利用LLC諧振電路隔離的光伏并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)

本文提出了一種利用LLC諧振電路進(jìn)行隔離的高頻光伏并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)方案，將隔離型和非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合到一起，既減輕了重量、縮小了體積、降低了成本，又提高了電能質(zhì)量和安全性。而且由于使用LLC諧振電路能夠?qū)崿F(xiàn)DC-DC級(jí)功率器件的軟開關(guān)，可以大大降低功率器件的開關(guān)損耗，因此能顯著提高整個(gè)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率和器件的使用壽命。

1 光伏并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)及基本原理

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

采用LLC隔離的光伏并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)如圖1所示，它包括DC-DC 直流升壓級(jí)和DC-AC逆變級(jí)兩級(jí)結(jié)構(gòu)，前級(jí)負(fù)責(zé)對(duì)太陽能電池陣列傳送過來的直流電進(jìn)行升壓和最大功率跟蹤，后級(jí)負(fù)責(zé)對(duì)前級(jí)傳送過來的直流電進(jìn)行逆變，最后經(jīng)過濾波電路后進(jìn)行并網(wǎng)。

1.2 工作原理

光伏并網(wǎng)逆變器通過使功率器件有規(guī)律的開通、關(guān)斷來控制電能的傳輸，功率器件的開通關(guān)斷采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)方式來控制。太陽能電池產(chǎn)生的直流電首先送給DC-DC 電路，DC-DC 級(jí)執(zhí)行最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)算法，使太陽能電池始終工作在最大功率點(diǎn)。

經(jīng)過最大功率點(diǎn)跟蹤控制后DC-DC電路將太陽能電池的電能進(jìn)行升壓變成適合DC-AC 級(jí)的直流電，然后送到DC-AC級(jí)將直流電變換成交流電?？刂破鲗?duì)采樣電路采取的電網(wǎng)電壓或電流相位進(jìn)行跟蹤計(jì)算，然后通過調(diào)節(jié)DC-DC級(jí)功率器件開關(guān)使逆變器的輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，最后通過輸出濾波電路或隔離變壓器將電能輸送到電網(wǎng)。本文DC-DC級(jí)輸入200~300 V,輸出400 V 直流電壓，輸出功率500 W,滿載時(shí)功率因數(shù)不低于94%.DC-AC級(jí)輸入直流電壓400 V,功率等級(jí)600 W,功率因數(shù)為1。

2 LLC電路分析

本文采用LLC諧振電路代替工頻變壓器進(jìn)行隔離，這是跟傳統(tǒng)光伏并網(wǎng)逆變器所不同的地方，也是其優(yōu)點(diǎn)所在。傳統(tǒng)工頻隔離變壓器體積大、笨重、成本高，采用LLC諧振電路進(jìn)行隔離可以大大縮小逆變系統(tǒng)的體積，提高效率和功率密度。LLC 諧振電路是在傳統(tǒng)的串聯(lián)諧振電路基礎(chǔ)上，將變壓器勵(lì)磁電感Lm 串聯(lián)在諧振回路中，構(gòu)成一個(gè)LLC諧振電路。相比傳統(tǒng)的串聯(lián)諧振電路，由于增加了一個(gè)諧振電感，使得電路諧振頻率降低，無需使用額外輔助網(wǎng)絡(luò)就可以實(shí)現(xiàn)全負(fù)載范圍內(nèi)的開關(guān)管零電壓開關(guān);其次，變壓器副邊整流二極管可以有條件的工作在零電壓關(guān)斷，減小了二極管反向恢復(fù)所產(chǎn)生的損耗；而且其適合工作在寬的電壓輸入范圍下，輸入電壓越高，效率越高，在工作點(diǎn)最優(yōu)時(shí)可獲得97%的轉(zhuǎn)換效率。

本文采用了一個(gè)半橋LLC串聯(lián)諧振電路，如圖2所示。半橋LLC 串聯(lián)諧振電路包含輸入電容C1 、C2 ,MOSFET Q1 、Q2 ,諧振電感Lr ,諧振電容Cr ,變壓器T1 ,輸出整流二極管D1 ~ D4 和輸出電容C3。

由于增加了一個(gè)諧振電感，LLC諧振電路具有兩個(gè)諧振頻率，一個(gè)是諧振電感Lr 和諧振電容Cr 的諧振頻率fr ,另一個(gè)是Lm 加上Lr 與Cr 的諧振頻率fm，計(jì)算公式如下：

在串聯(lián)諧振電路中，工作頻率fs 高于fr 時(shí)才能保證開關(guān)管工作在ZVS狀態(tài)，而在LLC電路中，只要保證fs 高于fm 就能實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的ZVS.下面對(duì)它的工作過程進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。

LLC電路根據(jù)開關(guān)頻率范圍可以分為四種模式，本文只討論fr>fs>fm 模式下的工作原理，一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)整個(gè)工作過程如下所述，工作波形如圖3所示，PS1 ,PS2 分別為Q1 ,Q2 的驅(qū)動(dòng)脈沖波形：

[ t0 - t1 ]階段：t0 時(shí)刻諧振電流為負(fù)，Q1 體二極管導(dǎo)通，Q1 兩端電壓鉗位在0,此時(shí)讓Q1 導(dǎo)通為零電壓導(dǎo)通。能量從電源正極流向C1 ,C2 中點(diǎn)，Lr ,Cr 諧振，諧振電流ILr經(jīng)過開關(guān)管Q1 并以正弦形式逐漸上升，流過變壓器原邊的電流IT1為諧振電流ILr與勵(lì)磁電流ILm之差，變壓器原邊電壓極性上正下負(fù)，副邊極性也為上正下負(fù)，因此D1 、D4 自然導(dǎo)通，變壓器原邊電壓被鉗位在nVo(n 為變壓器變比)，勵(lì)磁電流線性上升。