专利名称：微逆变器功率级新型拓扑结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种太阳能光伏发电技术，具体涉及一种光伏逆变器，特别涉及一种微逆变器功率级新型拓扑结构。
背景技术：
太阳能光伏发电产业正在迅猛增长，光伏发电将是清洁可持续新能源的最重要支柱。光伏逆变器是实现光伏发电的关键装置，随着光伏发电需求增加，光伏并网逆变技术和光伏逆变器已成为研究和应用的热点。
按应用分类，光伏电池系统主要有独立电池组件、电池组件串和电池组件阵列三种形式，以独立电池组件为独立光伏单元通过微逆变器并网发电是近来技术研究重点和发展趋势。逆变器功率级拓扑结构是光伏逆变技术研究的最重要内容之一。
微逆变器的功率级拓扑结构可归纳有几种，分别是单电感boost、双电感boost、 电容升压型和变压器升压型。其中变压器升压的包括采用flybacKforward和bridge等形式。变压器输入输出又分为推挽、全波和全桥等工作方式。这些拓扑的特点是，电感boost 变换器的结构简单，但升压比和变换效率都较低；电容升压变换器的结构和控制较复杂，升压比提高也有限；变压器半桥或全桥升压变换器可兼顾较高的升压比和变换效率，是光伏微逆变器采用的主要拓扑形式。
由于光伏逆变性能要求的不断提高，采用现有的变压器升压变换形式难以进一步提高技术指标。因此，设计一种新型的微逆变器功率级拓扑结构是本领域亟需解决的问题。发明内容
本发明针对现有微逆变器所存在的难点和缺陷，提出和开发一种新型的微逆变器功率级拓扑结构，其采取双绕组变压器正反激升压和原边PWM开关调制副边正弦波半周交变开关控制的工作方式来实现直交电能变换和功率传递，该微逆变器功率级拓扑结构由回授机制消除尖峰过冲、改善波形和减小高频损耗，在保持高升压比和理想变换与逆变波形的情况下，取得很高的变换与逆变系统效率。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下
微逆变器功率级新型拓扑结构，其特征在于，所述拓扑结构包括双绕组升压变压器、第一功率开关管和第二功率开关管、第一半控或全控功率开关管和第二半控或全控功率开关管、第一输入电容和第二输入电容，所述双绕组升压变压器的原边第一绕组同名端与原边第二绕组非同名端连接到太阳能光伏电池组件的正极，所述双绕组升压变压器的原边第一绕组非同名端和原边第二绕组同名端分别通过所述第一功率开关管和第二功率开关管连接到太阳能光伏电池组件的负极；所述双绕组升压变压器的副边第一绕组和副边第二绕组分别通过所述第一半控或全控功率开关管和第二半控或全控功率开关管连接到负载；所述输入第一输入电容的正极性端和第二输入电容的一无极性端连接到太阳能光伏电池组件的正极，第一输入电容的负极性端和第二输入电容的另一无极性端连接到太阳能光伏电池组件的负极；所述第一半控或全控功率开关管和第二半控或全控功率开关管的输出，如需离网逆变将连接到缓冲电容及无源负载，而如需并网逆变则连接到平波电感，并经所述平波电感连接到有源负载。本发明的优选实例中，所述第一功率开关管和第二功率开关管均为MOSFET或 IGBT管，用于PWM波形调制开关控制。进一步的，所述双绕组升压变压器的磁芯为特殊铁氧体、薄型非晶合金片、取向高级电工硅钢片或非取向高级电工硅钢片。进一步的，所述双绕组升压变压器为原边第一绕组和原边第二绕组双组并绕且原边第一绕组和原边第二绕组的异名端互连；副边第一绕组和副边第二绕组双组并绕且各自独立，所述原边第一绕组和原边第二绕组、副边第一绕组和副边第二绕组采取双线或多线并绕方式形成。进一步的，所述第一半控或全控功率开关管和第二半控或全控功率开关管均为半控SCR管或全控特定MOSFET或IGBT管，用于逆变正弦波周期上正、负半周交变输出开关控制。进一步的，所述第一功率开关管、第二功率开关管、原边第一绕组、原边第二绕组和第一电容、第二电容可提供回授通路。根据上述技术方案得到的本发明具有结构简化、升压比高、变换逆变效率高、可靠性高与输出波形电能品质高和制造成本低的优点，同时，采用先进的脉宽调制控制和参数优化，高频开关工作下续流回授性能明显改善，调制输出波形和变换效率达到一流水平。同时，本发明提供的该拓扑结构采取特定结构的双绕组变压器正反激升压和原边调制副边交变控制的变换逆变一体化新技术，并采取回授方式改善原、副边绕组工作波形， 抑制续流尖峰过冲电压和减小高频成分损耗，以减少功率开关管数量及动态静态损耗，在理想的升压比和波形输出下，获得变换逆变效率和电能输出品质等很高的技术性能指标， 并得到很好的性价比。
以下结合附图和具体实施方式
来进一步说明本发明。
图1为本发明的离网型电路拓扑图。图2为本发明的并网型电路拓扑图。
具体实施例方式为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。实施例1参见图1，其所示为本发明提供的离网型微逆变器功率级新型拓扑结构，其包括太阳能光伏电池组件phc、特定结构的双绕组升压变压器Tl、功率开关管SW1、SW2、半控或全控开关管SW3、SW4，以及输入电容Cll、C12和输出缓冲电容C2 (连接无源负载时)。其中，双绕组升压变压器Tl具有原边绕组Nll 副边绕组N21和原边绕组N12 副边绕组N22电压比。
双绕组升压变压器Tl的原边绕组mi的同名端与原边绕组m2的非同名端连接到太阳能光伏电池组件Phc的正极，原边绕组Nll非同名端和原边绕组m2的同名端分别通过功率开关管SW1、SW2连接到太阳能光伏电池组件Phc的负极。
双绕组升压变压器Tl的副边绕组N21、N22分别通过半控或全控开关管SW4、SW3 形成的交变电路连接到缓冲电容C2及无源负载。
本发明中，双绕组升压变压器Tl的磁芯采用特殊铁氧体、薄型非晶合金片或高性能取向/无取向电工硅钢片，以得到良好的高频响应特性，减少高频铁耗。
同时，双绕组升压变压器Tl的绕组采取双线或多线并绕方式，以减小高频工作下铜损。
功率开关管SW1、SW2采用低反压、低沟道电阻和开关时间极短的MOSFET管或IGBT 管，有效的减少调制开关损耗和通态损耗。功率开关管SW1、SW2用于开关调制控制，以在任一单向周期内得到输出所需的正弦规律或其它特殊规律的调制波形。
本发明中的交变电路由半控或全控功率开关管SW4、SW3组成，半控或全控功率开关管SW4、SW3为半控SCR管或全控特定MOSFET或IGBT管。其具有碳化硅开关管的高速恢复特性，以获得良好的反激回授抑制传递效果。半控或全控的功率开关管SW4、SW3用于交变开关控制，以在交流周期上得到基于半周期的交流输出，并具有低开关损耗和控制简单可靠等特点。
在上述方案的基础，本发明还在新型拓扑结构中加入高频功率传递缓冲电路，其为输入电容Cll和C12，输入电容Cll的正极性端和输入电容C12的一无极性端连接到太阳能光伏电池组件Phc的正极，输入电容Cll的负极性端和输入电容C12的另一无极性端连接到太阳能光伏电池组件Phc的负极。
本发明中采用的输入电容Cll和C12可提供高频功率传递缓冲，并可在开关工作模式下提高功率穿透性和馈送能率。其选用ESL、ESR和温度系数小以及纹波电流大的电容组成，以获得低损耗高频动态性能。
根据上述方案形成的微逆变器功率级新型拓扑结构，其工作原理如下
参见图1，该拓扑电路中，功率开关管SWl和SW2交替通断工作，产生交变的高频脉宽调制波形，经双绕组升压变压器Tl的原边绕组mi 副边绕组N21或原边绕组W2 副边绕组N22变压升压，双绕组升压变压器Tl输出交变脉冲高压，交变脉冲高压经半控或全控功率开关管SW4、SW3半周交变开关控制，得到至无源负载的交流电压波形或无源负载的交流电流波形输出。
当功率开关管SWl由导通变为截止时，原边绕组mi、功率开关管SW2背接二极管和输入电容Cll和C12形成回授通道，吸收高频开关尖峰并回授高频电能。
反之当功率开关管SW2从导通变为截止时，则由原边绕组附2、功率开关管SWl背接二极管和输入电容Cll和C12形成回授通路，吸收管关断时段出现的尖峰波形及将该高频电能传递到变压器原边。
实施例2
参见图2，其所示为并网型微逆变器功率级新型拓扑结构，其包括太阳能光伏电池组件phc、特定结构的双绕组升压变压器Tl、功率开关管SW1、SW2、半控或全控开关管SW4、 Sff3,以及输入电容Cll和C12和一对平波电感L2 (连接有源负载时)。
该实施例中涉及的拓扑结构与实施例1中一致，此处不加以赘述。为满足并网逆变的要求，该实例中双绕组升压变压器Tl的副边绕组N21、N22通过半控或全控开关管SW4、SW3形成的交变电路连接到一对平波电感L2，并经一对平波电感L2 连接到有源负载R。该结构的实施原理与上述一致，此处不加以赘述。由上可知，本发明采取特定结构的双绕组变压器Tl正反激升压和原边PWM开关调制副边正弦波半周交变开关控制的工作方式，实现了直交电能变换和功率传递，并通过回授方式改善原、副边绕组工作波形，解决续流尖峰过冲电压问题，减小高频成分损耗，并通过半周交变方式减小半控或全控功率开关管连接数量及其开关工作损耗与通态损耗，在保持高升压比和理想变换与逆变波形的情况下，取得很高的变换与逆变系统效率。以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
权利要求
1.微逆变器功率级新型拓扑结构，其特征在于，所述拓扑结构包括双绕组升压变压器、 第一功率开关管和第二功率开关管、第一半控或全控功率开关管和第二半控或全控功率开关管、第一输入电容和第二输入电容，所述双绕组升压变压器的原边第一绕组同名端与原边第二绕组非同名端连接到太阳能光伏电池组件的正极，所述双绕组升压变压器的原边第一绕组非同名端和原边第二绕组同名端分别通过所述第一功率开关管和第二功率开关管连接到太阳能光伏电池组件的负极；所述双绕组升压变压器的副边第一绕组和副边第二绕组分别通过所述第一半控或全控功率开关管和第二半控或全控功率开关管连接到负载；所述输入第一输入电容的正极性端和第二输入电容的一无极性端连接到太阳能光伏电池组件的正极，第一输入电容的负极性端和第二输入电容的另一无极性端连接到太阳能光伏电池组件的负极；所述第一半控或全控功率开关管和第二半控或全控功率开关管的输出，如需离网逆变将连接到缓冲电容及无源负载，而如需并网逆变则连接到平波电感，并经所述平波电感连接到有源负载。
2.根据权利要求1所述的微逆变器功率级新型拓扑结构，其特征在于，所述第一功率开关管和第二功率开关管均为MOSFET或IGBT管，用于PWM波形调制开关控制。
3.根据权利要求1所述的微逆变器功率级新型拓扑结构，其特征在于，所述双绕组升压变压器的磁芯为特殊铁氧体、薄型非晶合金片、取向高级电工硅钢片或非取向高级电工硅钢片。
4.根据权利要求1或3所述的微逆变器功率级新型拓扑结构，其特征在于，所述双绕组升压变压器为原边第一绕组和第二绕组双组并绕且原边第一绕组和第二绕组的异名端互连；副边第一绕组和第二绕组双组并绕且各自独立，所述原边第一绕组和第二绕组、副边第一绕组和第二绕组采取双线或多线并绕方式形成。
5.根据权利要求1所述的微逆变器功率级新型拓扑结构，其特征在于，所述第一半控或全控功率开关管和第二半控或全控功率开关管均为半控SCR管或全控特定MOSFET或 IGBT，用于逆变正弦波周期上正、负半周交变输出开关控制。
6.根据权利要求1或2所述的微逆变器功率级新型拓扑结构，其特征在于，所述第一功率开关管、第二功率开关管、原边第一绕组、原边第二绕组和第一电容、第二电容可提供回授通路。
全文摘要
本发明公开了微逆变器功率级新型拓扑结构，该结构中的双绕组升压变压器的原边第一绕组的同名端与第二绕组的非同名端连接到太阳能光伏电池组件的正极，原边第一绕组的非同名端和第二绕组的同名端分别通过第一功率开关管和第二功率开关管连接到太阳能光伏电池组件的负极；双绕组升压变压器的副边第一绕组同名端和第二绕组非同名端分别通过第四和第三半控或全控功率开关管构成的交变电路连接到负载。本发明采取双绕组变压器正反激升压和原边PWM开关调制副边正弦波半周交变开关控制的工作方式实现直交电能变换和功率传递，并通过回授方式改善原、副边绕组工作波形，从而可在保持高升压比和理想变换与逆变波形的情况下，取得很高的变换与逆变系统效率。
文档编号H02M7/48GK102545670SQ20101060471
公开日2012年7月4日 申请日期2010年12月24日 优先权日2010年12月24日
发明者章伟康, 章闻曦 申请人:章伟康, 章闻曦