的中点，使得续流阶段逆变器共模电压被有效箝位至直流输入电压的一半，改善逆变器的共模特性，从而消除光伏逆变器的共模漏电流，确保使用时的人身和设备安全。
【专利说明】带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器主电路拓扑
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力电子直流-交流变换【技术领域】，具体而言涉及一种带续流箝位开 关的单相非隔离光伏逆变器，适用于光伏发电场合。
【背景技术】
[0002] 光伏并网逆变器要求效率高、成本低，能够承受光伏电池输出电压波动大的不良 影响，而且其交流输出也要满足较高的电能质量。
[0003] 按照逆变器是否带有隔离变压器可以分为隔离型和非隔离型。隔离型光伏逆变器 实现了电网和电池板的电气隔离，保障了人身和设备安全，但其体积大，价格高，系统变换 效率较低。非隔离光伏逆变器结构不含变压器，具有效率高、体积小、重量轻、成本低等诸多 优势。
[0004] 目前，非隔离光伏逆变器系统的最高效率可以达到98%以上。但是，变压器的移除 使得输入输出之间存在电气连接，由于电池板对地电容的存在，逆变器工作时会产生共模 漏电流，增大系统电磁干扰，影响进网电流的质量，危害人身和设备安全。
[0005] 为了保证人身和设备安全，漏电流必须被抑制在一定的范围内。根据德国DIN VDE 0126-1-1标准，当对地漏电流瞬时值大于300mA时，光伏并网系统必须在〇· 3s内与电网断 开。因此，在确定无共模漏电流的前提下，尽可能地提高光伏逆变器的效率、降低器件成本 成为了目前光伏逆变器的急需要解决的问题。
【发明内容】
[0006] 本发明旨在提出一种带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器，可消除共模漏电 流，改善逆变器共模特性，且提高逆变器的变换效率。
[0007] 本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有 利的方式发展独立权利要求的技术特征。
[0008] 为达成上述目的，本发明第一方面公开一种带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆 变器，包括：一单相全桥逆变器、一箝位电容组、一续流箝位开关、一ζα滤波电路和一电 阻，其中： 所述续流箝位开关由一单相不控整流桥和两个开关管组成； 所述箝位电容组由两个输入电容组成； 所述单相全桥逆变器由四个开关管组成； 所述单相不控整流桥由四个整流二极管组成； 所述ζα滤波电路由第一滤波电感、第二滤波电感和滤波电容组成； 所述单相全桥逆变器、箝位电容组、续流箝位开关、lcl滤波电路和电阻之间的连接如 下： 所述第一输入电容的正极、第一开关管、第三开关管的漏极分别与一太阳能电池的正 极相连； 所述第二输入电容的负极、第二开关管、第四开关管的源极分别与一太阳能电池的负 极相连； 所述第一开关管的源极与第二开关管的漏极相连；第三开关管的源极与第四开关管的 漏极相连； 逆变器交流侧采用前述的四个整流二极管组成单相不控整流桥，其中第一整流二极 管和第二整流二极管共阴极，第三整流二极管和第四整流二极管共阳极，第一整流二极管 的阳极与第三整流二极管的阴极相连，第二整流二极管的阳极与第四整流二极管的阴极相 连； 第一开关管的源极和第二开关管的漏极的连接点分别与第一整流二极管的阳极、第三 整流二极管的阴极和第一滤波电感的一端相连；第一滤波电感的另一端分别与滤波电容的 一端和电阻的一端相连； 第三开关管的源极和第四开关管的漏极的连接点分别与第二整流二极管的阳极、第四 整流二极管的阴极和第二滤波电感的一端相连；第二滤波电感的另一端分别与滤波电容的 另一端和电阻的另~'端相连； 第五开关管的漏极与单相不控整流桥的共阴极相连，其源极与第一输入电容的负极、 第二输入电容的正极相连； 第六开关管的漏极与第一输入电容的负极、第二输入电容的正极相连，其源极与单相 不控整流桥的共阳极相连。
[0009] 由以上技术方案可知,本发明所提出的带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变 器，与现有技术相比，其显著效果在于： 通过在全桥逆变器的交流侧加入了一个续流箝位开关，该续流箝位开关可使逆变器续 流电流不流经输入电源，省去了能量回馈电源这个环节，提高了非隔离光伏逆变器的转换 效率；而且将续流箝位开关中的两个开关管的一端接到逆变器直流输入电容的中点，使得 续流阶段逆变器共模电压被有效箝位至直流输入电压的一半，改善逆变器的共模特性，从 而消除光伏逆变器的共模漏电流，确保使用时的人身和设备安全。
【专利附图】
【附图说明】
[0010] 图1为本发明一实施方式带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器的电路结构 示意图。
[0011]图2a_2d分别为图1实施例带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器的四个模态 图。
[0012]图3为图1实施例带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器的示例性驱动信号时 序图。
【具体实施方式】
[0013]为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
[00M]如图1所示，根据本发明的较优实施例，一种带续流箝位开关的单相非隔离光伏 逆变器，包括：一单相全桥逆变器、一箝位电容组、一续流箝位开关、一 ζα滤波电路和一电 阻。
[0015]本实施例中，所述续流箝位开关由一单相不控整流桥和两个开关管(5·5、5· 6)组成； 所述箝位电容组由两个输入电容(Cdc;1、Cdc;2)组成； 所述单相全桥逆变器由四个开关管(&、馬、5·3、5·4)组成； 所述单相不控整流桥由四个整流二极管(A，A，外，久）组成； 所述ζα滤波电路由第一滤波电感、第二滤波电感和滤波电容&组成； 所述单相全桥逆变器、箝位电容组、续流箝位开关、ζα滤波电路和电阻之间的连接如 下： 所述第一输入电容的正极、以及所述单相全桥逆变器的第一开关管叉、第三开关管 A的漏极分别与一太阳能电池％v的正极相连； 所述第二输入电容&。2的负极、以及所述单相全桥逆变器的第二开关管&、第四开关管 Α的源极分别与一太阳能电池％ν的负极相连； 所述第一开关管4的源极与第二开关管足的漏极相连；第三开关管&的源极与第四 开关管\的漏极相连； 逆变器交流侧采用前述的四个整流二极管(A，4，A，A)组成单相不控整流桥，其中第 一整流二极管A和第二整流二极管久共阴极，第三整流二极管A和第四整流二极管仏共 阳极，第一整流二极管A的阳极与第三整流二极管A的阴极相连，第二整流二极管A的阳 极与第四整流二极管久的阴极相连； 第一开关管A的源极和第二开关管叉的漏极的连接点A分别与第一整流二极管久的 阳极、第三整流二极管A的阴极和第一滤波电感的一端相连；第一滤波电感的另一 端分别与滤波电容G的一端和电阻7?的一端相连； 第三开关管&的源极和第四开关管的漏极的连接点Β分别与第二整流二极管怂的 阳极、第四整流二极管A的阴极和第二滤波电感Z/2的一端相连；第二滤波电感的另一 端分别与滤波电容G的另一端和电阻7?的另一端相连； 第五开关管的漏极与单相不控整流桥的共阴极相连，其源极与第一输入电容的负极、 第二输入电容的正极相连； 第六开关管的漏极与第一输入电容的负极、第二输入电容的正极相连，其源极与单相 不控整流桥的共阳极相连。
[0016] 结合图1所示，本实施例提出的带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器，通过 在全桥逆变器的交流侧加入了一个续流箝位开关（由单相不控整流桥和两个开关管S 5、S6 组成)，该续流箝位开关可使逆变器续流电流不流经输入电源，省去了能量回馈电源这个环 节，提高了非隔离光伏逆变器的转换效率；而且将续流箝位开关中的两个开关管的一端接 到逆变器直流输入电容的中点，使得续流阶段逆变器共模电压被有效箝位至直流输入电压 的一半，改善逆变器的共模特性，从而消除光伏逆变器的共模漏电流，确保使用时的人身和 设备安全。
[0017] 作为一个示例性的实施方式，以电源输入电压360VDC、交流侧输出电压 220VAC/50HZ、额定输出功率300W为例，根据此技术指标设计的电路参数如下： 1)由输入电压与整流二极管电压应力的关系、负载电流与整流二极管电流的关系以及 考虑到整流二极管工作在高频场合，因此选取整流二极管(A，久，久，久）为超快恢复二极 管，具体型号为MJR860,（反向峰值电压600V,正向平均电流8A); 2) 输入电容(Cdel、Cdc;2)均选取330// F/250V的电解电容； 3) 由输入电压与六个开关管电压应力的关系以及负载电流与六个开关管电流的关系， 开关管均选取型号为IRFP450的金属氧化物场效应管，（漏源电压Vdss 为500V，漏极电流Id为14A)。
[0018] 4)Ζα滤波电路中，滤波电感(&、&)分别取值为3mH，滤波电容选取2//F/250V CBB电容； 5)由输出电压以及负载功率的大小，确定电阻R的阻值为160 Ω。
[0019] 如图3所示给出了带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器的控制时序图，图中 从上至下波形分别为： 第一开关管巧的栅源电压波形;第二开关管4的栅源电压波形議;第三开关管1的 栅源电压波形&3;第四开关管發的栅源电压波形^ ;第五开关管舄的栅源电压波形;第 六开关管薦的栅源电压波形v_。
[0020] 本实施例的非隔离光伏逆变器在一个逆变周期内可分为4种工作模态，如图 2a-2d所示，分别对应[心4]、[^ 2名]、[|，4]和[￡3為]四个时间段。图2&-2(1中，虚线 部分标出表明在对应的模态图中，相应的部件不导通或处于关断状态。
[0021] 模态 1: 如图2a所示，在[1?]阶段，开关管尽、冬的栅源电压为高电平,4^处于导通状态；开 关管心高名和在的栅源电压为零，处于关断状态。电流从电源正极流出，流经 各、二/1、负载、1/2、笔，最后流回电源负极。此时K AQ= KPV，KBQ= 0,故逆变器桥臂中点电压 「pv，共模电压 ^〇11=(^+心)/2=〇· 5Γρν。
[0022] 模态 2 : 如图2b所示，在[齡，4]阶段，开关管、￡|、备和&的栅源电压为零，备、高、在和￡；处于关 断状态；开关管&和冬的栅源电压为高电平，^和在处于导通状态。电感电流续流，电流依次 流经心，负载，心為，為；续流阶段，太阳能电池板输出端与电网断开。整个续流阶段， KAQ= 0· 5KPV，KBQ= 0· 5KPV，故逆变器桥臂中点电压匕=0,共模电压 Keni=(KAQ+rBQ)/2=0. 5KPV。
[0023] 模态 3 : 如图2。所示，在[?4，?5]阶段，开关管爲、玛的栅源电压为高电平，冬、&处于导通状态；开 关官^^:和高的栅源电压为零，处于关断状态。电流从电源正极流出，流经公3 、工/2、负载、￡/1為，最后流回电源负极。此时KAQ=0, KBQ= KPV，故逆变器桥臂中点电压κΑΒ=-κΡν， 共模电压 KM=(KAQ+KBQ)/2=0. 5KPV。
[0024] 模态 4 : 如图2d所示，在[&r6]阶段，开关管系、^、高和巧的栅源电压为零，^高和^处于关 断状态；开关管巧和_的栅源电压为高电平，馬和馮处于导通状态。电感电流续流，电流依次 流经心，负载，Ζλ，么。续流阶段，太阳能电池板输出端与电网断开。整个续流阶 段，K AQ= 0· 5KPV，KBQ= 0. 5KPV，故逆变器桥臂中点电压 FAB=0,共模电压 j/m=(Kaq+Kbq)/2=0. 5KPV。
[0025] 由以上分析可知，带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器在使用合适的控制策 略情况下，逆变器输出电压为三电平，与单极性调制的输出电压相同，有利于减小输出滤波 器的体积和重量。由于逆变器续流阶段续流回路被箝位至输入电压的二分之一，逆变器的 共模电压恒定。共模电压恒定可确保完全消除共模漏电流，降低了系统的电磁千扰，保证了 人身和设备的安全。此外，开关管&、5"6和整流桥构成了续流回路，从而使知1续知 u〖;1段续流 电流不流馳源，省去了能量回馈电麟个环节，提1^ 了逆麵酸_率。、
[0026]虽然本发明已以较佳实酬麵如上，然其并棚以限定本发明。本发明所属技 术领域中具有31常知i只者，在不脱离Φ发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因 此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
【权利要求】
1. 一种带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器主电路拓扑，其特征在于，包括：一 单相全桥逆变器、一箝位电容组、一续流箝位开关、一ζα滤波电路和一电阻，其中： 所述续流箝位开关由一单相不控整流桥和两个开关管（&、&)组成； 所述箝位电容组由两个输入电容(cdc;1、G2)组成； 所述单相全桥逆变器由四个开关管（兄、馬、&、5·4)组成； 所述单相不控整流桥由四个整流二极管(A，A，A，Α)组成； 所述ζα滤波电路由第一滤波电感(ζΛ)、第二滤波电感(ζ?)和滤波电容(cp组成； 所述单相全桥逆变器、箝位电容组、续流箝位开关、ζα滤波电路和电阻之间的连接如 下： 所述第一输入电容（cdc;1)的正极、以及所述单相全桥逆变器的第一开关管（兄）、第三开 关管(A)的漏极分别与一太阳能电池（％v)的正极相连； 所述第二输入电容(6。2)的负极、以及所述单相全桥逆变器的第二开关管(馬）、第四开 关管(?)的源极分别与所述太阳能电池（?/ρν)的负极相连； 所述第一开关管（兄）的源极与第二开关管（?)的漏极相连；第三开关管（&)的源极与 第四开关管（?)的漏极相连； 逆变器交流侧采用前述的四个整流二极管(A，A，A，A)组成单相不控整流桥，其中第 一整流二极管(A)和第二整流二极管(A)共阴极，第三整流二极管(A)和第四整流二极管 (A)共阳极，第一整流二极管(A)的阳极与第三整流二极管(A)的阴极相连，第二整流二 极管(久）的阳极与第四整流二极管(A)的阴极相连； 第一开关管(A)的源极和第二开关管(?)的漏极的连接点（A)分别与第一整流二极管 (A)的阳极、第三整流二极管(A)的阴极和第一滤波电感以^)的一端相连；第一滤波电感 (ζΛ)的另一端分别与滤波电容(cp的一端和电阻(/?)的一端相连； 第三开关管（Α)的源极和第四开关管(?)的漏极的连接点（Β)分别与第二整流二极管 (久）的阳极、第四整流二极管(Α)的阴极和第二滤波电感的一端相连；第二滤波电感 的另一端分别与滤波电容(6>)的另一端和电阻0?)的另一端相连； 第五开关管(&)的漏极与单相不控整流桥的共阴极相连，其源极与第一输入电容 (Gi)的负极、第二输入电容(Cddi)的正极相连； 第六开关管(X)的漏极与第一输入电容(Cdc;1)的负极、第二输入电容(CU的正极相 连，其源极与单相不控整流桥的共阳极相连。
2. 根据权利要求1所述的带续流箝位开关的单相非隔离光伏逆变器，其特征在于，所 述整流二极管(A，久，A，A)均选取型号为MUR860的超快恢复二极管； 所述两个输入电容（Cdc;1、Cdc;2)均选取330// F/250V的电解电容； 所述六个开关管（31、5'2、&、5'4、55、5 6)均选取型号为11^^450的金属氧化物场效应管； 所述Ζα滤波电路中，两个滤波电感(ΖΛ、的取值为3mH，所述滤波电容(6>)选取 2// F/250V 的 CBB 电容； 所述电阻（R)的阻值为160 Ω。
【文档编号】H02M7/487GK104300821SQ201410501328
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年9月26日 优先权日:2014年9月26日
【发明者】马海啸, 叶海云, 袁颖 申请人:南京邮电大学