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能源是人類(lèi)賴(lài)以生存和發(fā)展的主要物質(zhì)基礎， 是世界經(jīng)濟的支柱，也是影響國家安全的重要因素。目前世界能源的利用仍以煤炭、石油、天然氣和水與核能等一次能源為主，然而這些有限的能源儲量正在日趨枯竭。能源問(wèn)題是制約人類(lèi)社會(huì )不斷地可持續發(fā)展的最重要因素之一。此外，大量使用化石燃料已經(jīng)給人類(lèi)生存環(huán)境帶來(lái)了嚴重的后果。因此，在有限資源和環(huán)保嚴格要求的雙重制約下，人類(lèi)要解決能源問(wèn)題，實(shí)現可持續發(fā)展，只能依靠科技進(jìn)步，大規模地開(kāi)發(fā)利用可再生潔凈能源。 太陽(yáng)能是人類(lèi)取之不盡用之不竭的可再生能源，具有儲量的無(wú)限性、存在的普遍性、開(kāi)發(fā)利用的清潔性以及逐漸顯露出的經(jīng)濟性等優(yōu)勢， 它的開(kāi)發(fā)利用是解決常規能源特別是化石能源帶來(lái)的能源短缺、環(huán)境污染和溫室效應等問(wèn)題的有效途徑，是人類(lèi)理想的替代能源。 太陽(yáng)能利用有兩個(gè)重要途徑光熱和光伏發(fā)電。光伏發(fā)電是利用半導體材料的光生伏打效應原理直接將太陽(yáng)輻射能轉換為電能的技術(shù)。太陽(yáng)能光伏發(fā)電是太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)中最有可能大規模經(jīng)濟利用的技術(shù)，它具有一許多其他發(fā)電方式無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。而逆變器是光伏發(fā)電系統中最主要的關(guān)鍵性平衡部件，其質(zhì)量的好壞對光伏發(fā)電系統的安全性和可靠性起著(zhù)至關(guān)重要的作用。 1 光伏逆變器的簡(jiǎn)介 逆變器的主電路結構按照輸出的隔離形式分為工頻變壓器隔離方式，高頻變壓器隔離方式，非隔離3 方式種。采用工頻變壓器進(jìn)行隔離的逆變器，具有良好的抗雷擊和消除尖波的性能，電路簡(jiǎn)單，變換只有一級，但是主變壓器和濾波電感體積大。采用高頻變壓器的逆變器比工頻變壓器隔離的逆變器體積小，重量輕，成本低。但是，經(jīng)多級變換，回路較為復雜，效率問(wèn)題比較突出。了進(jìn)一步降低成本，提高效率，采用無(wú)變壓器無(wú)隔離方式逆變器主電路，如圖1 所示，其中（a）部分電路為為boost 升壓電路，（b）部分電路為全橋逆變電路。 圖1 非隔離型逆變器主電路 2 Boost ZVT-PWM 變換器基本原理 隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步和對投資收益比的追求，在光伏發(fā)電系統中不僅追求太陽(yáng)能組件的轉換效率，而且還追求逆變器轉換效率。圖1 所示電路雖然能提高逆變轉換效率，但是由于功率管Q1 工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)，不僅其開(kāi)關(guān)損耗較大，而且增大了電路中開(kāi)關(guān)管的電壓和電流應力，另外，還會(huì )帶來(lái)了電磁干擾（EMI）問(wèn)題。 本文的零轉換（Zero transition）變換電路將解決上述電路中諸多問(wèn)題，其主要特點(diǎn)是把輔助諧振網(wǎng)絡(luò )從主功率通路中移開(kāi)，變?yōu)榕c主功率開(kāi)關(guān)管并聯(lián)。在主功率開(kāi)關(guān)管變換的很短一段時(shí)間間隔內，導通輔助開(kāi)關(guān)管使輔助諧振網(wǎng)絡(luò )起作用， 使主功率開(kāi)關(guān)管在零電壓下完成開(kāi)關(guān)過(guò)程，完成這種過(guò)程的PWM 變換器稱(chēng)為零電壓轉換（ZVT-PWM）變換器。 圖2 所示為基本的零電壓轉換PWM 變換電路拓撲結構的改進(jìn)電路，該電路不僅主功率開(kāi)關(guān)管工作于零電壓轉換狀態(tài)，而且其輔助功率開(kāi)關(guān)管也能在軟開(kāi)關(guān)條件下完成開(kāi)關(guān)過(guò)程。該電路在工程實(shí)際應用中具有重要意義，進(jìn)一步提高了整個(gè)電路的效率。 圖2 ZVT Boost 主電路拓撲 圖2 中Q1為變換器的主開(kāi)關(guān)管，Qa為輔助開(kāi)關(guān)管，D1為主二極管，其他電路器件（二極管Dt、Da，電感La，電容Cr、Ca）為構成輔助諧振回路的元器件， 其中DQ1和Cr分別是主開(kāi)關(guān)管Q1的反并聯(lián)二極管和輸出結電容。該電路具有如下特點(diǎn)： a.實(shí)現主功率開(kāi)關(guān)管Q1的零電壓開(kāi)通（ZVS）； b.實(shí)現主功率二極管D1的零電流關(guān)斷； c.輔助開(kāi)關(guān)管Qa零電流開(kāi)通、零電壓關(guān)斷；Ca對Qa的關(guān)斷起緩沖作用。 ZVT Boost 電路的主輔開(kāi)關(guān)管驅動(dòng)時(shí)序及主要節點(diǎn)波形圖如圖3所示，由波形圖中可以看出Q1開(kāi)通時(shí)期兩端電壓為零，達到了零電壓開(kāi)通的效果。 圖3 ZVT Boost 主輔管驅動(dòng)時(shí)序和主要節點(diǎn)波形 ZVT Boost 電路主要有8 種工作模態(tài)， 各工作模態(tài)對應的等效電路如圖4 所示。 圖4 ZVT Boost 電路不同開(kāi)關(guān)模態(tài)下的等效電路 （1）開(kāi)關(guān)模態(tài)1 [t0, t1]，對應圖4(a) 在t0時(shí)刻前，主開(kāi)關(guān)管Q1和輔助開(kāi)關(guān)管Qa處于關(guān)斷狀態(tài)，升壓二極管D1導通。在t0時(shí)刻，開(kāi)通Qa，此時(shí)輔助電感電流iLa從0 開(kāi)始線(xiàn)性上升，其上升斜率為(diLa/ dt )= (V0/La)，而D1 中的電流開(kāi)始線(xiàn)性下降，其下降斜率為(diD1/ d>t )= (V0/La)。在t1時(shí)刻，iLa上升到升壓電感電流Ii，D1的電流減小到0，D1自然關(guān)斷，開(kāi)關(guān)模態(tài)1 結束。該模態(tài)的持續時(shí)間為： t01=( La Ii)/ V0 （1） （2）開(kāi)關(guān)模態(tài)2 [t1, t2]，對應圖4(b) 在此開(kāi)關(guān)模態(tài)中，La開(kāi)始與電容Cr諧振，iLa繼續上升， 而Cr的電壓vCr開(kāi)始下降。iLa和vCr分別為： 當Cr的電壓下降到0 時(shí)，Q1的反并聯(lián)二極管DQ1導通，將Q1的電壓鉗位在零，此時(shí)輔助電感電流ILa(t2)=Ii+Vo/Za。該模態(tài)持續的時(shí)間為： （3）開(kāi)關(guān)模態(tài)3 [t2, t3]，對應圖4(c) 在該模態(tài)中，DQ1導通，La電流通過(guò)DQ1續流，此時(shí)開(kāi)通Q1就是零電壓開(kāi)通。Q1的開(kāi)通時(shí)刻應該滯后于Qa的開(kāi)通時(shí)刻，滯后時(shí)間為： （4）開(kāi)關(guān)模態(tài)4 [t3, t4]，對應圖4(d) 在t3時(shí)刻，ILa(t2)=Ii+Vo/Za，VCa(t3)=0。此時(shí)關(guān)斷Qa，ILa給Ca充電，由于有Ca，Qa是零電壓關(guān)斷。在此開(kāi)關(guān)模態(tài)中，iLa和vCa分別為： 在t4時(shí)刻，VCa(t4)=Vo，Da導通，將vCa鉗位Vo，此時(shí)ILa(t4)為: （5）開(kāi)關(guān)模態(tài)5 [t4, t5]，對應圖4(e) 在此模態(tài)中，加在La上的電壓為-Vo，iLa線(xiàn)性下降。 在t5時(shí)刻，iLa下降到0。此模態(tài)的持續時(shí)間為： （6）開(kāi)關(guān)模態(tài)6 [t6, t7]，對應圖4(g) 在t6時(shí)刻，主開(kāi)關(guān)管Q1關(guān)斷，升壓電感電流同時(shí)給Cr充電，給Ca放電，由于有Cr和Ca，Q1是零電壓關(guān)斷。 在t7時(shí)刻，vCr上升到Vo，vCa下降到0，D1自然導通，Da自然關(guān)斷。此開(kāi)關(guān)模態(tài)的持續時(shí)間為： 從上面的分析中可以看出，Ca起到兩個(gè)作用；1）當輔助管Qa關(guān)斷時(shí)，Ca充電，給Q1的關(guān)斷起到緩沖作用；2）而當主開(kāi)關(guān)管Q1關(guān)斷時(shí)，Ca放電， 給Q1的關(guān)斷起到緩沖作用， 因此Q1的緩沖電容Cr可以很小，只利用其結電容就足夠了，不必另加緩沖電容。 從上述工作原理推導可看出：圖2 所示電路使主功率開(kāi)關(guān)管完成零電壓導通和關(guān)斷的同時(shí)，輔助開(kāi)關(guān)管在零電流下導通，零電壓下關(guān)斷，而不是零電流關(guān)斷，這種方式不僅減小了主開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗，而且有效的減少了輔助開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷損耗，提高了電路的整體效率。 3 關(guān)鍵電路參數設計 （1）濾波電感Lf 設計 ZVT Boost 的輸入電壓范圍是Uin=125V~360V， 輸出電壓Vo=360V，輸入最大電流為Iimax=15A，開(kāi)關(guān)頻率fs=20kHz，boost 電路工作在連續導電模式下。由: 其中ΔiL表示電感電流紋波， 取15%的電感電流紋波， 則ΔiL=2.25A，將ΔiL代入式（14）,可以算出Lf=2mH，實(shí)際取2mH。 （2）輔助鉗位電容Ca設計 Ca既作為主開(kāi)關(guān)管的Q1的緩沖電容， 又作為輔助開(kāi)關(guān)管的緩沖電容。一般選擇在最大負載時(shí)，Vca從Vo下降到0 的時(shí)間為(2~3)tf，tf為Q1的關(guān)斷下降時(shí)間。則Ca可以由式（15）計算： 主、輔功率開(kāi)關(guān)管采用fairchild 公司的IGBT FGH40N65UFD 作為ZVT Boost 電路的主開(kāi)關(guān)管和輔助開(kāi)關(guān)管，該開(kāi)關(guān)管的最大tf=80ns。 因此，計算得Ca=10nF�？紤]一定的裕量，選擇Ca為22nF/1000V。 （3）輔助電感La 設計 輔助電路只是在主開(kāi)關(guān)管Q1開(kāi)通的時(shí)候起作用， 其他時(shí)候停止工作。為不影響主電路的工作時(shí)間，輔助電路的工作時(shí)間不能太長(cháng)，假設該時(shí)間為taa，一般可選擇為開(kāi)關(guān)周期Ts的1/10，即t01+t12s/10，可得： 由于Cr是主開(kāi)關(guān)管的輸出結電容，故可以忽略，上式簡(jiǎn)化為: 取taa=1us，可得Laa=20uH。 4 實(shí)驗結果 根據以上圖2 硬件設計方案和電路參數，在相同條件下在樣機上分別進(jìn)行如下兩個(gè)逆變效率測試試驗。 試驗1，DSP 控制芯片輸出PWM 驅動(dòng)信號只控制主功率開(kāi)關(guān)管Q1，使Q1 工作于“硬開(kāi)關(guān)”狀態(tài)。在直流輸入開(kāi)路電壓300V、輸入短路電流6A 下，功率分析儀測試出樣機逆變輸出效率是95%。 試驗2，DSP 控制芯片輸出兩路PWM 驅動(dòng)信號分別控制主功率開(kāi)關(guān)管Q1和輔功率開(kāi)關(guān)管Qa， 使Q1 和Qa 分別工作工作于“零轉換”開(kāi)關(guān)狀態(tài)。在直流輸入開(kāi)路電壓300V、輸入短路電流6A 下，功率分析儀測試出樣機逆變輸出效率是96%。 通過(guò)上述兩個(gè)對比試驗，可以看出，本文介紹的設計方案在非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器實(shí)際應用中具有主要意義，不僅能提高其逆變轉換效率，而且對有利于簡(jiǎn)化整機熱設計。 5 結束語(yǔ) 本文介紹了一種Boost ZVT-PWM 變換器在光伏逆變器中的應用，對Boost ZVT-PWM 變換器電路拓撲結構、工作原理及關(guān)鍵電路參數設計進(jìn)行詳細地敘述。理論分析和試驗結果都表明，本文提出的設計方案在光伏逆變器設計中具有重要的實(shí)際價(jià)值。 |
