第二章逆变主电路设计
根据有无隔离变压器，光伏并网逆变器可分为隔离型和非隔离型，隔离型的逆变器又可以分为高频隔离型和工频隔离型。工频隔离型是最常用的结构，也是目前市场上使用最多的逆变器类型。它有两个突出的优点:一是最后一级加入了工频变压器，保证了系统不会向电网馈入直流分量:二是安全性提高了，如果没有隔离变压器，当人接触到光伏侧的正极或者负极时，电网的电就有可能通过桥臂形成回路对人构成伤害。
本设计属于单相工频隔离型逆变器，整个逆变主电路的主要模块图如图2一1，内部电路图如图2一2: 图2一1逆变主电路的主要模块图
图2一2逆变主电路的内部电路图
2.1直流输入侧设计 2.1.1直流侧滤波电路
在直流输入端加上去共模干扰的滤波电路和去差模干扰的滤波电路及Rc低通滤波器，从而有效去除直流输入侧的共模、差模及高频干扰信号.
电路如图2一3所示:
图2一直流输入侧滤波电路 2.1，2解耦电容设计
因为在稳态时，太阳能光伏阵列输出的功率是一条平滑的直线，而馈入电网的电能是一个loHZ的交流信号，即在交流电压的正半周期输出一次功率，负半周期又输出一次功率。为了能够将光伏阵列输出的平稳的直流功率转化为并网所需的交流功率，直流功率和交流功率的转化需要一个耦合环节。这就要求在逆变器中设计一个较大的储能装置，以实现二者之间的解耦。可以是一个大的电容或电感，在此设计中使用电容进行解耦。
电容值的计算方法如式2.1和2.2，其中C为直流电容，夕为直流电压变化值，户为逆变器输出的瞬时功率与光伏阵列输入的平均功率之差，p为光伏阵列输出的平均功率，山为角频率表示电容上电压的波动，本设计中设电压波动为10v，平均功率为3KW，取太阳能电池的工作电压3(X)V，频率为loHZ，计算可得解耦电容Q诫)1592uF。本设计采用6个56()uEl450V的电容并联。总的容量为360uF，能够满足解耦要求。
2.ZIGBT主逆变模块 2.2.1主逆变结构介绍
本设计的主逆变电路采用全桥逆变结构，结构图如图2一4: 图2一4主逆变电路结构图 表2一14个开关管的组合状态 模式TlT2T3T4iL▲U Sll00l>0US一U S2l0△0>0·U S30△0l>0一U S40△么0>0Us一U S50ll0<0·US一U S6010△<0一U S7△0l0<0一U S8△00八<0US一U S9ll任何 510任何l1
注:1代表导通，0代表关断，△代表二极管返流，△U代表电感电压增量
其中，59和510是不允许发生的状态，因为同一桥臂的两个管子不能同时导通。在进行分析前，假定所有
的功率器件都是理想器件，即Tl~T4能瞬时开通和关断，D1一D4均为理想二极管，主电路的等效电阻忽略不计。
为控制输出正弦波我们选择S1、S3、S5、S7为四种有效状态。其中，网侧电压处于正半轴时，主电路有两种导通模式:S1和S3;负半轴时，主电路有两种导通模式:S5和S7。模式S1和S3的拓扑结构分别如图2一5，图2一6所示:
太阳lr 电沧，二尸 太阳一二，
图2一5模式S1电路拓扑结构图2一6模式S3电路拓扑结构
模式S1:太阳电池向电网馈电，电感储能，1T和4T导通，太阳电池所输出的电能和电容C所储存的能量输送给电网.电流由A点通过T1—L—电网—T4回到0点，在此过程中人增加，即太阳电池所输出的能量除了一部分馈送到电网中外，还有一部分能量通过电感L储存起来.电感中电流变化规律如式2.3:
竺. 夕
下令一U (2.3)
电感L中所储存中能量增加值如式2.4:
(z’0为IGBTTI和T4导通瞬间的电流初始值) A砰.兰L【(i。+‘)，一‘。，」 2L
竺(万。·&+茁2) 2’
_二&(万。+&) 2 (2.4)
模式S3:太阳电池向电容充电，电感L向电网馈电。T4继续导通，TI关断，由于电感L的电流不能突变，二极管DZ续流，电感电流流过T4及DZ，向电网馈电，电感两端的电压极性与模式51相反，电感电流减小。
当网侧电压处于负半轴时，模式5和模式57可作相同分析，电路拓扑结构分别如图2一和2一8所示: AA
大阳，二尸U太阳二 电池1犷
图2一7模式S5电路拓扑结构图 2一8模式S7电路拓扑结构
模式S5:太阳电池向电网馈电，电感储能，T2和T3导通，太阳电池所输出的电能和电容C所储存的能量的能量输送给电网，电流由A点通过T3—电网一一L-TZ回到0点，在此过程中z’t增加，(但方向与51和53相反)即太阳电池所输出的能量除了一部分馈送到电网中外，还有一部分能量通过电感感储存起来。
模式S7:太阳电池向电容充电，电感L向电网馈电，T3继续导通，TZ关断，由于电感感的电流不能突变，Dl续流，电感电流通过T3及D1继续向电网馈电，电感两端的电压极性与模式5相反，电感电流减小。
由以上分析可知:只要开关频率足够高，控制模式5与57或模式15与S5的时间比，就可控制几，使并网电流跟随所期望的值，再通过电感L滤除高频分量使馈入电网的波形成为所期望正弦波。
2.2.2 buck变换器原理
由上节分析可知，本逆变主电路的工作模式属降压型Buck变换器。buck变换器电路原理图如图2一9所示: 开关器件V作为单刀单掷开关与直流输入电压E串联。在开关周期T内，V导通时间为瓦.，关断时间为几妞.t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流10按指数曲线上升。t=t1时控制V关断，二极管VD
v一三_01一卫一-
气 鱼 VD 互jo- 匕之
图2一9buck变换器电路原理图 l-a- O 翻d
图2一10电流连续时波形图 0·勺 E 之
图2一11电流断流时波形图
续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。当护瑞和几叮的比例不同时电流会出现连续和断流两种情况。波形分别如图所示。通常后端串接较大电感L使负载电流连续且脉动小1代
电流诈纯时负载电压平均值如式2.5:(a一导通占空比) uo_止匕-E.竺E.aET(2.5)坛+九口 电流连续时负载电流平均值如式2.6: 1。.垫型色R
电流断续时Uo被抬高，一般不希望出现。 斩波电路一般由三种控制方式: r不变，变坛一脉冲宽度调制(P恻); 瑞不变，变T一频率调制;
岛和尹都可调，改变占空比一混合型。
本文采用T不变，变几一脉冲宽度调制(PWM)方式。 (2.6)
2.2.3所采用的逆变模块
本设计逆变器额定输出功率约为3Kw，允许过载1既，即P~=330衅，直流输入电压范围设定在180一300V，输入电流约为10一16.7A;额定输出电压的有效值为22OV，额定输出电流的有效值为13.6A，开关管的开关频率为50KHZ左右。
本设计选用的主逆变模块的额定电压vces为600v，额定电流Ic为75A，电路拓扑为全桥逆变结构。本模块采用第5代IGBT硅片(cSTBT)，IGBT是MOSFET与GTR的复合器件，即具有淤MOSFET的响应速度快、输入阻抗高、驱动电路简单、热温度性好的优点，又具有GTR的载流量大、阻断电压高、导通压降低等多项优点，因此被广泛应用于各种逆变器中。另外，通过采用新的ASIC控制di/dt减少，EMI在硅片上设置温度传感器，使过温保护更精确。适用于高性能和高可靠性电力电子产品设计。6单元封装，每个单元内部功能框图如图2一12:
图2.12单元内部功能框图
本模块内部集成IGBT的驱动电路，内部电路结构如图2·13所示:
图2一13模块内部电路结构 2.3IGBT模块外部驱动和保护
驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，作用是将输出信号隔离放大、并驱动功率晶体管。DSP控制电路产生的PWM信号先通过驱动电路，然后控制IGBT开关管的开通状态，为了电磁兼容性考虑，驱动电路的输入和输出是相互隔离的。本文控制信号先通过线性光耦HCPL-0466然后控制IGBT开关管的开通状态。IGBT模块的故障检测信号FO先通过TLP181然后再送到DSP。
HcPL-0466是专门用于IPM或GIBT/MOSF曰的隔离和驱动的线性光耦，工业温度范围为一40C到100C，最大传输延时时间t，=400ns，t，=550ns，最小失真脉宽为450n，共模电压为150V时的共模抑制能力为15Kv/s。TLP181最小电流传递率为50%，发射极和集电极之间的最小电压为80V，隔离电压最小为3750V/ms.
2.4整个系统的电磁兼容性设计
电磁兼容性(EMC)是近年来一个比较热门的话题，由于电子技术的飞速发展，各种用电器具增多，电磁辐射源剧增，电子系统工作频率也不断提升，人类所处的电磁环境日益恶劣。面对这种情况，电子电气系统自身的抗干扰能力必须提高。
电磁兼容主要研究的是如何使在同一电磁环境下工作的各种电气电子系统、分系统、设备和元器件都能正常工作，互不干扰，达到兼容状态。一个设计理想的电子设备或系统应该既不辐射任何不希望的能量，又不受任何不希望有的能量的影响。
电磁兼容的三要素为干扰源、传输途径和敏感源。电磁干扰可分为内部干扰和外部干扰. 内部干扰是指电子设备内部各元部件之间的相互干扰，主要包括以下几种情况:
(1)工作电源通过线路的分布电容和绝缘电阻产生漏电造成的干扰(与工作频率有关)。 (2)信号通过地线、电源和传输导线的阻抗互相耦合，或导线之间的互感造成的干扰。 (3)设备或系统内部某些元件发热，影响元件本身或其它元件的稳定性造成的干扰。 (4)大功率和高电压部件产生的磁场、电场通过耦合影响其它部件造成的干扰。
外部干扰是指电子设备或系统以外的因素对线路、设备或系统的干扰，主要包括以下几种情况: (1)外部高电压和电源通过绝缘漏电对电子线路、设备或系统产生的干扰。
(2)外部大功率设备在空间产生很强的磁场，通过互感耦合对电子线路、设备或系统产生的干扰。 (3)外部空间电磁波对电子线路、设备或系统产生的干扰。
(4)工作环境温度不稳定，引起电子线路、设备或系统内部元器件参数改变造成的干扰。
当干扰源的频率较高、干扰信号的波长又比被干扰的对象结构尺寸小，或者干扰源与被干扰者之间的距离r>>人/2二时，则干扰信号可以认为是辐射场，它以平面电磁波形式向外辐射电磁场能量进入被干扰对象的通路。干扰信号以漏电和耦合形式，通过绝缘支承物等(包括空气)为媒介，经公共阻抗的耦合进入被干扰的线路、设备或系统。如果干扰源的频率较低，干扰信号的波长人比被干扰对象的结构尺寸长，或者干扰源与干扰对象之间的距离r<
系统的布局的好坏对电磁兼容性影响很大，一般来讲要按系统各部分功能不同而将划为不同的功能模块，如果布置不合理则相互间可能产生较大的串扰，各功能模块的输入输出口相距不易太远，因为他们之间是由线或电缆连接的.若相距太远，个模块的输入输出口的共模干扰电流不易减小，从而引入较高的对地干扰电压。一般常采取的电磁兼容措施除了众所周知的抑制干扰传播的技术，如屏蔽、接地、搭接和合理布线等方法以外，还可以采取回避和疏导的技术处理，如空间方位分离、频率划分与回避、滤波、吸收和旁路等等。电磁兼容性设计策
略与控制技术方案可分为如下几类:
(1)传输通道抑制:具体方法有滤波、屏蔽、搭接、接地和布线;
(2)空间分离抑制:地点位置控制、自然地形隔离、方位角控制和电场矢量方向控制; (3)时间分隔抑制:时间共用准则、主动时间分隔和被动时间分隔; (4)频率管理抑制:频率管制、滤波、频率调制、数字传输和光电转换: (5)电气隔离抑制:变压器隔离、光电隔离、继电器隔离和oc/oc变换隔离。 本设计主要的电磁兼容性设计如下:
1.控制系统、逆变系统、辅助开关电源分为不同的区间.在控制系统里数字电路部分与模拟电路部分分开布局，模拟地与数字地之间用小电感隔开，避免干扰;
2.在采集信号后加上阻容滤波电路及采用电压跟随的方法增强抗干扰性能;
3.将DSP控制板做成多层板，增大电源和地的面积:将主电路板的空白区间尽量以敷铜的方式填满，加粗地线和电源线从而有效捕获射频干扰吸收;
4.在直流输出端接共模扼流圈，在交流输出端与电网之间接隔离变压器， 5.在IPM与控制信号之间加光电耦合器等。
