(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 110932588 A(43)申请公布日 2020.03.27
(21)申请号 201911378400.5(22)申请日 2019.12.27
(71)申请人 西南交通大学
地址 610031 四川省成都市二环路北一段(72)发明人 马兰 朱磊磊 舒泽亮 何晓琼
杨帆 (74)专利代理机构 成都正华专利代理事务所
(普通合伙) 51229
代理人 陈选中(51)Int.Cl.
H02M 7/5387(2007.01)H02M 1/12(2006.01)H02J 3/38(2006.01)
权利要求书1页 说明书4页 附图3页
(54)发明名称
一种改进的HERIC光伏逆变器及其调制方法(57)摘要
本发明公开了一种改进的HERIC光伏逆变器及其调制方法通过在逆变器中引入碳化硅金氧半场效晶体管S7和S8，同时优化逆变器的调制方法，使得晶体管S1、晶体管S2、晶体管S3和晶体管S4在整个电网电压工频周期内只开通和关断一次，且任一半个工频周期内仅存在一个高频开关(碳化硅金氧半场效晶体管S7或S8)。高开关性能碳化硅金氧半场效晶体管的引入和高频开关数量的减少，可降低逆变器的开关损耗，实现变换器整体效率提升，并保障了改进的HERIC光伏逆变器具有与传统HERIC光伏逆变器一样的恒定共模电压和THD低的优良性能。CN 110932588 ACN 110932588 A
权 利 要 求 书
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1.一种改进的HERIC光伏逆变器，其特征在于，包括：光伏电池板PV、支撑电容C1、晶体管S1、晶体管S2、晶体管S3、晶体管S4、晶体管S5、晶体管S6、晶体管S7、晶体管S8、滤波电容C2、滤波电感L1、滤波电感L2和交流电网；
所述光伏电池板PV的正极分别与电容C1的一端、晶体管S1的集电极和晶体管S3的集电极连接，其负极分别与电容C1的另一端、晶体管S2的发射极和晶体管S4的发射极连接；
所述晶体管S1的发射极分别与晶体管S2的集电极和晶体管S8的漏极连接；所述晶体管S3的发射极分别与晶体管S4的集电极和晶体管S7的漏极连接；所述晶体管S8的源极分别与晶体管S5的发射极和滤波电感L1的一端连接；所述晶体管S7的源极分别与晶体管S6的发射极和滤波电感L2的一端连接；所述晶体管S5的集电极与晶体管S6的集电极连接；
所述滤波电感L1的另一端分别与电容C2的一端和交流电网的一端连接；所述电容C2的另一端与滤波电感L2的另一端和交流电网的另一端连接。2.根据权利要求1所述的改进的HERIC光伏逆变器，其特征在于，所述晶体管S1、晶体管S2、晶体管S3、晶体管S4、晶体管S5和晶体管S6均为硅器件绝缘栅双极型晶体管；
所述晶体管S7和晶体管S8均为碳化硅金氧半场效晶体管。3.根据权利要求1所述的改进的HERIC光伏逆变器，其特征在于，所述晶体管S1、晶体管S2、晶体管S3、晶体管S4、晶体管S5和晶体管S6的型号为IHW30N160R2。
4.根据权利要求1所述的改进的HERIC光伏逆变器，其特征在于，所述晶体管S7和晶体管S8的型号为SCT30N120。
5.根据权利要求1所述的改进的HERIC光伏逆变器，其特征在于，所述支撑电容C1容值为100uF，所述滤波电容C2的容值为10uF，所述滤波电感L1的电感值为1mH，所述滤波电感L2的电感值为1mH。
6.一种改进的HERIC光伏逆变器的调制方法，其特征在于，包括以下步骤：A1、判断交流电网的输入电压值Vg是否大于0，若是，则跳转至步骤A2，若否，则跳转至步骤A3；
A2、将晶体管S2、晶体管S3、晶体管S6和晶体管S7关断，将晶体管S5、晶体管S1和晶体管S4导通，对晶体管S8的栅源极输入正弦脉宽调制后的驱动信号，以对改进的HERIC光伏逆变器进行调制；
A3、将晶体管S1、晶体管S4、晶体管S5和晶体管S8关断，将晶体管S6、晶体管S2、晶体管S3导通，对晶体管S7的栅源极输入正弦脉宽调制后的驱动信号，以对改进的HERIC光伏逆变器进行调制。
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CN 110932588 A
说 明 书
一种改进的HERIC光伏逆变器及其调制方法
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技术领域
[0001]本发明属于新能源并网发电技术领域，具体涉及一种改进的HERIC光伏逆变器及其调制方法。
背景技术
[0002]硅材料绝缘栅双极型晶体管(Si IGBT)是一种非常重要的功率半导体元件，它在大电流等级下导通损耗低且器件成本低，因此广泛应用于大功率等级的设备中如中压电机驱动、电动汽车牵引逆变器及风光并网逆变器。然而由于IGBT少子器件的特征，在器件关断时往往会产生的拖尾电流导致较大关断损耗，IGBT的开关频率因此也普遍偏低。为减少IGBT的开关损耗，研究者们在其设计和优化都做了大量的工作：通过驱动电路的优化来提高IGBT开关速度，增加额外有源开关器件及辅助电路，增加额外的无源器件及配合使用脉宽调制策略实现软开关等。但上述策略均增加了成本及电路复杂性。[0003]IGBT的开关速度由储藏电荷决定，不同的是金氧半场效晶体管MOSFET由其内部寄生电容决定。该特性使其在开关损耗方面有较大的优势，尤其是碳化硅材料的MOSFET(SiC MOSFET)，更适应用在高频开关的场合。但碳化硅为新兴材料成本较高，其普及应用因此也受到了。如何将两种材料的器件结合起来，发挥各自优势，降低成本对器件及相关应用的发展有着重要意义。
发明内容
[0004]针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种改进的HERIC光伏逆变器及其调制方法解决了IGBT的开关损耗大的问题。[0005]为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种改进的HERIC光伏逆变器，包括：光伏电池板PV、支撑电容C1、晶体管S1、晶体管S2、晶体管S3、晶体管S4、晶体管S5、晶体管S6、晶体管S7、晶体管S8、滤波电容C2、滤波电感L1、滤波电感L2和交流电网；[0006]所述光伏电池板PV的正极分别与电容C1的一端、晶体管S1的集电极和晶体管S3的集电极连接，其负极分别与电容C1的另一端、晶体管S2的发射极和晶体管S4的发射极连接；[0007]所述晶体管S1的发射极分别与晶体管S2的集电极和晶体管S8的漏极连接；[0008]所述晶体管S3的发射极分别与晶体管S4的集电极和晶体管S7的漏极连接；[0009]所述晶体管S8的源极分别与晶体管S5的发射极和滤波电感L1的一端连接；[0010]所述晶体管S7的源极分别与晶体管S6的发射极和滤波电感L2的一端连接；[0011]所述晶体管S5的集电极与晶体管S6的集电极连接；
[0012]所述滤波电感L1的另一端分别与电容C2的一端和交流电网的一端连接；[0013]所述电容C2的另一端与滤波电感L2的另一端和交流电网的另一端连接。[0014]进一步地：晶体管S1、晶体管S2、晶体管S3、晶体管S4、晶体管S5和晶体管S6均为硅器件绝缘栅双极型晶体管；
[0015]所述晶体管S7和晶体管S8均为碳化硅金氧半场效晶体管。
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说 明 书
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进一步地：晶体管S1、晶体管S2、晶体管S3、晶体管S4、晶体管S5和晶体管S6的型号
为IHW30N160R2。[0017]进一步地：晶体管S7和晶体管S8的型号为SCT30N120。[0018]进一步地：支撑电容C1容值为100uF，所述滤波电容C2的容值为10uF，所述滤波电感L1的电感值为1mH，所述滤波电感L2的电感值为1mH。[0019]一种改进的HERIC光伏逆变器的调制方法，包括以下步骤：[0020]A1、判断交流电网的输入电压值Vg是否大于0，若是，则跳转至步骤A2，若否，则跳转至步骤A3；[0021]A2、将晶体管S2、晶体管S3、晶体管S6和晶体管S7关断，将晶体管S5、晶体管S1和晶体管S4导通，对晶体管S8的栅源极输入正弦脉宽调制后的驱动信号，以对改进的HERIC光伏逆变器进行调制；[0022]A3、将晶体管S1、晶体管S4、晶体管S5和晶体管S8关断，将晶体管S6、晶体管S2、晶体管S3导通，对晶体管S7的栅源极输入正弦脉宽调制后的驱动信号，以对改进的HERIC光伏逆变器进行调制。
[0023]本发明的有益效果为：一种改进的HERIC光伏逆变器及其调制方法通过在逆变器中引入碳化硅金氧半场效晶体管S7和S8，同时优化逆变器的调制方法，使得晶体管S1、晶体管S2、晶体管S3和晶体管S4在整个电网电压工频周期内只开通和关断一次，且任一半个工频周期内仅存在一个高频开关(碳化硅金氧半场效晶体管S7或S8)。高开关性能碳化硅金氧半场效晶体管的引入和高频开关数量的减少，可降低逆变器的开关损耗，实现变换器整体效率提升，并保障了改进的HERIC光伏逆变器具有与传统HERIC光伏逆变器一样的恒定共模电压和THD低的优良性能。
附图说明
[0024]图1为一种改进的HERIC光伏逆变器的电路图；
[0025]图2为一种改进的HERIC光伏逆变器的调制方法的波形图；[0026]图3为一种改进的HERIC光伏逆变器的调制方法的电流走向图；
[0027]图4为传统HERIC光伏逆变器与改进的HERIC光伏逆变器的效率对比图；
[0028]图5为传统HERIC光伏逆变器与改进的HERIC光伏逆变器的输出电压及其THD的对比分析图；
[0029]图6为传统HERIC光伏逆变器与改进的HERIC光伏逆变器的共模电压对比图。具体实施方式
[0030]下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0031]本发明利用硅(Si)与碳化硅(SiC)两种不同材料的器件混合搭建，从而使硅材料器件的损耗降低，以此来提升逆变器的性能。具体结构如下：[0032]如图1所示，一种改进的HERIC光伏逆变器，包括：光伏电池板PV、支撑电容C1、晶体
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说 明 书
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管S1、晶体管S2、晶体管S3、晶体管S4、晶体管S5、晶体管S6、晶体管S7、晶体管S8、滤波电容C2、滤波电感L1、滤波电感L2和交流电网；
[0033]所述光伏电池板PV的正极分别与电容C1的一端、晶体管S1的集电极和晶体管S3的集电极连接，其负极分别与电容C1的另一端、晶体管S2的发射极和晶体管S4的发射极连接；[0034]所述晶体管S1的发射极分别与晶体管S2的集电极和晶体管S8的漏极连接；[0035]所述晶体管S3的发射极分别与晶体管S4的集电极和晶体管S7的漏极连接；[0036]所述晶体管S8的源极分别与晶体管S5的发射极和滤波电感L1的一端连接；[0037]所述晶体管S7的源极分别与晶体管S6的发射极和滤波电感L2的一端连接；[0038]所述晶体管S5的集电极与晶体管S6的集电极连接；
[0039]所述滤波电感L1的另一端分别与电容C2的一端和交流电网的一端连接；[0040]所述电容C2的另一端与滤波电感L2的另一端和交流电网的另一端连接。[0041]晶体管S1、晶体管S2、晶体管S3、晶体管S4、晶体管S5和晶体管S6均为硅器件绝缘栅双极型晶体管；
[0042]所述晶体管S7和晶体管S8均为碳化硅金氧半场效晶体管。[0043]如图2所示，一种改进的HERIC光伏逆变器的调制方法，包括以下步骤：[0044]A1、判断交流电网的输入电压值Vg是否大于0，若是，则跳转至步骤A2，若否，则跳转至步骤A3；[0045]A2、将晶体管S2、晶体管S3、晶体管S6和晶体管S7关断，将晶体管S5、晶体管S1和晶体管S4导通，对晶体管S8的栅源极输入正弦脉宽调制后的驱动信号，以对改进的HERIC光伏逆变器进行调制；
[0046]在步骤A2中，如图3(a)所示，当晶体管S8导通时，LCL滤波器C端和D端的输入电压为光伏电池板PV的输出电压Vdc，电流iref流经晶体管S1、晶体管S8、LCL滤波器、晶体管S7的反并二极管和晶体管S4，如图3(b)所示，当晶体管S8关断时，LCL滤波器C端和D端的输入电压为0，电流iref流经晶体管S6的反并二极管和晶体管S5。[0047]A3、将晶体管S1、晶体管S4、晶体管S5和晶体管S8关断，将晶体管S6、晶体管S2、晶体管S3导通，对晶体管S7的栅源极输入正弦脉宽调制后的驱动信号，以对改进的HERIC光伏逆变器进行调制。
[0048]在步骤A3中，如图3(c)所示，当晶体管S7导通时，LCL滤波器C端和D端的输入电压为-Vdc，电流iref流经晶体管S3、晶体管S7、LCL滤波器、晶体管S8的反并二极管和晶体管S2；如图3(d)所述，当晶体管S7关断时，LCL滤波器C端和D端的输入电压为0，电流iref流经晶体管S6和晶体管S5的反并二极管。
[0049]本发明通过光伏电池板PV并联在支撑电容C1两端，晶体管S1、S2、S3和S4构成H桥，光伏电池板PV的正极连接H桥的集电极，其负极与H桥的发射极连接，将晶体管S1的发射极作为H桥的A端，将晶体管S4的集电极作为H桥的B端，H桥的A端与晶体管S8的漏极连接，H桥的B端与晶体管S7的漏极连接；晶体管S5的发射极与晶体管S8的源极连接，其集电极与晶体管S6的集电极连接；晶体管S6的发射极与晶体管S7的源极连接，在晶体管S5和S6的发射极之间连接由滤波电容C2、滤波电感L1和滤波电感L2组成的LCL滤波器，交流电网并联在滤波电容C2两端，从而搭建改进的HERIC光伏逆变器，当改进的HERIC光伏逆变器运行时，需根据本发明调制方法进行脉宽调制，使得本发明在保持传统的HERIC光伏逆变器的共模电压恒
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定、优良的谐波性能的情况下，具有硅器件绝缘栅双极型晶体管S1、晶体管S2、晶体管S3、晶体管S4在一个电网电压工频周期内均只开通和关断一次，从而保证逆变器的低损耗、高效率运行。
[0050]实施例1：
[0051]光伏电池板PV的输出电压为400V，晶体管S1、晶体管S2、晶体管S3、晶体管S4、晶体管S5和晶体管S6的型号为IHW30N160R2，晶体管S7和晶体管S8的型号为SCT30N120，支撑电容C1为100uF，滤波电容C2为10uF、滤波电感L1为1mH、滤波电感L2为1mH，并将交流电网替换为阻值为16欧的负载电阻。
[0052]通过计算逆变器的损耗，对比分析HERIC光伏逆变器在改进前后的效率提升情况；改进的HERIC光伏逆变器在保留传统HERIC光伏逆变器良好的共模电压特性及良好输出电压THD特性的情况下，具有更少的损耗；在逆变器损耗方面，与传统HERIC光伏逆变器相比，改进的HERIC光伏逆变器减少了四个高频IGBT开关(即本设计中的晶体管S1、晶体管S2、晶体管S3和晶体管S4)的开通以及关断损耗。
[0053]传统HERIC光伏逆变器与改进的HERIC光伏逆变器的效率对比曲线图如图4所示。由图4可看出采用本发明提出改进的HERIC光伏逆变器及其调制策略，当HERIC逆变器工作频率约高于40kHz时，可提高逆变器的整体效率。同时结果分析表明，逆变器工作的频率越高，逆变器效率提高的效果也越明显；通过降低IGBT在一个电网电压工频周期内的导通次数，不仅有效降低了IGBT的开关损耗，而且还为提高逆变器的工作频率提供了可能性，改进的HERIC光伏逆变器在效率和功率密度性能方面也因此有了进一步的提高。[0054]如图5所示，传统的HERIC光伏逆变器图5(a)与改进的HERIC光伏逆变器图5(b)输出电压波形均很正弦化；其中两种逆变器的输出电压THD分析如图5所示，改进的HERIC光伏逆变器图5(b)的电压THD为0.87％相比于传统HERIC光伏逆变器图5(a)的电压0.87％的THD，几乎没有改变，证明本设计的改进的HERIC光伏逆变器没有改变HERIC光伏逆变器的输出交流电压波形质量。[0055]如图6所示，传统HERIC逆变器图6(a)和改进的HERIC光伏逆变器图6(b)的共模电压在正负半周期内都恒定在200V，图中VAN为H桥A端和光伏电池板PV的负极之间的电压，图中VBN为H桥B端和光伏电池板PV的负极之间的电压，验证了改进的HERIC光伏逆变器具有与传统HERIC光伏逆变器一样恒定的共模电压。[0056]本发明的有益效果为：一种改进的HERIC光伏逆变器及其调制方法通过在逆变器中引入碳化硅金氧半场效晶体管S7和S8，同时优化逆变器的调制方法，使得晶体管S1、晶体管S2、晶体管S3和晶体管S4在整个电网电压工频周期内只开通和关断一次，且任一半个工频周期内仅存在一个高频开关(碳化硅金氧半场效晶体管S7或S8)。高开关性能碳化硅金氧半场效晶体管的引入和高频开关数量的减少，可降低逆变器的开关损耗，实现变换器整体效率提升，并保障了改进的HERIC光伏逆变器具有与传统HERIC光伏逆变器一样的恒定共模电压和THD低的优良性能。
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