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基于GaN器件的双Buck正弦波逆变器共模与损耗

目前市场上的光伏并网正弦波逆变器结构按隔离方式来分,可分为隔离型和非隔离型,而抑制或消除共模电流是非隔离型光伏并网系统必须要解决的问题。出于在非隔离型光伏并网正弦波逆变器中抑制共模电流的目的,研制一种基于GaN器件的双Buck正弦波逆变器,该正弦波逆变器较传统全桥电路,共模电流小、效率高、控制简单。针对共模特性进行分析研究,分别对其在正常工况与死区状态的共模电流进行理论分析,并进行仿真与实验验证,得出该正弦波逆变器能够很好地抑制共模电流的结论。

 

通过引入GaN器件来提高开关频率解决拓扑自身电感较大这一问题,并基于GaN器件对电路进行损耗分析与实验验证,实验结果与理论分析基本吻合,验证了损耗分析的正确性。该正弦波逆变器的实测最高效率高达98.63%。

 

随着工业经济的高速发展,我国的环境问题日益凸显,因此大力发展可再生能源发电,特别是太阳能发电是解决我国能源危机和保证可持续发展的重要战略。近年来,光伏产业发展迅速,虽然目前仍存在部分问题,但光伏发电的发展潜力依旧吸引了众多学者的关注[1-4]。

 

目前市场上的光伏并网正弦波逆变器结构按隔离方式来分,可分为隔离型和非隔离型。隔离型并网正弦波逆变器虽然保证了光伏电池板与电网的电气隔离,有效避免了漏电流的危害,但是由于变压器的存在,其效率普遍较低;非隔离型并网正弦波逆变器中因不存在变压器,减少了变压器的能量损耗,具有成本低、体积小、效率高等优点[5-10]。

 

但是由于光伏电池板与电网存在电气连接,正弦波逆变器中功率器件的高频动作所导致的共模电压通过光伏板与大地之间的寄生电容,会在共模回路中形成共模电流,非隔离型光伏并网系统结构如图1所示。而共模电流会引起并网电流的畸变,对其他设备产生电磁干扰,最重要的是对人身安全构成威胁[11]。因此抑制或消除共模电流是非隔离型光伏并网系统必须要解决的问题。

 基于GaN器件的双Buck正弦波逆变器共模与损耗

图1  非隔离型光伏并网正弦波逆变器系统结构

另一方面,氮化镓(Gallium Nitride, GaN)材料作为第三代宽禁带半导体材料的代表之一,以其高带隙能量、高临界击穿电场和高电子迁移率的特性,开启了半导体产业的新格局。相较于传统的硅(Silicon, Si)器件,GaN器件更适用于高频、高压、高温、大功率场合和高辐射场合,具有巨大的发展潜力。因此近年来得到广泛研究和高速发展[12-16]。

 

本文出于在非隔离型光伏并网正弦波逆变器中抑制共模电流的目的,介绍了一种双Buck正弦波逆变器,该拓扑较传统全桥电路结构简单、共模电流小、效率高、可靠性高。本文针对其共模特性进行了研究,并通过仿真与实验进行验证,同时为了解决该拓扑自身电感较大这一缺点,引入氮化镓器件,来提高开关频率、减小电感体积,并基于氮化镓器件对电路进行了损耗分析与实验验证。

 基于GaN器件的双Buck正弦波逆变器共模与损耗

图11 双脉冲测试平台实物图

结论

本文研制了一种基于GaN器件的双Buck正弦波逆变器,对其共模特性进行了研究与分析,并进行了仿真与实验验证,得出该正弦波逆变器能够很好地抑制共模电流的结论;由于引入了GaN器件TPH3006PS,开关频率较高,减小了电感体积,该拓扑自身电感较大这一缺点得以解决。

本文基于GaN器件对电路进行了损耗分析与实验验证,实验结果与理论分析基本吻合,验证了损耗分析的正确性。该正弦波逆变器的实测最高效率高达98.63%。

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