软开关单相光伏并网逆变器原理及并网实验

陈烨楠，徐德鸿

（浙江大学电气工程学院，杭州 310027）

分布式光伏发电已经被我国列为重点发展方向。单相光伏逆变器主要应用于住宅和写字楼等，将被广泛应用于分布式光伏发电系统[1]。常见单相光伏逆变拓扑如H5、H6、HERIC等[2-4]均为硬开关电路，开关频率受制于IGBT和二极管开关损耗，一般低于20 kHz，导致滤波器体积增大和效率降低。

与IGBT相比，MOSFET的开关速度更快，更适合运用于高频应用场合。然而MOSFET寄生体二极管的反向恢复特性非常差，会产生很高的开关损耗，甚至损坏器件[5]。软开关技术是缓解MOSFET的反向恢复问题的一个有效手段，目前已被运用到单相逆变器中。文献[6]提出了一种有源箝位全桥逆变器，利用反并联二极管的反向恢复电流为谐振回路提供能量，使用常规SPWM，能缓解二极管反向恢复，并实现所有器件的零电压开通。

本文介绍了一种软开关全桥并网逆变器的工作原理并提出了一种调制方式，其电路拓扑如图1所示。在传统全桥拓扑的基础上增加一个由电感、电容、辅助开关组成的谐振支路。在一种新型零电压调制方式的控制下，所有开关器件均能实现零电压开通，同时随输出功率变化调节谐振回路储能，减小环流损耗。另一方面开关器件的关断损耗由并联吸收电容吸收，吸收的部分开关能量会被重复利用于谐振回路[7]。在软开关运行条件下，逆变器的开关频率可提升至100 kHz，滤波器的尺寸也进一步缩小，逆变器最高效率达到98.8%。

文献[8]又对这一软开关全桥逆变器的共模漏电流特性进行了分析，并设计了一种共模滤波器，使其能够适用于光伏发电场合。本文将软开关全桥逆变拓扑应用于小功率组串式光伏并网逆变器。逆变器为两级式结构，前级采用Boost升压电路，后级采用软开关全桥逆变电路。搭建了10台3 kW两级式单相软开关光伏并网逆变器，对其进行长时间光伏发电测试，验证了软开关单相逆变拓扑应用于光伏发电场合的可行性与可靠性。

图1 软开关全桥并网逆变拓扑Fig.1 Topology of soft-switching full-bridge gridconnected inverter

1 软开关单相并网逆变器工作原理

图2所示为输出电流正半周时ZVS SPWM各驱动信号以及关键电压电流波形示意。ZVS SPWM基于倍频SPWM，不同之处是增加了辅助开关Sa的驱动信号vgsa以及短路脉冲信号vsc。软开关单相并网逆变器各工作阶段可分为11个阶段，如图3所示。

阶段 1（t0-t1）：输出电流由 S3和 S4续流，逆变桥臂中点输出电压vpwm为0。谐振电感电压被箝位在-Vcc，谐振电感电流线性下降。

阶段 2（t1-t2）：S4关断，输出电流由体二极管 D4续流，逆变桥臂中点输出电压vpwm为0。

阶段3（t2-t3）：辅助开关Sa的门极驱动信号vgsa变为低电平，由于SJ MOSFET的关断速度非常快，Sa的漏-源沟道迅速关断。同时在谐振电感电流作用下，Cr1和Cr2放电，Cra同时充电。在谐振过程中，逆变桥臂中点输出电压vpwm仍然为0。

图2 ZVS SPWM驱动信号及关键波形Fig.2 Drive signals and key waveforms of ZVS SPWM

阶段 4（t3-t4）：在 t3时刻，体二极管 D1和 D2导通，体二极管和MOSFET中的电流线性上升。阶段4结束的标志是短路脉冲vsc变高电平，将S1、S2、S4开通，S3因为vgs4原本就为高电平，将继续保持开通状态。短路脉冲信号vsc是一路独立的MOSFET驱动控制信号，通过逻辑“或”门同时叠加在4个桥臂开关S1～S4的驱动信号上，当短路脉冲信号vsc变高电平时，4个桥臂开关同时导通，将逆变桥臂短路。短路脉冲vsc必须在体二极管D1、D2的电流上升至0之前变为高电平。

阶段 5（t4-t5）：在 t4时刻短路脉冲 vsc将 S1、S2、S4零电压开通，体二极管D1、D2、D4中的电流转移至S1、S2、S4。谐振电感电流仍然以阶段4中的斜率线性上升，当上升至Ires2时，短路脉冲变vsc低电平，S2、S4关断，S1、S3在原常规倍频 SPWM 的高电平驱动信号作用下仍保持开通状态。在阶段4和阶段5期间，逆变桥臂中点输出电压vpwm为0。

阶段 6（t5-t6）：在 t5时刻短路脉冲信号 vsc变低电平，由于在SPWM控制下S1、S3的驱动将仍保持高电平，因此只有 S2、S4的驱动电平变低，S2、S4的漏-源沟道迅速关断。在谐振电感电流作用下，Cr2和Cr4被充电。当Cra的电压下降至0时，辅助开关的体二极管Da导通，将谐振电感电压箝位至-Vcc。同时Cr2和Cr4的电压上升至Vdc+Vcc，逆变桥臂中S2和S4完全关断，桥臂中点输出电压vpwm也上升至Vdc+Vcc。

阶段7（t6-t7）：辅助开关体二极管Da导通后，谐振电感电压箝位至-Vcc，谐振电感电流线性下降。此时桥臂中点输出电压vpwm为Vdc+Vcc，直流侧能量经过S1和S3转送至电网。

阶段 8（t7-t8）：t7时刻 Sa零电压开通，Da中的电流转移至Sa，谐振电感电流继续线性下降。则逆变桥臂中点输出电压vpwm为Vdc+Vcc，继续向电网输送能量。

阶段 9（t8-t9）：t8时刻 S3的驱动电平变低，导电沟道迅速关断。输出电流对Cr3充电，Cr2放电。在这一阶段变桥臂中点输出电压vpwm也开始下降。

阶段 10（t9-t10）：在 t9时刻 Cr3被充电至 Vdc+Vcc，Cr2被放电至0，S2的体二极管D2导通，在这一阶段变桥臂中点输出电压vpwm下降至0，逆变桥臂进入续流阶段。

阶段 11（t10-t11）：在 t10时刻，S2零电压开通，和阶段1的情况一样，逆变桥臂仍为续流状态。

图3 软开关单相并网逆变器各工作阶段Fig.3 Operation stages of soft-switching single-phase grid-connected inverter

2 两级式软开关单相光伏并网逆变器

两级式软开关单相光伏并网逆变器基本结构如图4所示，主电路分成前级硬开关Boost升压与后级软开关逆变。整机辅助电源采用反激电路，从直流母线取电，此外还包括输入输出共模滤波器，输入共模滤波器为共模电感Lcm1，感值为1 mH。输出共模滤波器由共模电感Lcm2和旁路电容Cb1、Cb2组成，旁路电容的中点连接直流母线电容中点。由于光伏电池电压受光照、温度等因素影响会在较大范围内变化，根据光伏电池电压不同，两级式单相光伏并网逆变器可分为两种工作模式[9]。

图4 两级式软开关单相光伏并网逆变器基本结构Fig.4 Basic structure of two-stage soft-switching singlephase grid-connected PV inverter

当光伏电池电压vpv低于直流母线电压下限值vdcl时，前级Boost工作。其中直流母线电压下限值vdcl由电网电压决定，考虑死区效应、元器件压降以及调制比限制，将母线电压下限值设定成比电网电压峰值高35 V，即

两级工作模式的控制框图如图5所示。前级Boost负责最大功率点跟踪MPPT（maximum power point tracking），算法采用扰动观察法；后级软开关逆变负责控制直流母线电压及并网电流。两级模式时直流母线电压参考值等于母线电压下限，即

图5 两级模式控制框图Fig.5 Control block diagram of two-stage operation mode

当光伏电池电压vpv高于直流母线电压下限值vdcl时，前级Boost无需工作。忽略Boost电感和二极管的压降，光伏电池电压与直流母线电压相等。单级工作模式的控制框图如图6所示，光伏电池电压由软开关逆变器控制，MPPT算法模块的输出直接作为直流母线电压环的指令值为

图6 单级模式控制框图Fig.6 Control block diagram of single-stage operation mode

3 实验

实验分为两部分内容：第1部分是对后级软开关单相并网逆变器的软开关开关过程、效率指标进行测试；第2部分是10台软开关单项光伏逆变器的光伏发电测试。

3.1 软开关单相并网逆变器性能测试

软开关单相并网逆变器的硬件参数如表1所示。图7所示为主开关S1在谐振过程中的波形，由图可见，第1次谐振过程中主开关电压vds1下降至0后，驱动电平vgs1再变高，实现零电压开通。图8所示为辅助开关Sa在谐振过程中的波形，由图可见，同样在第2次谐振过程中辅助开关电压vdsa下降至0后，驱动电平vgsa再变高，实现零电压开通。

图9所示为额定3 kW并网电流和谐振电感电流波形。软开关逆变器的效率测试曲线如图10所示，其中MOS1的型号为FCH041N65F，导通电阻41 mΩ，MOS2的型号为FCH041N65F，导通电阻73 mΩ。测试结果表明软开关单相并网逆变器的效率高于98%，最高效率为半载1.5 kW时的98.8%。作为对比的H6硬开关逆变器开关频率为20 kHz，在整个功率范围内的效率要低0.3%以上（效率测试均不包括辅助电源功耗）。

图11所示为H6硬开关逆变器与软开关逆变器所用并网电感的大小对比，H6逆变器的并网电感单个电感为1 mH，由2个直径57.2 mm的铁硅铝磁环并联；而190 μH电感由1个直径46.7 mm的铁硅铝磁环绕制，体积减小了2/3。

表1 软开关单相并网逆变器的硬件参数Tab.1 Hardware parameters of soft-switching singlephase grid-connected inverter

图7 主开关S1开关波形Fig.7 Switching waveform of main switch S1

图8 辅助开关Sa开关波形Fig.8 Switching waveform of auxiliary Sa

图9 输出功率3 kW时并网电流与谐振电感电流Fig.9 Grid current and resonant inductor current when output power was 3 kW

图10 逆变器效率曲线Fig.10 Efficiency curves of inverters

图11 硬开关逆变器与软开关逆变器滤波电感对比Fig.11 Comparison of filter inductance between hardswitching and soft-switching inverters

3.2 光伏并网发电测试

30 kW光伏发电系统由10组3 kW光伏电池阵列组成，每一组阵列由12块光伏电池组件串联组成。单块光伏电池组件参数如表2所示，12块串联后的最大功率为3 060 W，开路电压455 V，因此将MPPT扰动范围设置为150～450 V。

每日清晨实际测量单组3 kW光伏电池阵列的开路电压在410～440 V之间。光伏发电系统现场情况如图12所示，由光伏组件、光伏汇流箱、逆变器、交流配电及通信系统组成。10台逆变器通过485总线与PC通信，传输每日发电数据。

其中1台软开关单相光伏逆变器启动时的工作波形如图13所示，开路电压为420 V，扰动间隔2 s，经过数次扰动达到最大功率点，并网电流随之增大。图14记录了其中1台逆变量从2017年2月8日～2017年2月26日的每日发电量，日发电量最高记录为15.4 kW·h。

逆变器发电测试详细数据如图15～图18所示。图15为某日单台逆变器的PV电压、直流母线电压、电网电压及瞬时功率数据，可见最大瞬时功率为2.6 kW，出现在中午13:00附近。图16～图18为10台逆变器在某日的PV电压、直流母线电压以及瞬时功率数据，其工作状态基本保持一致。

表 2 LN240（30）P-3-255 光伏组件参数Tab.2 Parameters of PV module LN240（30）P-3-255

图12 30 kW光伏发电系统Fig.12 30 kW PV generation system

图13 启动阶段并网电流与PV电压波形Fig.13 Waveforms of grid current and PV voltage on the startup stage

图14 单台逆变量日发电量Fig.14 Daily power generation of one inverter

图15 单台逆变器单日主要数据记录Fig.15 Main data record of one inverter on one day

图16 10台逆变器单日PV电压记录Fig.16 Data record of PV voltage of ten inverters on one day

图17 10台逆变器单日直流母线电压记录Fig.17 Data record of DC bus voltage of ten inverters on one day

图18 10台逆变器单日瞬时功率记录Fig.18 Record of instantaneous power of ten inverters on one day

4 结语

软开关单相逆变拓扑及其零电压调制方式实现了MOSFET的零电压开通，并抑制体二极管的反向恢复损耗，在100 kHz开关频率下最高效率为98.8%，且输出滤波电感显著减小。通过长期光伏发电测试，检验了软开关单相逆变器在不同功率、不同电压等各种工况下的可靠性。