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能源是人類賴以生存和發(fā)展的主要物質(zhì)基礎(chǔ)， 是世界經(jīng)濟(jì)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(chǔ)量正在日趨枯竭。能源問題是制約人類社會(huì)不斷地可持續(xù)發(fā)展的最重要因素之一。此外，大量使用化石燃料已經(jīng)給人類生存環(huán)境帶來了嚴(yán)重的后果。因此，在有限資源和環(huán)保嚴(yán)格要求的雙重制約下，人類要解決能源問題，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，只能依靠科技進(jìn)步，大規(guī)模地開發(fā)利用可再生潔凈能源。 太陽能是人類取之不盡用之不竭的可再生能源，具有儲(chǔ)量的無限性、存在的普遍性、開發(fā)利用的清潔性以及逐漸顯露出的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢(shì)， 它的開發(fā)利用是解決常規(guī)能源特別是化石能源帶來的能源短缺、環(huán)境污染和溫室效應(yīng)等問題的有效途徑，是人類理想的替代能源。 太陽能利用有兩個(gè)重要途徑光熱和光伏發(fā)電。光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體材料的光生伏打效應(yīng)原理直接將太陽輻射能轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)。太陽能光伏發(fā)電是太陽能發(fā)電技術(shù)中最有可能大規(guī)模經(jīng)濟(jì)利用的技術(shù)，它具有一許多其他發(fā)電方式無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。而逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)中最主要的關(guān)鍵性平衡部件，其質(zhì)量的好壞對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全性和可靠性起著至關(guān)重要的作用。 1 光伏逆變器的簡(jiǎn)介 逆變器的主電路結(jié)構(gòu)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(jí)，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(jí)變換，回路較為復(fù)雜，效率問題比較突出。了進(jìn)一步降低成本，提高效率，采用無變壓器無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 隨著技術(shù)的進(jìn)步和對(duì)投資收益比的追求，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中不僅追求太陽能組件的轉(zhuǎn)換效率，而且還追求逆變器轉(zhuǎn)換效率。圖1 所示電路雖然能提高逆變轉(zhuǎn)換效率，但是由于功率管Q1 工作在硬開關(guān)狀態(tài)，不僅其開關(guān)損耗較大，而且增大了電路中開關(guān)管的電壓和電流應(yīng)力，另外，還會(huì)帶來了電磁干擾（EMI）問題。 本文的零轉(zhuǎn)換（Zero transition）變換電路將解決上述電路中諸多問題，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，變?yōu)榕c主功率開關(guān)管并聯(lián)。在主功率開關(guān)管變換的很短一段時(shí)間間隔內(nèi)，導(dǎo)通輔助開關(guān)管使輔助諧振網(wǎng)絡(luò)起作用， 使主功率開關(guān)管在零電壓下完成開關(guān)過程，完成這種過程的PWM 變換器稱為零電壓轉(zhuǎn)換（ZVT-PWM）變換器。 圖2 所示為基本的零電壓轉(zhuǎn)換PWM 變換電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改進(jìn)電路，該電路不僅主功率開關(guān)管工作于零電壓轉(zhuǎn)換狀態(tài)，而且其輔助功率開關(guān)管也能在軟開關(guān)條件下完成開關(guān)過程。該電路在工程實(shí)際應(yīng)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?fù)?br /> 圖2 中Q1為變換器的主開關(guān)管，Qa為輔助開關(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(gòu)成輔助諧振回路的元器件， 其中DQ1和Cr分別是主開關(guān)管Q1的反并聯(lián)二極管和輸出結(jié)電容。該電路具有如下特點(diǎn)： a.實(shí)現(xiàn)主功率開關(guān)管Q1的零電壓開通（ZVS）； b.實(shí)現(xiàn)主功率二極管D1的零電流關(guān)斷； c.輔助開關(guān)管Qa零電流開通、零電壓關(guān)斷；Ca對(duì)Qa的關(guān)斷起緩沖作用。 ZVT Boost 電路的主輔開關(guān)管驅(qū)動(dòng)時(shí)序及主要節(jié)點(diǎn)波形圖如圖3所示，由波形圖中可以看出Q1開通時(shí)期兩端電壓為零，達(dá)到了零電壓開通的效果。 圖3 ZVT Boost 主輔管驅(qū)動(dòng)時(shí)序和主要節(jié)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(duì)應(yīng)的等效電路如圖4 所示。 圖4 ZVT Boost 電路不同開關(guān)模態(tài)下的等效電路 （1）開關(guān)模態(tài)1 [t0, t1]，對(duì)應(yīng)圖4(a) 在t0時(shí)刻前，主開關(guān)管Q1和輔助開關(guān)管Qa處于關(guān)斷狀態(tài)，升壓二極管D1導(dǎo)通。在t0時(shí)刻，開通Qa，此時(shí)輔助電感電流iLa從0 開始線性上升，其上升斜率為(diLa/ dt )= (V0/La)，而D1 中的電流開始線性下降，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，開關(guān)模態(tài)1 結(jié)束。該模態(tài)的持續(xù)時(shí)間為： t01=( La Ii)/ V0 （1） （2）開關(guān)模態(tài)2 [t1, t2]，對(duì)應(yīng)圖4(b) 在此開關(guān)模態(tài)中，La開始與電容Cr諧振，iLa繼續(xù)上升， 而Cr的電壓vCr開始下降。iLa和vCr分別為： 當(dāng)Cr的電壓下降到0 時(shí)，Q1的反并聯(lián)二極管DQ1導(dǎo)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(xù)的時(shí)間為： （3）開關(guān)模態(tài)3 [t2, t3]，對(duì)應(yīng)圖4(c) 在該模態(tài)中，DQ1導(dǎo)通，La電流通過DQ1續(xù)流，此時(shí)開通Q1就是零電壓開通。Q1的開通時(shí)刻應(yīng)該滯后于Qa的開通時(shí)刻，滯后時(shí)間為： （4）開關(guān)模態(tài)4 [t3, t4]，對(duì)應(yīng)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。在此開關(guān)模態(tài)中，iLa和vCa分別為： 在t4時(shí)刻，VCa(t4)=Vo，Da導(dǎo)通，將vCa鉗位Vo，此時(shí)ILa(t4)為: （5）開關(guān)模態(tài)5 [t4, t5]，對(duì)應(yīng)圖4(e) 在此模態(tài)中，加在La上的電壓為-Vo，iLa線性下降。 在t5時(shí)刻，iLa下降到0。此模態(tài)的持續(xù)時(shí)間為： （6）開關(guān)模態(tài)6 [t6, t7]，對(duì)應(yīng)圖4(g) 在t6時(shí)刻，主開關(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(dǎo)通，Da自然關(guān)斷。此開關(guān)模態(tài)的持續(xù)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(dāng)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(dāng)主開關(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(jié)電容就足夠了，不必另加緩沖電容。 從上述工作原理推導(dǎo)可看出：圖2 所示電路使主功率開關(guān)管完成零電壓導(dǎo)通和關(guān)斷的同時(shí)，輔助開關(guān)管在零電流下導(dǎo)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關(guān)管的開關(guān)損耗，而且有效的減少了輔助開關(guān)管的開通和關(guān)斷損耗，提高了電路的整體效率。 3 關(guān)鍵電路參數(shù)設(shè)計(jì) （1）濾波電感Lf 設(shè)計(jì) 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，開關(guān)頻率fs=20kHz，boost 電路工作在連續(xù)導(dǎo)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(shè)計(jì) Ca既作為主開關(guān)管的Q1的緩沖電容， 又作為輔助開關(guān)管的緩沖電容。一般選擇在最大負(fù)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(jì)算： 主、輔功率開關(guān)管采用fairchild 公司的IGBT FGH40N65UFD 作為ZVT Boost 電路的主開關(guān)管和輔助開關(guān)管，該開關(guān)管的最大tf=80ns。 因此，計(jì)算得Ca=10nF。考慮一定的裕量，選擇Ca為22nF/1000V。 （3）輔助電感La 設(shè)計(jì) 輔助電路只是在主開關(guān)管Q1開通的時(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(zhǎng)，假設(shè)該時(shí)間為taa，一般可選擇為開關(guān)周期Ts的1/10，即t01+t12s/10，可得： 由于Cr是主開關(guān)管的輸出結(jié)電容，故可以忽略，上式簡(jiǎn)化為: 取taa=1us，可得Laa=20uH。 4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 根據(jù)以上圖2 硬件設(shè)計(jì)方案和電路參數(shù)，在相同條件下在樣機(jī)上分別進(jìn)行如下兩個(gè)逆變效率測(cè)試試驗(yàn)。 試驗(yàn)1，DSP 控制芯片輸出PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)只控制主功率開關(guān)管Q1，使Q1 工作于“硬開關(guān)”狀態(tài)。在直流輸入開路電壓300V、輸入短路電流6A 下，功率分析儀測(cè)試出樣機(jī)逆變輸出效率是95%。 試驗(yàn)2，DSP 控制芯片輸出兩路PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別控制主功率開關(guān)管Q1和輔功率開關(guān)管Qa， 使Q1 和Qa 分別工作工作于“零轉(zhuǎn)換”開關(guān)狀態(tài)。在直流輸入開路電壓300V、輸入短路電流6A 下，功率分析儀測(cè)試出樣機(jī)逆變輸出效率是96%。 通過上述兩個(gè)對(duì)比試驗(yàn)，可以看出，本文介紹的設(shè)計(jì)方案在非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器實(shí)際應(yīng)用中具有主要意義，不僅能提高其逆變轉(zhuǎn)換效率，而且對(duì)有利于簡(jiǎn)化整機(jī)熱設(shè)計(jì)。 5 結(jié)束語 本文介紹了一種Boost ZVT-PWM 變換器在光伏逆變器中的應(yīng)用，對(duì)Boost ZVT-PWM 變換器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理及關(guān)鍵電路參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)地?cái)⑹觥＠碚摲治龊驮囼?yàn)結(jié)果都表明，本文提出的設(shè)計(jì)方案在光伏逆變器設(shè)計(jì)中具有重要的實(shí)際價(jià)值。 |
