光伏微逆變器應用中的拓撲及工作原理分析

光伏逆變器中使用典型的反激變換器作為DC/DC部分的拓撲，本文簡(jiǎn)要分析反激變換器在光伏微逆中的應用。

一．反激變換器的應用概要分析

反激變換器一般用于較小功率的降壓應用，典型來(lái)說(shuō)低于幾百瓦左右，它具有較低的輸出電流。在光伏微逆變器應用中，反激變換器作為單極拓撲，它可以把20V-45VDC的PV電池電壓，升壓到一個(gè)對應AC整流后的輸出電壓，同時(shí)通過(guò)變壓器將PV電池和電網(wǎng)隔離開(kāi)。正激變換器同樣可以升壓PV電池電壓，并提供隔離，但是其元件數目會(huì )多一些。

基于電路簡(jiǎn)單的優(yōu)勢，選擇反激變換器作為微逆變器的主拓撲，但是不可忽略其相應的擔心，就是漏感能量的處理。具體來(lái)說(shuō)，當反激MOSFET關(guān)斷時(shí)，有較大的能量留在磁芯中，它不能傳遞到副邊，這個(gè)能量導致一個(gè)大的電壓峰值，加在反激主MOSFET漏極上。傳統的電阻，電容，二極管吸收電路（RCD吸收電路)可以加在變壓器的原邊抑制MOSFET尖峰電壓，但是其具有副作用就是，將這個(gè)能量只能耗散為熱損失。

光伏微逆變器引入了一個(gè)有源箝位電路，它本質(zhì)上是無(wú)損吸收電路，漏感尖峰被箝位電容箝位，這些殘存能量存儲在箝位電容中，這個(gè)能量之后就會(huì )被電路傳遞到副邊，重新利用這部分能量供給負載。如果正確的設計，有源箝位電路也可以對反激MOSFET提供ZVS開(kāi)關(guān)，減小開(kāi)關(guān)損耗和提升效率。

圖1.單相的有源箝位反激變換器簡(jiǎn)圖

圖1為有源箝位反激變換器的單相結構，其中漏電感顯示為一個(gè)獨立元件顯示出來(lái)，但是實(shí)際上它可以認為是集成到主變壓器中的,Q1為反激主控MOSFET.如果箝位MOSFET Q2跨過(guò)變壓器繞組的話(huà)，就必須使用高邊驅動(dòng)電路，這里，PMOS Q2的使用可以避免使用高邊驅動(dòng)電路。

圖2.有源箝位反激驅動(dòng)電路

對于驅動(dòng)電路來(lái)說(shuō)，如圖2所示，一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是驅動(dòng)PMOS的電路如何設計，為了驅動(dòng)PMOS需要一個(gè)負電壓，放在PMOS的門(mén)級和源極。門(mén)級驅動(dòng)器MCP14E4的輸出是一個(gè)具有一定占空比的方波，幅值為12V，其中門(mén)級驅動(dòng)器的輸入信號PWM1H和PWM1L是來(lái)自控制器的輸出信號，一個(gè)小陶瓷電容0.1uF放置在PMOS驅動(dòng)的串聯(lián)回路上，用于去除直流偏置。

在占空比50%時(shí)，方波幅值將為6V到-6V之間，增加一個(gè)二極管D22，放在電容后，陽(yáng)極接到電容，陰極接到地,二極管將箝位正電壓到0.7V,則驅動(dòng)信號幅值被箝位到負電壓，圖3顯示出兩個(gè)MOSFET的門(mén)級驅動(dòng)波形.

圖3.有源箝位反激的典型運行波形

二.有源箝位反激變換器的運行原理分析

光伏微逆變器參考設計用一個(gè)交錯有源箝位反激變換器實(shí)施，交錯拓撲可以均流輸入輸出電流，可以實(shí)現低的銅損和鐵損，電流均流后輸出二極管導通損耗可以減小，可以幫助提升總體效率。

這里還有兩個(gè)另外的原因去實(shí)施交錯設計，如減小輸出電流紋波，幫助減小THD，因為輸入電流紋波同時(shí)也減小了，所以可以改善輸入bulk電容的壽命。

當設計反激變壓器時(shí)，必須要確認的一件事情是它工作在CCM還是工作在DCM狀態(tài)，交錯反激變換器可以運行在CCM和DCM兩種模式。例如，在輕載階段，反激運行在DCM模式，在重載階段，反激運行在CCM模式，在CCM模式，原邊和副邊的峰值電流將是2倍或者3倍低于DCM模式。

另外，其它角度來(lái)看，運行在CCM的好處包括：

1.使用較小的輸出濾波電容，并且有低紋波額定值

2.減小輸出二極管損耗

3.具有較小的瞬態(tài)輸出電壓尖峰

4.EMI性能更好

5.若使用SiC的二極管，反向恢復損耗可以降到最低

以下部分將典型波形分解為6個(gè)不同時(shí)間段，討論系統運行的細節。

T0，在階段t0，反激主MOSFET Q1導通，箝位PMOSFET關(guān)斷，因為變壓器的電壓為負，所以輸出二極管D1反向偏置，在這個(gè)階段輸出電容傳遞需要的能量到負載，電感紋波電流表達如下圖4，為電感特性基本公式。

圖4.反激電感紋波電流計算

T1,階段t1定義為當主MOSFETQ1關(guān)斷，到箝位PMOSFET Q2開(kāi)始導通之間的時(shí)間.這段時(shí)間定義為死區，這個(gè)間隔可以分為兩部分,第一部分為MOSFET Q1關(guān)斷一直到開(kāi)始箝位MOSFET Q1的Vds電壓（臨界點(diǎn)）。

當MOSFET Q1關(guān)斷，從漏感流過(guò)電路的電流還是原來(lái)的方向，它用來(lái)充電MOSFET Q1的輸出電容Coss，漏感電流將充電Coss到PV模塊輸入電壓再加上反射輸出電壓部分(Vpv+Vo/N)，在這個(gè)階段，輸出二極管開(kāi)始正向偏置，因為在變壓器副邊的電壓變正了，存儲在磁芯中的能量開(kāi)始傳遞到副邊以此充電系統輸出電容和供給負載能量。

第二個(gè)階段在主MOSFET Coss充電之后發(fā)生，并且一直到PMOSFET Q2開(kāi)通之前.在Coss充電之后，漏感中余下的能量將開(kāi)始流向箝位電容，此時(shí)隨著(zhù)主MOSFET的Vds電壓增加，會(huì )正向偏置PMOSFET的體二極管，箝位電容開(kāi)始存儲來(lái)自漏感的剩余能量?？偨Y一下就是漏感能量先充電主MOSFET的Coss，再將剩余能量充電到箝位電容中。

T2,在t2這個(gè)階段，PMOSFET是ZVS切換, 因為體二極管在t1階段已經(jīng)正向偏置，輸出二極管正向偏置，一直提供能量到輸出電容和負載，漏感和箝位電容開(kāi)始諧振，能量從電感傳輸到箝位電容，圖5公式?jīng)Q定了箝位網(wǎng)絡(luò )的諧振頻率。

圖5.箝位網(wǎng)絡(luò )諧振頻率計算

這個(gè)t2階段結束于當漏感能量結束時(shí)刻。

T3,在階段t3，PMOSFET必須要開(kāi)通，這樣諧振腔電流可以連續諧振，但是存儲在箝位電容中的能量開(kāi)始傳輸回漏感，在這個(gè)階段，輸出二極管依然正向偏置，存儲在電容中的能量最終會(huì )傳輸到副邊，重新利用了漏感能量。

T4,在階段t4，是另一個(gè)死區時(shí)間，存在于當箝位MOSFET Q2關(guān)斷后，MOSFET Q2應該在靠近諧振周期峰值時(shí)關(guān)斷，強制最大腔電流流過(guò)MOSFET Q1的體二極管，給drain to source電容Coss放電以便實(shí)現ZVS切換，在這個(gè)階段，輸出二極管保持正向偏置。

T5,在階段t5，反激MOSFET Q1開(kāi)始ZVS切換,此時(shí)輸出二極管反向偏置，輸出電容給負載供電。為了使Q1的ZVS發(fā)生，非常重要的是，當反激MOSFET關(guān)斷時(shí)，t1階段電感中的能量大于給Q1 的Coss充電的能量，使得Q1 MOSFET的體二極管可以正向偏置，存儲在電感中的能量和需要給Coss充電的能量可以計算如下圖6所示，漏感峰值電流Ipk可以計算如圖7所示。

圖6.LC諧振能量交換計算

圖7.漏感峰值電流計算

總結，以上簡(jiǎn)要討論了反激變換器拓撲應用于微逆變器中的一些典型特性，并討論了反激有源箝位拓撲的基本工作原理。

參考文獻：AN1444 Grid-Connected Solar Microinverter 

來(lái)源：電源漫談 ，作者：電源漫談