利用LLC諧振電路隔離的光伏并網(wǎng)逆變器設(shè)計

本文提出了一種利用LLC諧振電路進行隔離的高頻光伏并網(wǎng)逆變器設(shè)計方案，將隔離型和非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器的優(yōu)點結(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 直流升壓級和DC-AC逆變級兩級結(jié)構(gòu)，前級負責對太陽能電池陣列傳送過來的直流電進行升壓和最大功率跟蹤，后級負責對前級傳送過來的直流電進行逆變，最后經(jīng)過濾波電路后進行并網(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 級執(zhí)行最大功率點跟蹤(MPPT)算法，使太陽能電池始終工作在最大功率點。

經(jīng)過最大功率點跟蹤控制后DC-DC電路將太陽能電池的電能進行升壓變成適合DC-AC 級的直流電，然后送到DC-AC級將直流電變換成交流電。控制器對采樣電路采取的電網(wǎng)電壓或電流相位進行跟蹤計算，然后通過調(diào)節(jié)DC-DC級功率器件開關(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級輸入200~300 V,輸出400 V 直流電壓，輸出功率500 W,滿載時功率因數(shù)不低于94%.DC-AC級輸入直流電壓400 V,功率等級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，將變壓器勵磁電感Lm 串聯(lián)在諧振回路中，構(gòu)成一個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)就可以實現(xiàn)全負載范圍內(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，在工作點最優(yōu)時可獲得97%的轉(zhuǎn)換效率。

本文采用了一個半橋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。

由于增加了一個諧振電感，LLC諧振電路具有兩個諧振頻率，一個是諧振電感Lr 和諧振電容Cr 的諧振頻率fr ,另一個是Lm 加上Lr 與Cr 的諧振頻率fm，計算公式如下：

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

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，一個開關(guān)周期內(nèi)整個工作過程如下所述，工作波形如圖3所示，PS1 ,PS2 分別為Q1 ,Q2 的驅(qū)動脈沖波形：

[ t0 - t1 ]階段：t0 時刻諧振電流為負，Q1 體二極管導(dǎo)通，Q1 兩端電壓鉗位在0,此時讓Q1 導(dǎo)通為零電壓導(dǎo)通。能量從電源正極流向C1 ,C2 中點，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與勵磁電流ILm之差，變壓器原邊電壓極性上正下負，副邊極性也為上正下負，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)，勵磁電流線性上升。