Buck逆变器
基于GaN器件的双Buck逆变器可抑制共模电流原理详解
目前市场上的光伏并网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逆变器，该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。
目前市场上的光伏并网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。
但是由于光伏电池板与电网存在电气连接，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。
图1& 非隔离型光伏并网系统结构
另一方面，（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。
本文出于在非隔离型光伏并网逆变器中抑制共模电流的目的，介绍了一种双Buck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。
图11&双脉冲测试平台实物图
本文研制了一种基于GaN器件的双Buck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。该逆变器的实测最高效率高达98.63%。
原文标题：基于GaN器件的双Buck逆变器共模与损耗
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1.引言太阳能作为一种无污染的能源，有关其利用的研究一直是人们研究的热点。为了提高太阳能的电能转化效率，并网逆变器的研究是光伏利用的重点。对于光伏并网，其拓扑结构按照变压器可以分为：高频变压器型，工频变压器型和无变压器型。高频变压器体积小，重量轻，效率高，但是控制较为复杂；工频变压器体积大，重量重，结构简单；为了能够提高光伏并网系统的效率和降低成本，在没有特殊要求的时候可以采用无变压器型的拓扑结构。但是，由于没有变压器，输入输出没有电气隔离，光伏模块的串并联构成的光伏阵列对地的寄生电容变大，而且该电容受外界环境影响较大，由此产生的共模电流将会很大，对于漏电流的研究，现已有多种解决方案：当全桥逆变器采用单极性调制方式时，存在一开关频率脉动的共模电压，而采用双极性调制方式时，共模电压不变，其幅度等于母线电压的一半；在半桥中，对地寄生电容电压亦被输入分压大电容钳位在母线电压的一半，基本保持不变。这些都是基于桥式电路解决漏电流的方法，近年来出现了一种双Buck逆变器结构，这种逆变器具有无桥臂直通，体二极管不工作，双极性工作等突出特点，因而应用广泛。本文提出一种新型的三电平双Buck逆变器的方案，并置定相应的控制策略实现最大功率点的跟踪和并网控制。2.三电平双Buck逆变器的总体方案如图1所示，为双逆变器的电路拓扑结构图，双Buck逆变器采用的是半周期工作模式，当输出电流在正半周时，功率管S1、续流二极管D1、滤波电感L1和滤波电容Cf共同构成了Buck1电路。当输出电流为负半周时，功率管S2、续流二极管D2、滤波电感L2和滤波电容Cf共同组成Buck2电路，两条Buck电路不同时工作。相比于传统的桥式逆变电路，电路无桥臂直通的可能，体二极管也不用参与工作过程。但是，这种情况下，功率管S1和S2在工作的半个周期内所承受的电压时直流母线电压Ud的两倍。由于其桥臂本身输出的电压波形依然是双极性的，所以其谐波含量依旧很大。通过在双逆变器拓扑结构上进行优化，用两个功率管和快恢复型二极管的组合开关电路(即S1&S3&D3和S4&S2&D4)替代原先的桥臂上的功率管。得到如图2所示的新型三电平双Buck逆变拓扑结构。这种新型的三电平双Buck逆变器依据是半周期工作模式：当输出电感电流iL为正半周时，Buck1电路工作，当电感电流为负半周时，Buck2电路工作。其具体的工作模态如表1所示。经过优化的三电平双Buck逆变器由于将其对地的寄生电容电压牵制在输入电压的一半，所以其漏电流为零。3.控制策略分析为了能够实现最大功率点跟踪和实现输出电压电流的控制，整个控制采用复合控制策略，包括均压控制环，电流控制环和电流基准环如图3所示。具体工作流程为：通过采集电容C1上的电压UC1，计算母线电压的一半得到UZ=Ubus/2,分别计算UC1与Uz的差值，将差值输入到均压环的调节器，输出控制电流变化量△i；母线电压经过最大跟踪环节取得入网基准电流ig，将基准电流iL减去控制电流变化量△i和入网电流ig,将最后求的的电流经过比例积分误差放大电路，与三角波相交并通过控制逻辑生成争先脉宽调制信号(SPWM波)，通过输出的SPWM波形控制开关管的导通关断，实现电压调节功能。式中 c1U 和 c2U 为电容C1和电容C2的电压初始大小，假设两电容电压大小相等，则可得两电容电压的偏差大小为：4.仿真和验证对于上述的闭环系统，设置参数并进行仿真，具体参数设置如下：输入直流电压Ud=720V，输入电容C1=C2=1100uF，输出滤波电感L1=L2=750uH，预计输出的交流电压Uo=220V，频率为50Hz，额定输出功率Po=1KW。<p style="margin: 0 padding: 0 word-wrap: break- text-inden
编辑：探路者
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一种新型的单相双Buck光伏逆变器的设计方案
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太阳能作为一种无污染的能源，有关其利用的研究一直是人们研究的热点。为了提高太阳能的电能转化效率，光伏并网的研究是光伏利用的重点。对于光伏并网逆变器，其拓扑结构按照变压器可以分为：
高频变压器型，工频变压器型和无变压器型。高频变压器体积小，重量轻，效率高，但是控制较为复杂;工频变压器体积大，重量重，结构简单;为了能够提高光伏并网系统的效率和降低成本，在没有特殊要求的时候可以采用无变压器型的拓扑结
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三电平双Buck逆变器的总体方案
如图1所示，为双Buck逆变器的电路拓扑结构图，双Buck逆变器采用的是半周期工作模式，当输出电流在正半周时，功率管S1、续流二极管D1、滤波电感L1和滤波电容Cf共同构成了Buck1电路。当输出电流为负半周时，功率管S2、续流二极管D2、滤波电感L2和滤波电容Cf 共同组成Buck2电路，两条Buck电路不同时工作。相比于传统的桥式逆变电路，电路无桥臂直通的可能，体二极管也不用参与工作过程。但是，这种情况下，功率管S1和S2在工作的半个周期内所承受的电压时直流母线电压Ud的两倍。由于其桥臂本身输出的电压波形依然是双极性的，所以其谐波含量依旧很大。
通过在双Buck逆变器拓扑结构上进行优化，用两个功率管和快恢复型二极管的组合开关电路(即S1 S3 D3和S4 S2 D4)替代原先的桥臂上的功率管。得到如图2所示的新型三电平双Buck逆变拓扑结构。
这种新型的三电平双Buck逆变器依据是半周期工作模式：当输出电感电流iL为正半周时，Buck1电路工作，当电感电流为负半周时，Buck2电路工作。其具体的工作模态如表1所示。经过优化的三电平双Buck逆变器由于将其对地的寄生电容电压牵制在输入电压的一半，所以其漏电流为零。
控制策略分析
为了能够实现最大功率点跟踪和实现输出电压电流的控制，整个控制采用复合控制策略，包括均压控制环，电流控制环和电流基准环如图3所示。
具体工作流程为：通过采集电容C1 上的电压UC1，计算母线电压的一半得到UZ=Ubus/2；分别计算UC1与Uz的差值，将差值输入到均压环的调节器，输出控制电流变化量△i；母线电压经过最大跟踪环节取得入网基准电流ig,将基准电流iL减去控制电流变化量△i和入网电流ig,将最后求的的电流经过比例积分误差放大电路，与三角波相交并通过控制逻辑生成争先脉宽调制信号(SPWM波)，通过输出的SPWM波形控制开关管的导通关断，实现电压调节功能。式中 c1 U 和 c2 U 为电容C1和电容C2的电压初始大小，假设两电容电压大小相等，则可得两电容电压的偏差大小为：
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