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光伏并網(wǎng)系統(tǒng)DC/DC全橋軟開(kāi)關(guān)變換器的研究

作者: 時(shí)間:2017-06-03 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201706/347116.htm

0 引言

目前并網(wǎng)市場(chǎng)上大多采用工頻隔離型并網(wǎng),由于工頻變壓器會(huì)使系統(tǒng)效率變低、體積大、成本高等缺點(diǎn),近年來(lái),高頻隔離型并網(wǎng)也逐漸成為研究熱點(diǎn);但是逆變器的高頻化會(huì)帶來(lái)高電磁干擾(EMI)和高開(kāi)關(guān)損耗,同時(shí)考慮到作為大功率系統(tǒng)的應(yīng)用,因此移相全橋軟開(kāi)關(guān)變換器(FB-ZVZCS)很適用于光伏并網(wǎng)中的DC/DC環(huán)節(jié)。

現(xiàn)階段,實(shí)現(xiàn)FB-ZVZCS的方法有很多,主要有滯后橋臂串阻塞二極管、原邊串飽和電抗器,副邊有源鉗位等等;文獻(xiàn)提出了一種副邊無(wú)源鉗位的,本文結(jié)合光伏逆變器的特點(diǎn)并從電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占空比丟失小、副邊整流二極管寄生振蕩小、效率高的角度出發(fā),采用無(wú)源鉗位的作為光伏升壓移相全橋DC/DC變換器。

1 原理分析及實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的條件

1.1 原理分析

圖1為無(wú)源鉗位的ZVZCS全橋變換器,該電路中超前橋臂通過(guò)并聯(lián)在兩個(gè)開(kāi)關(guān)管V1和V3上電容的C1和C3來(lái)實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)。而實(shí)現(xiàn)滯后橋臂零電流開(kāi)關(guān),是在續(xù)流期間通過(guò)鉗位電容Cc上的電壓反射到漏感Lr上,使得原邊電流迅速下降來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

為簡(jiǎn)化電路分析,先作如下假設(shè):所有元件都是理想的;輸出濾波電容很大,可近似為電壓源,輸出濾波電感很大,可近似為電流源;電容C1=C3=Cr,變壓器匝數(shù)比為N1/N2=1/k,輸入電壓為Uin,輸出電壓為U0。在半個(gè)周期中,變換器一共有8種工作狀態(tài),各階段主要波形如圖2所示;

模式1[t0~t1]

t0時(shí)刻,V1開(kāi)通,由于變壓器漏感Lr的存在,原邊電流不會(huì)發(fā)生突變,V4零電流開(kāi)通,如圖2所示。電壓Uin作用于漏感Lr,原邊電流Ip為:

模式2[t1~t2]

t1時(shí)刻,整流二極管VD2、VD3反向關(guān)斷,VD2、VD3兩端的反壓等于U0,無(wú)源鉗位電路開(kāi)始工作,通過(guò)Cc和D2給Cf充電,鉗位電容Cc兩端電壓升高。這段時(shí)間內(nèi)有:

模式3[t2~t3]

t2時(shí)刻,二極管D2關(guān)斷,整流二極管VD2和VD3承受nUin電壓,原邊電流nI0,在這段時(shí)間內(nèi),變換器經(jīng)變壓器向負(fù)載提供能量,Cc上電壓充至UCc(t2)=Uin-U0/2n并保持不變。

模式4[t3~t4]

t3時(shí)刻,V1關(guān)斷,由于并聯(lián)C1,V1實(shí)現(xiàn)了ZVS關(guān)斷,電容C1開(kāi)始充電,C3開(kāi)始放電。

模式5[t4~t5]

在t4時(shí)刻,鉗位二極管D1開(kāi)始工作,原邊不足以向副邊提供能量,Cc通過(guò)Lf、Cf、D1開(kāi)始向負(fù)載提供能量,同時(shí)C1繼續(xù)充電、C3放電至t5時(shí)刻。

模式6[t5~t6]

t5時(shí)刻,C3放電完畢,續(xù)流二極管D3開(kāi)始導(dǎo)通,為V3實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通提供了條件。V4處于續(xù)流狀態(tài),此時(shí)原邊電流迅速下降,負(fù)載電流主要由鉗位電容Cc提供,流過(guò)Cc的電流增大,在t6時(shí)刻原邊電流減小為零,此時(shí)Cc的電流值達(dá)到最大。

模式7[t6~t6]

t6時(shí)刻,原邊電流為零,負(fù)載電流全部由鉗位電容Cc提供,整流二極管兩端承受的反壓隨鉗位電容Cc的放電下降。

模式8[t7~t8]

t7時(shí)刻,鉗位電容Cc中的能量被全部釋放,整流二極管VD1~VD4開(kāi)始續(xù)流,變壓器原邊電流為零并且保持。在t8時(shí)刻關(guān)斷V4,實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷并結(jié)束前半個(gè)周期的換流;下一個(gè)時(shí)刻,V2零電流開(kāi)通,開(kāi)始進(jìn)入下半個(gè)周期的循環(huán),工作模式和上述分析基本相同。

1.2 實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的條件

1.2.1 超前臂實(shí)覡ZVS條件

為實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān),要求要有足夠的能量來(lái)使得同一橋臂開(kāi)關(guān)管兩端并聯(lián)的電容充、放電,從而讓即將開(kāi)通的開(kāi)關(guān)管的反并聯(lián)二極管自然導(dǎo)通。所以要實(shí)現(xiàn)超前橋臂的零電壓開(kāi)關(guān),需要在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷之前將電容C1和C3上的電荷抽走。根據(jù)模式4可得到最小死區(qū)時(shí)間。

Td>(C1+C2)Uin/2nI0 (3)

1.2.2 滯后臂實(shí)現(xiàn)ZCS條件

變壓器漏感Lr的大小是以能實(shí)現(xiàn)滯后橋臂ZCS為前提的,假設(shè)滯后臂開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通時(shí)間為ton,要實(shí)現(xiàn)ZCS需要(t1-t0)>>ton,則根據(jù)工作模式1可得:

Lr=Uint/Ip(t)≥Uin(t1-t0)/2nI0≥Uinton/2nI0 (4)

2 關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)

變換器采用了移相控制,超前臂兩開(kāi)關(guān)管互補(bǔ)180°導(dǎo)通,兩開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間設(shè)置一定死區(qū),滯后臂設(shè)置與超前臂相同,只是在相位上有一定的滯后,滯后角度反映了有效占空比的大小。設(shè)計(jì)步驟如下:

(1)設(shè)置兩對(duì)橋臂的死區(qū)時(shí)間Td;

(2)設(shè)置占空比D,計(jì)算匝比k;

(3)根據(jù)式(1)算出諧振電感Lr,根據(jù)式(2)求出鉗位電容Cc;


3 仿真研究

為了檢驗(yàn)上述分析,采用matlab仿真軟件對(duì)無(wú)源鉗位的ZVZCS全橋變換器進(jìn)行開(kāi)環(huán)仿真(如圖3所示),根據(jù)以上分析,設(shè)計(jì)電路參數(shù)為:輸入電壓Uin=36V,輸出Uo=400V,輸出功率Po=1000W,移相角30°,開(kāi)關(guān)管頻率fs=20kHz,輸出濾波電容Cf=100 μF,輸出濾波電感Lf=3mH,超前橋臂開(kāi)關(guān)管并聯(lián)電容C1=C3=0.2 μF,輸入濾波電容Cin=1000μF,諧振電感Lr=0.36 μH,鉗位電容Cc=100nF,仿真結(jié)果如下:


圖3為超前臂G1的管壓降和驅(qū)動(dòng)波形;在G1導(dǎo)通之前VDS1下降為零,在G1關(guān)斷之前,VDS1保持為零,因此超前臂實(shí)現(xiàn)了ZVS。圖4為滯后臂G3的驅(qū)動(dòng)電壓和流過(guò)G3電流波形;在G3開(kāi)通之前,Ip電流保持為0,在G3關(guān)斷之前Ip電流下降為0,滯后臂實(shí)現(xiàn)了ZCS。圖5為變壓器原、副邊的電壓波形;原邊與副邊的占空比存在差異,副邊電壓上升比原邊電壓上升略微滯后,這是由變壓器原邊漏感Lr造成的;而在電壓下降時(shí)副邊電壓也滯后于原邊電壓,這是由無(wú)源鉗位電路所造成;總體來(lái)看,較傳統(tǒng)的ZVS變換器器占空比丟失有所減小。圖6是副邊整流二極管電壓、電流波形,經(jīng)過(guò)計(jì)算二極管電壓尖峰理論值為535V,實(shí)際副邊尖峰電壓約540V,二極管電流尖峰理論值5.1A,實(shí)際電流尖峰5.4A較傳統(tǒng)的ZVS變換器尖峰明顯減小。圖7是負(fù)載R輸出電壓、電流波形,由仿真圖可以看出,輸出電壓最終穩(wěn)定在400V左右,輸出電流最終接近2.5A,輸出功率Po=1000W。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合光伏并網(wǎng)逆變器的特點(diǎn)介紹了一種無(wú)源鉗位的,此變換器較好地實(shí)現(xiàn)了超前臂的ZVS、滯后橋臂ZVS,降低了系統(tǒng)的損耗;且原副邊占空比丟失較傳統(tǒng)的ZVS變換器有所減小,副邊整流二極管的寄生振蕩基本得到消除;設(shè)計(jì)了一套1kW的參數(shù),通過(guò)matlab軟件仿真初步驗(yàn)證了此變換器的正確性和可行性。



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