基于LLC隔離的光伏并網(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)方案

　　0 引言

　　隨著光伏行業(yè)的蓬勃發(fā)展，光伏并網(wǎng)發(fā)電已經(jīng)成為光伏發(fā)電領(lǐng)域研究和發(fā)展的最新亮點(diǎn)。光伏并網(wǎng)逆變器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心，對(duì)提高整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率、可靠性、以及整個(gè)系統(tǒng)的使用壽命、降低成本至關(guān)重要。

　　傳統(tǒng)的光伏并網(wǎng)逆變器按照有無(wú)隔離變壓器可分為隔離型和非隔離型兩大類(lèi)。非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器由于體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低，但是由于其跟電網(wǎng)之間沒(méi)有進(jìn)行隔離，容易向電網(wǎng)饋入直流分量和諧波，增加系統(tǒng)傳導(dǎo)損耗，而且容易發(fā)生觸電危險(xiǎn)，對(duì)人構(gòu)成傷害。隔離型光伏并網(wǎng)逆變器可分為工頻隔離型和高頻隔離型。由于增加了隔離變壓器，系統(tǒng)保證不會(huì)向電網(wǎng)饋入直流分量，而且更安全。但是工頻變壓器成本高、體積大又笨重，所以工頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器不利于小型化和廣泛使用。高頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器雖然解決了前者體積大和笨重的問(wèn)題，但是增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，增加了元器件數(shù)量提高了成本，整體效率并不高。

　　綜合以上考慮，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(kāi)關(guān)，可以大大降低功率器件的開(kāi)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(yáng)能電池陣列傳送過(guò)來(lái)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(guò)來(lái)的直流電進(jìn)行逆變，最后經(jīng)過(guò)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(guò)使功率器件有規(guī)律的開(kāi)通、關(guān)斷來(lái)控制電能的傳輸，功率器件的開(kāi)通關(guān)斷采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）方式來(lái)控制。太陽(yáng)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(yáng)能電池始終工作在最大功率點(diǎn)。

　　經(jīng)過(guò)最大功率點(diǎn)跟蹤控制后DC-DC電路將太陽(yáng)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。控制器對(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(guò)調(diào)節(jié)DC-DC級(jí)功率器件開(kāi)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(guò)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(mǎn)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［4］。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(wú)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(kāi)關(guān)管零電壓開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)管的ZVS.下面對(duì)它的工作過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。

　　LLC電路根據(jù)開(kāi)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(kāi)關(guān)周期內(nèi)整個(gè)工作過(guò)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(guò)開(kāi)關(guān)管Q1 并以正弦形式逐漸上升，流過(guò)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(xiàn)性上升。

　　經(jīng)過(guò)半個(gè)周期諧165現(xiàn)代電子技術(shù)2013年第36卷振時(shí)Q1 仍處于導(dǎo)通狀態(tài)。半個(gè)周期之后諧振電流開(kāi)始減小，勵(lì)磁電流繼續(xù)線(xiàn)性上升，t1 時(shí)刻諧振電流與勵(lì)磁電流相等。

　　［ t1 - t2 ］階段：t1 時(shí)刻諧振電流ILr等于勵(lì)磁電流ILm，變壓器原邊電壓為0，副邊電壓也為0，副邊整流二極管全部截止，原邊不再向副邊提供能量，勵(lì)磁電感Lm開(kāi)始參與諧振。由于Lm 要比Lr 大很多，LLC諧振周期明顯變長(zhǎng)，所以諧振電流基本不變。t2 時(shí)刻Q1 關(guān)斷。

　?。?t2 - t3 ］階段：t2 時(shí)刻Q1 關(guān)斷，此時(shí)Q2 也處于關(guān)斷狀態(tài)，電路進(jìn)入死區(qū)時(shí)間。諧振電流ILr對(duì)Q2 的結(jié)電容放電，當(dāng)它的電壓降到0時(shí)，體二極管導(dǎo)通，變壓器原邊繞組極性變?yōu)樯县?fù)下正，副邊整流二極管D2 、D3 自然導(dǎo)通，勵(lì)磁電感Lm 電壓被輸出電壓鉗位，不再參與諧振。諧振電流開(kāi)始以2π LrCr 為周期程正弦規(guī)律減小，勵(lì)磁電流線(xiàn)性減小。t3 時(shí)刻Q2 零電壓開(kāi)通。

　?。?t3 - t4 ］階段：t3 時(shí)刻Q2 零電壓開(kāi)通，與第一階段類(lèi)似，Lr 、Cr 諧振，諧振電流以正弦形式減小，勵(lì)磁電流線(xiàn)性減小。t4 時(shí)刻諧振電流等于勵(lì)磁電流。

　?。?t4 - t5 ］階段：t4 時(shí)刻開(kāi)始變壓器原邊電壓為0，副邊整流二極管全部截止，原邊不再向副邊提供能量，勵(lì)磁電感不再被輸出電壓鉗位，開(kāi)始參與諧振。LLC諧振電流基本不變。

　　［ t5 - t6 ］階段：與［ t2 - t3 ］階段類(lèi)似，電路進(jìn)入死區(qū)時(shí)間，Q1 、Q2 全部關(guān)斷，諧振電流ILr對(duì)Q1 的結(jié)電容充電，當(dāng)它的電壓等于電源電壓時(shí)，體二極管導(dǎo)通，變壓器原邊繞組極性上正下負(fù)，副邊整流二極管D1 、D4 自然導(dǎo)通，勵(lì)磁電感Lm 電壓被輸出電壓鉗位，不再參與諧振。

　　諧振電流開(kāi)始以2π LrCr 為周期程正弦規(guī)律增大，勵(lì)磁電流線(xiàn)性增大。t6 時(shí)刻Q1 零電壓開(kāi)通，開(kāi)始進(jìn)入下一個(gè)周期。

　　在［ t1 - t2 ］階段和［ t4 - t5 ］階段，假設(shè)諧振電流不變，設(shè)為Im ，則輸出電壓Uo 可表示為：

　　式中：Ui 為輸入電壓；T 為開(kāi)關(guān)周期；Ts 為L(zhǎng)r 和Cr 諧振時(shí)的諧振周期。從式中可以看出，當(dāng)T = Ts 即fr = fs 時(shí)這種情況下［ t1 - t2 ］階段和［ t4 - t5 ］階段將不存在，諧振電流是純粹的正弦波，副邊整流電路輸出電流臨界連續(xù)，均方根值最小，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通損耗最小，電路效率最高［8］。所以，當(dāng)LLC電路工作在諧振頻率時(shí)，效率最高。本文中LLC電路的主要作用就是隔離，在保證隔離的基礎(chǔ)上要使效率最高，因此本文中使開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率等于諧振頻率。