適用于低壓光伏發(fā)電系統(tǒng)的高效隔離變流器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開一種適用于低壓光伏發(fā)電系統(tǒng)的高效隔離變流器，包括輸入源、輸入電容、三個電感、六個功率開關(guān)管、箝位電容、變壓器、四個二極管、三個輸出電容和負載，變壓器包括原邊繞組和三個副邊繞組。此結(jié)構(gòu)通過功率開關(guān)管及電感構(gòu)建升壓電路，在工作時，利用功率開關(guān)管和電感分別在變流器的變壓器原邊和副邊形成升壓電路，且利用變壓器多繞組提升升壓能力，利用副邊的輸出電容和二極管進一步形成具有升壓能力的電路結(jié)構(gòu)，從而整體達到非常高的電壓增益，具有電壓增益高、輸入輸出電流紋波小、軟開關(guān)、高效率的特性。
【專利說明】適用于低壓光伏發(fā)電系統(tǒng)的高效隔離變流器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于光伏發(fā)電系統(tǒng)中的功率變流器【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種適用于低壓光伏發(fā)電系統(tǒng)的高升壓高效隔離變流器。
【背景技術(shù)】
[0002]光伏并網(wǎng)發(fā)電已經(jīng)成為太陽能發(fā)電應用的主要形式，也是解決能源危機、環(huán)境污染等問題，實現(xiàn)清潔能源利用的主要途徑之一。
[0003]太陽能光伏電池的連接方式包括串聯(lián)和并聯(lián)兩種方式。因為單個光伏電池的輸出電壓很低，典型值為20V?60V，低壓并聯(lián)光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠保證光伏側(cè)的低電壓，不存在高壓直流引起的安全性、可靠性、電弧等問題，且能夠使得各光伏電池之間的電流相互解耦，最大程度提高整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率和可靠性。但是，為了實現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電，必須要能夠給并網(wǎng)逆變器提供足夠高的直流母線電壓，例如，單相光伏并網(wǎng)逆變器的直流母線電壓一般為400V，而三相光伏并網(wǎng)逆變器的直流母線電壓則達到800V以上。因此，對于低壓光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)而言，其中需要解決的一個關(guān)鍵技術(shù)問題是如何構(gòu)建高效率的隔離型升壓直流變流器，將較低的光伏電壓高效率地提升到并網(wǎng)逆變器所需的很高的直流母線電壓。
[0004]常規(guī)的隔離直流變流器通常依靠調(diào)節(jié)變壓器的變比來實現(xiàn)高升壓的目的，但是變壓器變比的增加會極大地增加變壓器的漏感，增加功率器件特別是變壓器副邊整流側(cè)功率器件的電壓應力，從而降低變流器的效率。常規(guī)的隔離升壓直流變流器通常在變壓器的原邊形成升壓電路，能夠在一定程度上減小所需的變壓器變比，并且降低變壓器副邊整流側(cè)功率器件的電壓應力。但是，僅通過原邊側(cè)電路升壓的方式，一方面升壓能力有限，另一方面還會極大地增加原邊側(cè)開關(guān)器件的電壓應力，也不利于變流器效率的提高。近年來，相繼提出了一些軟開關(guān)電路，雖然能夠在一定程度上改善功率器件的開關(guān)特性，改善效率，但所附加的輔助器件數(shù)量較多、電路較復雜，而且其本身并沒有能夠提升變流器自身的升壓能力，有待改進。
實用新型內(nèi)容
[0005]本實用新型的目的，在于提供一種適用于低壓光伏發(fā)電系統(tǒng)的高效隔離變流器，其具有電壓增益高、輸入輸出電流紋波小、軟開關(guān)、高效率的特性。
[0006]為了達成上述目的，本實用新型的解決方案是:
[0007]—種適用于低壓光伏發(fā)電系統(tǒng)的高升壓高效隔離變流器，包括輸入源、輸入電容、第一至第三電感、第一至第六功率開關(guān)管、箝位電容、變壓器、第一至第四二極管、第一至第三輸出電容和負載，其中，變壓器包括原邊繞組和第一至第三副邊繞組；所述輸入源的正極分別連接輸入電容的一端、第一電感的一端和第二電感的一端，輸入源的負極分別連接輸入電容的另一端、箝位電容的一端、第二功率開關(guān)管的源極和第四功率開關(guān)管的源極，箝位電容的另一端分別連接第一功率開關(guān)管的漏極和第三功率開關(guān)管的漏極，而第一功率開關(guān)管的源極分別連接第一電感的另一端、第二功率開關(guān)管的漏極和變壓器原邊繞組的同名端，第三功率開關(guān)管的源極分別連接第二電感的另一端、第四功率開關(guān)管的漏極和變壓器原邊繞組的異名端；所述變壓器的第一副邊繞組的同名端連接第三電感的一端，而第三電感的另一端分別連接第二副邊繞組的異名端、第五功率開關(guān)管的漏極和第一二極管的陽極，第二副邊繞組的同名端則連接第二輸出電容的一端，第二輸出電容的另一端分別連接第三二極管的陽極和第二二極管的陰極，第三二極管的陰極分別連接第四二極管的陰極、第一輸出電容的一端和負載的一端，第一輸出電容的另一端分別連接負載的另一端、第五功率開關(guān)管的源極和第六功率開關(guān)管的源極，而第六功率開關(guān)管的漏極分別連接第一副邊繞組的異名端、第二二極管的陽極和第三副邊繞組的同名端，而第三副邊繞組的異名端連接第三輸出電容的一端，該第三輸出電容的另一端分別連接第一二極管的陰極和第四二極管的陽極。
[0008]上述所有功率開關(guān)管采用具有內(nèi)在體二極管或反并聯(lián)二極管的功率器件。
[0009]上述所有功率開關(guān)管均采用MOSFET或IGBT。
[0010]采用上述方案后，本實用新型通過功率開關(guān)管及電感構(gòu)建升壓電路，在工作時，利用功率開關(guān)管和電感分別在變流器的變壓器原邊和副邊形成升壓電路，且利用變壓器多繞組提升升壓能力，利用副邊的輸出電容和二極管進一步形成具有升壓能力的電路結(jié)構(gòu)，從而整體達到非常高的電壓增益，具有如下技術(shù)效果:
[0011](I)變流器的原邊電路和副邊電路具有多重升壓能力，能夠?qū)崿F(xiàn)非常高的電壓增.、/■
M ;
[0012](2)所有功率開關(guān)管能夠在全負載范圍內(nèi)實現(xiàn)軟開關(guān)，變換效率高；
[0013](3)所有功率開關(guān)管能夠?qū)崿F(xiàn)電壓自動箝位，器件應力低。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1是本實用新型隔離變流器的電路原理圖；
[0015]圖2是本實用新型隔離變流器的主要工作波形圖；
[0016]圖3至圖7是本實用新型隔離變流器在各開關(guān)模態(tài)的等效電路圖。
【具體實施方式】
[0017]以下將結(jié)合附圖，對本實用新型的技術(shù)方案進行詳細說明。
[0018]如圖1所示，本實用新型提供一種適用于低壓光伏發(fā)電系統(tǒng)的高升壓高效隔離變流器，包括輸入源Uin、輸入電容Cin、第一電感Lfl、第二電感Lf2、第三電感Lf3、第一功率開關(guān)管S1、第二功率開關(guān)管S2、第三功率開關(guān)管S3、第四功率開關(guān)管S4、第五功率開關(guān)管S5、第六功率開關(guān)管S6、箝位電容Ca、變壓器T、第一二極管D1、第二二極管D2、第三二極管D3、第四二極管D4、第一輸出電容Ctjl、第二輸出電容Ctj2、第三輸出電容Ctj3和負載R。，其中，變壓器T包括原邊繞組WP、第一副邊繞組Ws1、第二副邊繞組Ws2和第三副邊繞組Ws3;具體的連接關(guān)系是:輸入源Uin的正極分別連接輸入電容Cin的一端、第一電感Lfl的一端和第二電感Lf2的一端，輸入源Uin的負極分別連接輸入電容Cin的另一端、箝位電容Ca的一端、第二功率開關(guān)管S2的源極和第四功率開關(guān)管S4的源極，箝位電容Ca的另一端分別連接第一功率開關(guān)管S1的漏極和第三功率開關(guān)管S3的漏極，而第一功率開關(guān)管SI的源極分別連接第一電感Lfl的另一端、第二功率開關(guān)管S2的漏極和變壓器T的原邊繞組Wp的同名端，第三功率開關(guān)管S3的源極分別連接第二電感Lf2的另一端、第四功率開關(guān)管S4的漏極和變壓器T的原邊繞組Wp的異名端；所述變壓器T的第一副邊繞組Wsi的同名端連接第三電感Lf3的一端，而第三電感Lf3的另一端分別連接第二副邊繞組Ws2的異名端、第五功率開關(guān)管S5的漏極和第一二極管D1的陽極，第二副邊繞組Ws2的同名端則連接第二輸出電容Ctj2的一端，第二輸出電容Ctj2的另一端分別連接第三二極管D3的陽極和第二二極管D2的陰極，第三二極管D3的陰極分別連接第四二極管D4的陰極、第一輸出電容Ctjl的一端和負載R。的一端，第一輸出電容Ctjl的另一端分別連接負載R。的另一端、第五功率開關(guān)管S5的源極和第六功率開關(guān)管S6的源極，而第六功率開關(guān)管S6的漏極分別連接第一副邊繞組Wsi的異名端、第二二極管D2的陽極和第三副邊繞組Ws3的同名端，而第三副邊繞組Ws3的異名端連接第三輸出電容Ctj3的一端，該第三輸出電容Ctj3的另一端分別連接第一二極管D1的陰極和第四二極管D4的陽極。
[0019]在具體實施時，前述所有功率開關(guān)管都應選用具有內(nèi)在體二極管或者反并聯(lián)二極管的功率器件，例如金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)，或IGBT等。
[0020]在具體實施時，本實用新型可采用如下控制方法:所有功率開關(guān)管的開關(guān)頻率都相等，且所有功率開關(guān)管的占空比都固定為0.5，第一功率開關(guān)管51和第四功率開關(guān)管&始終同時導通同時關(guān)斷，第二功率開關(guān)管S2和第三功率開關(guān)管S3始終同時導通同時關(guān)斷，且第一功率開關(guān)管S1和第三功率開關(guān)管S3互補導通，第五功率開關(guān)管S5和第六功率開關(guān)管S6始終互補導通，通過調(diào)整第一功率開關(guān)管S1和第六功率開關(guān)管S6驅(qū)動信號之間的移相角來調(diào)整輸出電壓和功率。
[0021]采用上述實施方法并結(jié)合圖1可知，本實用新型的原邊電路等效為交錯并聯(lián)Boost變換器，由于所有功率開關(guān)管的占空比都固定為0.5，且第一功率開關(guān)管S1和第三功率開關(guān)管S3都始終交錯導通，這可以使得第一電感Lfl和第二電感Lf2的電流始終變化方向相反，因此只需要使得兩電感的感值相等，就能夠完全抵消輸入電流紋波，實現(xiàn)總的輸入電流為零紋波，這可以極大地減小輸入側(cè)的電壓電流紋波，減小輸入濾波器的體積，且有利于大幅提升光伏電池輸出功率的穩(wěn)定性和發(fā)電效率。結(jié)合圖1還可以發(fā)現(xiàn)，本實用新型的副邊電流也具備很聞的升壓能力，一方面第五功率開關(guān)管S5和第六功率開關(guān)管S6與第三電感Lf3形成了升壓電路，另一方面，多個副邊繞組的使用也能夠大幅提升其升壓能力，而第二輸出電容Ct52和第三輸出電容Ct53也形成了內(nèi)在的升壓單元，因此本實用新型的特殊結(jié)構(gòu)能夠使其實現(xiàn)非常高的電壓增益，滿足低壓光伏發(fā)電系統(tǒng)高升壓的應用需求。
[0022]下面結(jié)合圖2至圖7說明本實用新型的工作原理。假設(shè)所有電感、電容、開關(guān)管和二極管都為理想器件，忽略所有電容上的電壓紋波。
[0023]圖2是本實用新型的主要工作波形圖，其中，U。為輸出電壓；ues1、ues2、u㈣、Ut^Ues5和Ues6分別為第一、第二、第三、第四、第五和第六功率開關(guān)管的驅(qū)動信號；uWP為變壓器T原邊繞組Wp同名端和異名端之間的電壓；iin為輸入電流；iLfl、11^2和iLf3分別為流過第一、第二和第三電感的電流和t4為時間。
[0024]t0時刻之前，第二功率開關(guān)管S2、第三功率開關(guān)管S3和第五功率開關(guān)管S5導通，等效電路如圖3所示。
[0025]t0時刻，第二功率開關(guān)管S2和第三功率開關(guān)管S3關(guān)斷，在電感和變壓器電流的工作作用下，第一功率開關(guān)管S1和第四功率開關(guān)管S4的體二極管導通，為兩個功率開關(guān)管的零電壓軟開關(guān)導通提供了條件，由于第三電感Lf3的電流不能突變，變壓器副邊各器件的導通狀態(tài)維持不變，等效電路如圖4所示。
[0026]tl時刻，第一功率開關(guān)管S1和第四功率開關(guān)管S4零電壓導通，由于變壓器繞組電壓換向，第三電感Lf3的線性減小，直到t2時刻減小為零，第二二極管D2和第四二極管D4零電流關(guān)斷，該模態(tài)等效電路如圖5所示。
[0027]t2時刻，第三電感Lf3的電流開始線性增加，第六功率開關(guān)管S6的體二極管導通，為第六功率開關(guān)管S6的零電壓軟開關(guān)導通提供了條件，該模態(tài)的等效電路如圖6所示。
[0028]t3時刻，第五功率開關(guān)管S5關(guān)斷，第六功率開關(guān)管S6零電壓開通，第一二極管D1和第三二極管D3導通，輸入源開始向負載傳輸功率，該模態(tài)等效電路如圖7所示。
[0029]t4時刻，下半個開關(guān)周期開始，工作過程與前述類似，不再重復敘述。
[0030]通過上述分析可以知道，本實用新型中的所有功率開關(guān)管、二極管都能夠?qū)崿F(xiàn)軟開關(guān)，因此能夠?qū)崿F(xiàn)非常高的變換效率，滿足低壓光伏發(fā)電系統(tǒng)對系統(tǒng)效率的要求。
[0031]以上實施例僅為說明本實用新型的技術(shù)思想，不能以此限定本實用新型的保護范圍，凡是按照本實用新型提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本實用新型保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種適用于低壓光伏發(fā)電系統(tǒng)的高效隔離變流器，其特征在于:包括輸入源、輸入電容、第一至第三電感、第一至第六功率開關(guān)管、箝位電容、變壓器、第一至第四二極管、第一至第三輸出電容和負載，其中，變壓器包括原邊繞組和第一至第三副邊繞組；所述輸入源的正極分別連接輸入電容的一端、第一電感的一端和第二電感的一端，輸入源的負極分別連接輸入電容的另一端、箝位電容的一端、第二功率開關(guān)管的源極和第四功率開關(guān)管的源極，箝位電容的另一端分別連接第一功率開關(guān)管的漏極和第三功率開關(guān)管的漏極，而第一功率開關(guān)管的源極分別連接第一電感的另一端、第二功率開關(guān)管的漏極和變壓器原邊繞組的同名端，第三功率開關(guān)管的源極分別連接第二電感的另一端、第四功率開關(guān)管的漏極和變壓器原邊繞組的異名端；所述變壓器的第一副邊繞組的同名端連接第三電感的一端，而第三電感的另一端分別連接第二副邊繞組的異名端、第五功率開關(guān)管的漏極和第一二極管的陽極，第二副邊繞組的同名端則連接第二輸出電容的一端，第二輸出電容的另一端分別連接第三二極管的陽極和第二二極管的陰極，第三二極管的陰極分別連接第四二極管的陰極、第一輸出電容的一端和負載的一端，第一輸出電容的另一端分別連接負載的另一端、第五功率開關(guān)管的源極和第六功率開關(guān)管的源極，而第六功率開關(guān)管的漏極分別連接第一副邊繞組的異名端、第二二極管的陽極和第三副邊繞組的同名端，而第三副邊繞組的異名端連接第三輸出電容的一端，該第三輸出電容的另一端分別連接第一二極管的陰極和第四二極管的陽極。
2.如權(quán)利要求1所述的適用于低壓光伏發(fā)電系統(tǒng)的高效隔離變流器，其特征在于:所述所有功率開關(guān)管采用具有內(nèi)在體二極管或反并聯(lián)二極管的功率器件。
3.如權(quán)利要求2所述的適用于低壓光伏發(fā)電系統(tǒng)的高效隔離變流器，其特征在于:所述所有功率開關(guān)管均采用MOSFET或IGBT。
【文檔編號】H02M3/315GK204089602SQ201420222197
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年5月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月4日
【發(fā)明者】高峰 申請人:上海索來威新能源技術(shù)有限公司