光伏逆变系统中的ZVS升压变换器

第１７卷第１１期电机与控

制

学报

Ｖ０１．１７Ｎｏ．１１

２０１３年１１月

ＥｌｅｃｔｒｉＣＭａｃｈｉｎｅｓａｎｄ

Ｃｏｎｔｒｏｌ

Ｎｏｖ．２０１３

光伏逆变系统中的ＺＶＳ升压变换器

孟建辉，

付超，

石新春，

王毅

（华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室，河北保定０７１００３）

摘

要：针对两级式单相非隔离型光伏并网逆变器的前级电路，研究了一种新型的ＺＶＳ（ｚｅｒｏ

ｖｏｌｔ—

ａｇｅ

ｓｗｉｔｃｈ）Ｂｏｏｓｔ升压变换器电路拓扑。通过增加一个开关管、谐振电感、吸收电容及两个二极管

组成辅助电路，实现了Ｂｏｏｓｔ升压变换器电路中主开关管及所增加的辅助开关管的零电压导通与关断，从而减小了系统的开关损耗。分析了ＺＶＳＢｏｏｓｔ升压变换器电路拓扑的工作原理，探讨了谐振电感与谐振电容、吸收电容的定量关系及选择条件，对所研究的ＺＶＳＢｏｏｓｔ电路拓扑进行了软件仿真与实验验证，结果表明该拓扑工作在开关频率为２０ｋＨｚ、功率为２．５ｋＷ时，所提出的两级式单相非隔离型光伏并网逆变器的整机效率可以达到９７．１６％。

关键词：单相并网逆变器；Ｂｏｏｓｔ变换器；软开关电路；谐振回路；零电压开关

中图分类号：ＴＭ４６４

文献标志码：Ａ

文章编号：１００７—４４９Ｘ（２０１３）１１—０００１—０７

ＺＶＳｂｏｏｓｔｃｏｎｖｅｒｔｅｒｏｆｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｉｎｖｅｒｔｅｒｓｙｓｔｅｍ

ＭＥＮＧＪｉａｎ—ｈｕｉ，

ＦＵＣｈａｏ，ＳＨＩＸｉｎ—ｃｈｕｎ，ＷＡＮＧＹｉ

（Ｓｔａｔｅ

Ｋｅｙ

ＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＡｌｔｅｒｎａｔｅＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｗｉｔｈＲｅｎｅｗａｂｌｅＥｎｅｒｇｙＳｏｕｒｃｅｓ，ＮｏａｈＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂａｏｄｉｎｇ０７１００３，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒｔｈｅｐｒｅ－ｓｔａｇｅｃｉｒｃｕｉｔｏｆｔｗｏ－ｓｔａｇｅｓｉｎｇｌｅ—ｐｈａｓｅｎｏｎ—ｉｓｏｌａｔｅｄ

ｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｃ（ＰＶ）鲥ｄ

ｉｎｖｅｒｔｅｒ，

ａ

ｚｅｒｏ

ｖｏｌｔａｇｅ

ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ（ＺＶＳ）ｂｏｏｓｔ

ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ

ｃｉｒｃｕｉｔｔｏｐｏｌｏｇｙ，ｗｈｉｃｈｉｓｒｅａｌｉｚｅｄｂｙａｄｄｉｎｇ

ａ

ｓｗｉｔｃｈ

ｔｕｂｅ，ａ

ｒｅｓｏｎａｎｔ

ｉｎｄｕｃｔｏｒ，ａｓｎｕｂｂｅｒｃａｐａｃｉｔｏｒａｎｄ

ｔｗｏ

ｄｉｏｄｅｓ

ｔｏ

ｆｏｒｍａｕｘｉｌｉａｒｙｃｉｒｃｕｉｔ，ｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ

ｔｏ

ａｃｈｉｅｖｅｔｈｅＺＶＳｏｆｍａｉｎｓｗｉｔｃｈｔｕｂｅａｎｄｔｈｅａｕｘｉｌｉａｒｙｓｗｉｔｃｈｉｎｔｈｅｂｏｏｓｔ

ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ

ｃｉｒｃｕｉｔ，ｔｈｕｓｓｉｇｎｉｆｉ－

ｃａｎｔｌｙｒｅｄｕｃｉｎｇｔｈｅｓｗｉｔｃｈｉｎｇｌｏｓｓｅｓ．ＴｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｍｏｄｅｏｆｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄＺＶＳＢｏｏｓｔ

ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ

ｃｉｒｃｕｉｔ

ｔｏ—

ｐｏｌｏｇｙ

ｗａｓ

ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｎｔｈｅｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅ

ｒｅｓｏｎａｎｔ

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ｒｅｓｏｎａｎｔ

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ｐａｃｉｔｏｒ

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ｗｅｌｌ

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ｗａｓ

ｅｘｐｌｏｒｅｄ．Ｔｈｅ

ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｖａｌｉｄａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｃｉｒｃｕｉｔｔｏｐｏｌｏｇｙｗａｓ

ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ，ｆｒｏｍｗｈｉｃｈｔｈｅ

ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｗｈｏｌｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｔｗｏ

ｓｉｎｇｌｅ ｐｈａｓｅｎｏｎ—ｉｓｏｌａｔｅｄＰＶ加ｄ

ｉｎｖｅｒｔｅｒ

ｃａｎ

ａｃｈｉｅｖｅｕｐ

ｔｏ

９７．１６％ｏｎ２０ｋＨｚｓｗｉｔｃｈｉｎｇｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｎｄ２．５ｋＷ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｉｎｇｌｅ—ｐｈａｓｅｇｒｉｄ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｂｏｏｓｔｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；ｓｏｆｔｓｗｉｔｃｈｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ；ｒｅｓｏｎａｎｔｃｉｒ－

ｃｕｉｔ；ｚｅｒｏｖｏｌｔａｇｅ

ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ（ＺＶＳ）

收稿日期：２０１３—０２—１９

基金项目：国家自然科学基金（５１２７７０７２，５０９７７０２８）；中央高校基本科研业务费专项资金（１３ＭＳ７４）作者简介：孟建辉（１９８７一），男，博士研究生，研究方向为电力电子技术、新能源发电与电力系统；

付超（１９７９一），男，博士，讲师，研究方向为新能源发电、电力电子技术在电力系统中的应用；石新春（１９５０一），男，教授，博士生导师，研究方向为新型功率变换技术、电能质量、高频电源技术等；王毅（１９７７一），男，博士后，副教授，研究方向为风力发电控制技术、电力电子技术在电力系统中的应用等。

通讯作者：孟建辉

２

电机与控制学报

的变换效率与可靠性。

第１７卷

０

引言

本文所研究的前级ＺＶＳＢｏｏｓｔ升压变换器，如图１左边虚线框中所示。通过增加的辅助开关模

两级式单相非隔离型光伏并网逆变器以其体积

小、成本低、效率高等优点成为光伏并网逆变器的研

究热点之一¨。３Ｊ。采用前级为Ｂｏｏｓｔ升压变换器，后级为桥式逆变电路的两级式拓扑结构，主要作用一是提升及稳定光伏电池输出的电压，因为中小功率的光伏系统，太阳能光伏电池的数量有限，其输出电压较低。二是将最大功率跟踪控制放到前级的升压电路，简单实用。

高效率是两级式单相非隔离型光伏并网逆变器的一个重要要求。而前级Ｂｏｏｓｔ升压变换器的开关频率一般为１０ｋＨｚ以上，其开关损耗对整机系统效率的影响非常大‘４“Ｊ。为解决这一问题，近年来国内外提出了许多Ｂｏｏｓｔ软开关的拓扑结构＂一１Ｉ，均在一定程度上提高了Ｂｏｏｓｔ变换器的转换效率。

针对这一问题，本文研究了一种新型的零电压开关（ｚｅｒｏ

ｖｏｌｔａｇｅ

块，主开关管ｓ。和辅助开关管ｓ：能够实现软开

关。其中辅助开关模块包括一个辅助开关管（Ｓ：）、一个谐振电感（￡，）、一个谐振电容（Ｃ，）、一个吸收电容（Ｃ，）、两个续流二极管（Ｄ：和Ｄ，）。此外，增加的辅助回路不会对前级最大功率跟踪控制造成影响，也不会影响到控制系统的性

能∽川。本文研究的ＺＶＳＢｏｏｓｔ升压变换器拓扑

中用到的主要元器件参数如表ｌ所示。其中，ｙ为

额定电压，，为额定电流，ｔ，为上升时间，ｔ，为下降

时间，￡。为反向恢复时间。

表１

ＺＶＳ

Ｂｏｏｓｔ升压变换器主要元器件参数

Ｔａｂｌｅ１

ＭａｉｎｃｏｍｐｏｎｅｎｔｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＺＶＳ

Ｂｏｏｓｔｃｏｎｖｅｒｔｅｒ

ｓｗｉｔｃｈ，ＺＶＳ）Ｂｏｏｓｔ变换器¨。”。。

在传统Ｂｏｏｓｔ电路的基础上增加辅助开关管、谐振

电感、吸收电容及续流二极管组成辅助谐振回路，使主开关管及新增辅助开关管均能实现零电压的导通与关断，并将其与Ｈ６桥式逆变电路相连，组成所提出的两级式单相非隔离型光伏并网逆变系统。最后，通过Ｓａｂｅｒ软件仿真和样机试验对理论分析结果进行了验证。１

１．２工作过程分析

本文研究的应用在两级式单相光伏并网逆变器的ＺＶＳＢｏｏｓｔ升压变换器可以被分为９种工作模式，

工作原理

图１所示是本文提出的两级式单相非隔离型光

各个工作模式的等效电路如图２所示。为了简化所研究变换器的分析过程，本文假设开关器件和无源

器件都是理想化的，且输入电压和升压后的电压没有波动。图３表示各种工作模式下一些主要参数的波形图。

１．１拓扑结构

伏并网逆变器的整体拓扑结构，其中前级为ＺＶＳ

Ｂｏｏｓｔ升压变换器，后级为高效率且具备漏电流抑制

能力的Ｈ６桥式拓扑‘１４。１５｜。

１）模式１［ｔｏ～ｔ。］。ｔ。之前，ｓ．和ｓ：均没有导通。电感￡。中的能量通过二极管Ｄ，传递给输出

侧。此时，流过谐振电感Ｌ，的电流是零，谐振电容

ｃ，两端的电压等于升压后的电压，吸收电容ｃ．两

端的电压也为零。该工作模式下有

Ｍ￡，（ｔ）＝ＵＰｖ—Ｕｄｃｏ

（１）

式中：Ｕ。。为电感厶两端的电压；Ｕ，。为ＺＶＳＢｏｏｓｔ变

图１两级式单相光伏并网逆变器电路拓扑结构

Ｆｉｇ．１

Ｃｉｒｃｕｉｔｔｏｐｏｌｏｇｙｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｗｏ－ｓｔａｇｅｓｉｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｇｒｉｄ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｉｎｖｅｒｔｅｒ

换器输人侧的电压；Ｕ。。为升压后的直流母线电压。

，，

，，

ｉＬ，（￡）＝半（￡一￡ｏ）＋ｍ９）。（２）

Ｌ

针对后级Ｈ６桥式拓扑，文献［１４］、文献［１５］对

其进行了详细的研究，与传统的桥式拓扑相比，它能够有效的抑制漏电流的产生，且续流回路经过的器件数量较少，不经过性能较差的体二极管，具有很高

式中：ｉ。．为流过电感￡，的电流；，（ｔ，）为电感厶在ｔ。时刻的电流（下同）。

２）模式２［ｔ。一ｔ：］。ｔ。时刻，辅助开关管Ｓ：导

通。Ｓ：导通后，￡，的电流从零开始线性增加，Ｄ．的

第１１期孟建辉等：光伏逆变系统中的ＺＶＳ升压变换器

３

电流线性减小。当Ｌ，的电流大小等于Ｌ，的电流值时，模式２结束，且此时，Ｄ，的电流大小为零。ｔ：时

时，二极管Ｄ。自然关断。此时，Ｌ，与Ｃ，开始谐振，Ｃ，通过￡，、Ｓ：开始放电，ｔ，时刻，Ｃ，两端的电压为

刻，￡。的电流减小到其最小值，￡，两端的电压为

Ｕ¨电流为

零，谐振过程结束。谐振电感的电流大小为主电感

电流与谐振电感电流的和，即

，，

ｉ。（￡）＝半（￡一￡１）。

Ｕｒ

（３）

ｉ。（￡）＝ｉ…（ｆ）＋等ｓｉｎ（ｃＪ。（卜￡２）。

／－Ｊ

ｒ

（５）

式中，ｔ‘Ｌ为流过谐振电感￡，的电流。ｒ

此外，￡，的电流与厶电流相等时所用时间为

式中：ｉ晌为流过主电感厶的最小电流；谐振阻抗

‰２赢。

，，

ｚｒ

（４）

２√茜Ｊ皆振角频率峨２志。

谐振电容的放电电压可表示为

ｕｃ，（ｔ）＝Ｕｄ。ＣＯＳＯ．），（ｔ—ｔ２）。

（６）

厅一

１

３）模式３［ｔ：～ｔ，］。￡，的电流与Ｌ。的电流相等

ａ）模式１（ｔｏ－ｔ．）

（ｄ）模式４（ｔ３－－ｔ。）

（ｅ）模式５（ｔ。一ｔ５）（ｆ）模式６（ｔｒｔ。

图２

Ｆｉｇ．２

ＺＶＳ

Ｂｏｏｓｔ升压变换器工作模式等效电路图

ＥｑｕｉｖａｌｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔｓｃｈｅｍｅｓｏｆｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｍｏｄｅｓｉｎｔｈｅＺＶＳＢｏｏｓｔｃｏｎｖｅｒｔｅｒ

４）模式４［ｔ，～ｔ。］。当ｃ，两端的电压减小到零时，Ｓ．的体二极管自然导通，￡，的电流流过ｓ：及ｓ。的体二极管，它两端的电压几乎为零，也即ｓ。两端

的电压为零。此时厶两端的电压为％。，则流过厶的电流为

，，

流为零，其电流表达式为

式中：阻抗五２√南，觯‰了赢。

厂—Ｆ一

１

ｉｏ（ｔ）＝“ｔ４）ＣＯＳ（Ｏ。（ｔ—ｔ４）。

（８）

６）模式６［ｔ，～ｔ。］。ｔ，时刻，谐振电感￡。的电流

“￡）＝ｉ。ｉ。＋半（ｔ一￡３）。

Ｕ

（７）

下降为零，此时Ｃ。。经过Ｌ，和Ｓ。开始放电，且￡，的电流反向，由于Ｃ。。两端的电压小于ｕ扪因此其电流幅值大小比ｔ：到ｔ，阶段增加的电流值略小。

７）模式７［ｔ。～ｔ，］。当ｃ。。两端的电压下降到零

时，ｓ：的体二极管自然导通，Ｌ，的电流经ｓ。和ｓ：的

５）模式５［ｔ。一ｔ，］。模式４中，Ｓ。两端的电压为零。ｔ。时刻，ｓ，在零电压下开通，同时，辅助开关管

Ｓ：关断。由于吸收电容Ｃ。的存在，使得Ｓ：两端电

压升高的速度变慢，即ｓ：可以实现软关断。该模式下，谐振电感Ｌ，向Ｃ。及Ｃ。。充电，直至流过￡，的电

体二极管构成回路。此时，Ｓ。两端的电压几乎为

４

电机与控制学报

之一的谐振周期…。，即

（９）

第１７卷

零，则主电感Ｌ。的电流为

‘㈤吐ｉｎ＋等㈦∽。

是１团

，

疋＝—剽￡，ｃ。。

下式成立

（１２）

假设辅助开关管Ｓ，导通的时间是０．１Ｔ，则由

％田毯眠嚼｜｜

ｓ埋Ｅ］一

“ｔ卜■ｉ｝———卜

重０

ｊ

疋＋Ｌ＝ｌｍ，ｉ，ｎＬｒ＋瓶＜ｏ．１Ｔ。（１３）

ｕｄｃ

－

￡Ｅ

．

２．２谐振电感Ｌ，与吸收电容Ｃ，

模式５期间，假设此时￡，与Ｃ，、Ｃ。。的谐振时间为０．０２Ｔ，谐振电感￡，向吸收电容Ｃ。和辅助开关管的输出电容Ｃ。。充电，则需满足吸收电容两端的电压不大于Ｂｏｏｓｔ升压变换器的输出电压，即下列表达式成立

Ｚ。，ｉ。。≤Ｕｄｃ，

２１Ｔ

％■｛芷ｊＬ

图３主要参数波形图

Ｆｉｇ．３

Ｔｈｅｗａｖｅｂｒｍｓｄｉａｇｒａｍｏｆｍａｉｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓ

（１４）（１５）

ＣＬｒ（Ｃ１＋ｃｄ。）≤ｏ．０２Ｔ。

选择谐振电感￡，与吸收电容的数值时需要考

虑下面３个因素：（１）限制辅助开关管的电流上升

速率及电压上升速率，从而降低辅助开关管的开关损耗；（２）降低主二极管的反向恢复时间，从而降低

由于反向恢复电流引起的损耗；（３）降低辅助谐振

８）模式８［ｔ，～ｔ８］。ｔ，时刻，ｓ，在零电压下关

断，此时Ｌ，中的能量向Ｃ，转移，Ｃ，两端的电压在两

个电感的作用下逐渐上升，ｃ，中的能量经过Ｄ，传

递给输出侧，一定程度上实现了无损吸收。

回路的谐振时间，从而降低谐振损耗。

根据上面推导出的表达式，可以得到谐振电感￡。与谐振电容Ｃ。吸收电容Ｃ，的关系曲线如图４所示。

——Ｉ，与ｃ，暮蠹坤缕国

、

９）模式９［ｔ８～ｔ９］。ｔ，时刻，Ｌ，中的电流下降为

零，Ｃ。中的能量完全传递给输出侧。此时有

ｉｋ（ｔ９）＝０，

，

ｌ

“ｃ。（ｔ９）＝ｏ，Ｉ

ｕｃ．（ｔ９）＝Ｕｄ。。Ｊ

、

Ｌ，习ＬＩ大尔Ｉｔｔｌ筑圈

、

（１０）

ｋｃ＼Ｕ

、

￥

、

、

２关键参数选择

在本文研究的ＺＶＳＢｏｏｓｔ软开关电路中，关键

鲫加∞∞∞∞加ｍ

０Ｏ

＼

＼～

５

１０

１～～、

－－’～一

１５Ｌ，／¨Ｈ

２０２５３０

的参数有：谐振电容ｃ，、谐振电感￡，及吸收电容Ｃ。。在这些参数的选择上主要考虑主开关管、主二

极管及辅助开关管的软开关条件。２．１谐振电容Ｃ，

谐振电容Ｃ，的选择主要考虑主开关管Ｓ。的零

Ｆｉｇ．４

图４

Ｌ，与Ｃ。、Ｃ。关系曲线图

ＲｅｌａｔｉｏｎｓｄｉａｇｒａｍｂｅｔｗｅｅｎＬ，ａｎｄＣ，，Ｃ

可以看出当谐振电感￡，大小为１０栌时，谐振

电容ｃ。与吸收电容Ｃ。的变化趋于稳定。因此可以选择Ｃ，为２ｎＦ、Ｃ。为２２ｎＦ。再将￡，、Ｃ，、Ｃ。的数值代入式（１３）、式（１５），均成立。

电压导通过程。从模式２开始到模式３结束，所用

的时间应该保证至少小于辅助开关管Ｓ：导通的时间，其中谐振电感Ｌ，的电流从零逐渐增加到与主电

因此，根据上面的条件综合考虑，ＺＶＳＢｏｏｓｔ升压变换器选择的参数如表２所示。其中，在实际设计电路时，谐振电容可以直接用所选ＭＯＳＦＥＴ开关

管ＳＰＷ４７Ｎ６０ＣＦＤ的输出电容替代，其输出电容的值为２ｎＦ。

感Ｌ电流值相等的时间为

，

ｒ

咒＝可Ｉｍｉｎ一／。ｒ。

ｕｄｃ

（１１）

谐振电感Ｌ，与谐振电容Ｃ，的谐振时间为四分

第１１期

表２

Ｔａｂｌｅ２

ＺＶＳ

孟建辉等：光伏逆变系统中的ＺＶＳ升压变换器

Ｂｏｏｓｔ升压变换器的主要谐振参数

ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＺＶＳｂｏｏｓｔｃｏｎｖｅｒｔｅｒ

５

想情况不同的是，由于存在能量的损耗，谐振电感电流在正的最大值和负的最大值时并不能维持一个恒定的值不变，而是有一定的减小的变化趋势。

Ｍａｉｎ

ｒｅｓｏｎａｎｔ

Ｌ，／

ｆ

／

Ｆ／

３仿真分析

针对本文研究的应用在两级式单相非隔离型光

图７谐振电感Ｌ，的电流波形

Ｆｉｇ．７

ＴｈｅｃｕｒｒｅｎｔｗａｖｅｆｏｒｍｏｆｔｈｅｒｅｓｏｎａｎｔｉｎｄｕｃｔｏｒＬ，

伏并网逆变器中的ＺＶＳＢｏｏｓｔ升压变换器，利用元器件级的仿真软件Ｓａｂｅｒ进行仿真分析，其仿真参数与表２所选参数一致。其中，仿真时间为３０

选择一致。

图５所示是主开关管两端的电压和电流波形图，图６所示辅助开关管两端的电压和电流波形图。

４００＞

ｍｓ，

４实验验证

为了验证所研究的ＺＶＳＢｏｏｓｔ升压变换器能够

仿真步长１ａｓ，仿真中所有开关器件型号均与实际

较大的提高两级式单相非隔离型光伏并网逆变器的

效率，研制了一套额定功率为３ｋＷ的实验样机，如图８所示。

言２００

０２０

≤１０

。

Ｏ２５．８８

２５．９０

２５．９２

２５．９４

２５．９６ｔ／ｍｓ

２５．９８

２６（）ｏ

２６．０２

图５主开关管Ｓ。两端的电压、电流波形

Ｆｉｇ．５

ＴｈｅｖｏｌｔａｇｅａｎｄｃｕｒｒｅｎｔｗａｖｅｆｏｒｍｓｏｆｔｈｅｍａｉｎｓｗｉｔｃｈＳＩ

Ｆｉｇ．８

图８实验样机

Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐｒｏｔｏｔｙｐｅ

其中，该样机的实验参数为：输入电压为Ｕ。，＝２００～５００ＶＤＣ；升压后的直流母线电压为Ｕ出＝

４００ＶＤＣ；输出电压为ｕ鲥ｄ＝２２０ＶＡＣ；输出频率工。＝５０Ｈｚ；ＺＶＳＢｏｏｓｔ主电感Ｌ。＝１．６ｍＨ；光伏阵列输入

２５．８８

２５．９０

２５．９２

２５９４

２５．９６ｔ／ｍｓ

２５．９８

２６．００

２６．０２

电容Ｃｉｎｌ＝１９５¨Ｆ；直流母线电容Ｃｉ。＝２０００斗Ｆ；输

出滤波电感Ｌ：＝Ｌ，＝１．２ｍＨ；输出滤波电容Ｃ。。。＝

４．７斗Ｆ；ＺＶＳ

图６辅助开关管Ｓ：两端的电压、电流波形

Ｆｉｇ．６

ＴｈｅｖｏｌｔａｇｅａｎｄｃｕｒｒｅｎｔｗａｖｅｆｏｒｍｓｏｆｔｈｅａｕｘｉｌｉａｒｙｓｗｉｔｃｈＳ２

Ｂｏｏｓｔ升压变换器中其它的参数如表２

所示。此外，核心控制板采用浮点型ＤＳＰ：ＴＭＳ３２０Ｆ２８３３５。本次实验相关波形及数据结果是

利用ＴＤＳ２０１４示波器及ＷＴ３０００功率分析仪进行测

从图５和图６中可以看出，主开关管Ｓ。在零电压条件下开通、关断，谐振电容Ｃ，减小了关断损耗。

辅助开关管Ｓ：在谐振电感Ｌ，作用下，其导通时的电流上升缓慢，减小了开通损耗，关断时，由于吸收

量得到的。

图９所示为ＺＶＳＢｏｏｓｔ升压变换器中主开关管Ｓ，两端的电压与门极驱动波形，图９（ｂ）是图９（ａ）

开通与关断过程的局部放大图。在主开关管ｓ．导

通之前，由于谐振回路的存在，它两端的电压已经下

电容Ｇ，的存在，减少了ｓ：的关断损耗。

图７所示是谐振电感￡，的电流波形图。与理

降为零，即Ｓ．实现了零电压开通与关断。

６

电机与控制学报第１７卷

电容Ｃ。的存在，使得ｓ：的开关损耗极小。

耄］声一厂厂

专

图１ｌ所示是ＺＶＳＢｏｏｓｔ升压变换器中谐振电感￡，的电流波形图。为了更清楚的观察￡。的电流波形，在测量Ｌ，的电流时，增加开关管Ｓ。和Ｓ：的导通

｝ｆ。＋

矍ｌ～．＾——Ｊｏ．——０—．ｋ一

时间，可以看出测量出的电流波形与理论分析及仿

真结果基本一致。

一

蜒

耋÷羔

禽１二

彗

肇卜ｋ叶ｆ

ｃ

擎

≥４里

ｊ

ｌ，

望，一＊ｉ．一

、■‘■Ｈ＿一’■●＿－＿－＿－一

．．．．．。，＾‰

￡（１０１－Ｌｓ／格）

图１１谐振电感Ｌ，的电流实验波形

ｆ（２．５ｐｓ／格）

（ｂ）

Ｆｉｇ．１１

Ｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｗａｖｅｆｏｒｍｓｏｆ

ｔｈｅｒｅｓｏｎａｎｔ

ｉｎｄｕｃｔｏｒＬｒ

图９主开关管Ｓ．的电压与驱动实验波形

Ｆｉｇ．９

ＴｈｅｖｏｌｔａｇｅａｎｄｄｒｉｖｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｗａｖｅｆｏｒｍｓｏｆｔｈｅｍａｉｎｓｗｉｔｃｈＳｌ

针对所研究的前级为ＺＶＳＢｏｏｓｔ升压变换器的两级式单相非隔离型光伏并网逆变器，在相同频率

和功率等级下，本文将其与前级为硬开关Ｂｏｏｓｔ升

图１０所示为辅助开关管Ｓ：两端的电压与门极驱动波形，同样，图１０（ｂ）是图１０（ａ）开通与关断过程的局部放大图。

压变换器的光伏并网逆变器进行效率测试对比，测试结果如图１２所示。Ｈ代表光伏并网逆变器的前级Ｂｏｏｓｔ电路是硬开关电路，Ｓ则代表其前级为ＺＶＳＢｏｏｓｔ电路。其中，效率测量仪器采用横河的Ｗ１３０００高精度功率分析仪。

ｌｏｏ９５９０

ｊ＾Ｚ

譬８５

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５００

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警上Ｉ

】图１２单相光伏并网逆变器效率测试曲线

Ｆｉｇ．１２

Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｃｕｒｖｅｓｏｆｓｉｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ

ｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｉｎｖｅｒｔｅｒ

—

￡（５００ｎｓ，格）

（ｂ）

从图１２中可以看出，通过在单相非隔离型光伏并网逆变器的前级采用本文研究的ＺＶＳＢｏｏｓｔ升压变换器可以较大幅度的提高光伏并网逆变器的整机效率，功率为２．５ｋＷ时的最大效率可达９７．１６％。５

图１０辅助开关管Ｓ：的电压与驱动实验波形

Ｆｉｇ．１０

ＴｈｅｖｏｌｔａｇｅａｎｄｄｒｉｖｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｗａｖｅｆｏｒｍｓｏｆｔｈｅａｕｘｉｌｉａｒｙｓｗｉｔｃｈＳ２

结语

针对两级式单相非隔离型光伏并网逆变器的前

级Ｂｏｏｓｔ升压电路，本文研究了一种新型的ＺＶＳＢｏｏｓｔ升压变换器。该电路拓扑通过增加一个辅助

由图１０可知，Ｓ：在导通的瞬间有较小的开通损耗，关断的时候几乎没有关断损耗，这是由于吸收

第１１期孟建辉等：光伏逆变系统中的ＺＶＳ升压变换器

７

谐振回路，实现了主开关管与辅助开关管的零电压ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎ

ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ＥＣＣＥＡｓｉａ，Ｍａｙ３０

导通与关断，并将其与Ｈ６桥式逆变电路组合为两一Ｊｕｎｅ

３，２０１１，Ｊｅｊｕ，Ｋｏｒｅａ．２０１ｌ：２８３８—２８４３．

级式单相非隔离型光伏并网逆变系统。通过分析工［８］ＫＩＭＪ

Ｈ，ＷＯＮＣＹ，ＬＥＥＳＷ，ｅｔａ１．Ｐｏｗｅｒｌｏｓｓａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｗｏ

ｓｔａｇｅＰＶ－－ＰＣＳｕｓｉｎｇｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｄｓｏｆｔｓｗｉｔｃｈｉｎｇＤＣ－－ＤＣ

ｃｏｎｖｅｎｅｒ

作原理，谐振参数选择，建立了仿真模型，并以一台

［Ｃ］／／２００９

ＩＥＥＥ６ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓａｎｄＭｏｔｉｏｎ

功率为３ｋＷ的样机实验平台进行了初步实验。结

ＣｏｎｔｒｏｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｍａｙ１７—２０，２００９，Ｗｕｈａｎ，Ｃｈｉｎａ．２００９：

果表明，采用本文研究的ＺＶＳＢｏｏｓｔ升压变换器可４２８—４３２．

以很好的实现其开关管的软开关控制，从而提高光［９］ＰＡＲＫＳＨ，ＣＨＡＧＲ，ＪＵＮＧＹＣ，ｅｔａ１．Ｄｅｓｉｇｎ

ａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ

伏并网逆变系统的整机效率，具有很好的应用价值ｆｏｒＰＶｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｕｓｉｎｇ

ａ

ｓｏｆｔ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ

ｂｏｏｓｔｅｏｎｖｅｎｅｒ

ｗｉｔｈ

ＳＡＲＣ［Ｊ］．ＩＥＥＥ

Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ

ｏｎ

ＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０１０，５７

及实际意义。

（２）：５１５—５２２．

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ａ

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ｓｏｆｔ－－ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ

ｂｏｏｓｔ

ｃｏｎｖｅｎｅｒｗｉｔｈ

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ｒｅｓｏ －

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ｓｉｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅ

ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ ｂａｓｅｄ

ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ

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ａｎｄｚｅｒｏ

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ＪＩＢａｏｊｉａｎ，ＷＡＮＧＪｉａｎｈｕａ，ＺＨＡＯＪｉａｎｆｅｎｇ，ｅｔａ１．Ａｈｉｇｈｅｆｆｉ－

ＬＵＯ

Ｑｕａｎｍｉｎｇ，ＧＡＯＣｏｎｇｚｈｅ，ＺＨＯＵＬｕｏｗｅｉ．Ｚｅｒｏｖｏｌｔａｇｅ

ｔｒａｎ－

ｃｉｅｎｃｙ

ｎｏｎ－－ｉｓｏｌａｔｅｄｓｉｎｇｌｅ －ｐｈａｓｅｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｇｒｉｄ －ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ

ｉｎ －

ｓｉｔｉｏｎｂｒｉｄｇｅｌｅｓｓＢｏｏｓｔＰＥＣ［Ｊ］．ＥｌｅｃｔｒｉｃＭａｃｈｉｎｅｓ

ａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，ｖｅｒｉｅｒ

ｗｉｔｈＨ６－ｔｙｐｅ

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Ｊ

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ＡＣ

ｍｏｄｕｌｅ

ＣＨＵＥｎｈｕｉ，ＹＥＳｈｕｒｅｎ，ＷＡＮＧＡｏｙｕ．Ａｎｏｖｅｌａｃｔｉｖｅｓｏｆｔｓｗｉｔｃ－ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｃ］／／２５ｔｈ

ＡｎｎｕａｌＩＥＥＥＡｐｐｌｉｅｄＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ

ｈｉｎｇ

ｃｏｎｖｃａｅｒ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｉｃ

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Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ

ａｎｄ

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Ｉ

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ｃｏｎ－

（编辑：刘琳琳）

ｖｅｒｉｅｒ

ｕｓｉｎｇ

ａｎａｕｘｉｌｉａｒｙ

ｒｅｓｏｎａｎｔ

ｃｉｒｃｕｉｔｆｏｒ

ａ

ＰＶ

ｓｙｓｔｅｍ［Ｃ］／／８ｔｈ

光伏逆变系统中的ZVS升压变换器

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

孟建辉， 付超， 石新春， 王毅， MENG Jian-hui， FU Chao， SHI Xin-chun， WANG Yi华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室,河北保定,071003电机与控制学报

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引用本文格式：孟建辉.付超.石新春.王毅.MENG Jian-hui.FU Chao.SHI Xin-chun.WANG Yi 光伏逆变系统中的ZVS升压变换器[期刊论文]-电机与控制学报 2013(11)

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/cfb1.html