摘要:为满足高压大容量逆变系统的要求,设计采用绝缘栅双极晶体管IGBT组成逆变电路的光伏发电系统。通过对太阳能光伏发电原理的简单了解,比较场效应管MOSFET和绝缘栅双极晶体管IGBT构成的逆变电路,针对IGBT构成的逆变电路中的重要环节分别提出改进方案来优化电路设计。最终既满足对高压大容量系统要求,又可以提高整个系统工作效率,使得整个系统达到最优状态。
关键词:太阳能;光伏发电;逆变电路;绝缘栅双极晶体管
国内外大多数光伏发电系统是采用功率场效应管MOSFET构成的逆变电路。然而随着电压的升高,MOSFET的通态电阻也会随着增大,在一些高压大容量的系统中,MOSFET会因其通态电阻过大而导致增加开关损耗的缺点。相比之下,绝缘栅双极晶体管IGBT通态电流大,正反向组态电压比较高,通过电压来控制导通或关断,这些特点使IGBT在中、高压容量的系统中更具优势,因此采用IGBT构成太阳能光伏发电关键电路的开关器件,有助于减少整个系统不必要的损耗,使其达到最佳工作状态。
1 原理
1.1 系统结构
太阳能光伏发电的实质就是在太阳光的照射下,太阳能电池阵列(即PV组件方阵)将太阳能转换成电能,输出的直流电经由逆变器后转变成用户可以使用的交流电。原理图如图1所示。
[page] 逆变器是太阳能光伏发电系统中的关键部件,因为它是将直流电转化为用户可以使用的交流电的必要过程,是太阳能和用户之间相联系的必经之路。因此要研究太阳能光伏发电的过程,就需要重点研究逆变电路这一部分。如图2(a)所示,是采用功率场效应管MOSFET构成的比较简单的推挽式逆变电路,其变压器的中性抽头接于电源正极,MOSFET的一端接于电源负极,功率场效应管Q1,Q2交替的工作最后输出交流电力,但该电路的缺点是带感性负载的能力差,而且变压器的效率也较低,因此应用起来有一些条件限制。采用绝缘栅双极晶体管IGBT构成的全桥逆变电路如图2(b)所示。其中Q1和Q2之间的相位相差180°,其输出交流电压的值随Q1和Q2的输出变化而变化。Q3和Q4同时导通构成续流回路,所以输出电压的波形不会受感性负载的影响,所以克服了由MOSFET构成的推挽式逆变电路的缺点,因此采用IGBT构成的全桥式逆变电路的应用较为广泛一些。
具体实施如下:采用Rg2和VD1串联再与Rg1并联,当IGBT导通时,由驱动电路内部EXB841的3脚输出正电压,VD1导通,Rg1和Rg2共同工作,因为并联后的总电阻小于每一个支路的分电阻,所以串联在栅极上的总电阻Rg的值比Rg1,Rg2的值都要小,这样使得开关时间和开关损耗随着总电阻值的减小而减少,进而降低驱动损耗。当IGBT关断时,该驱动电路内部EXB841的5脚导通,3脚不导通,IGBT的发射极提供负电压,使得与Rg2串联的VD1截止,Rg1工作,Rg2不工作,此时串联在栅极上的总电阻Rg的值就是Rg1的阻值,这样在关断IGBT时不会因为栅极间的电阻过小而导致器件的误导通,进而提高了工作效率。
2.2 软开关
针对开关损耗,采用软开关技术。软开关技术是相对于硬开关而言的,传统的开关方式称为硬开关,所谓软开关技术就是半导体开关在其导通或关断时的时间很短,使流过开关的电流或加在开关的电压很小,几乎为零,从而降低了开关损耗。实质是通过提高开关频率来减小变压器和滤波器的体积和重量,进而大大提高变换器的功率密度,降低了开关电源的音频噪声,从而减小了开关损耗。
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Q1~Q4是4个IGBT功率开关管,其中Q1和Q3为超前臂,Q2和Q4为滞后臂,Q1和Q3超前于Q2和Q4一个相位,当Q1和Q4关断,Q2和Q3导通时,UAB两端电压等于V1两端电压,电容器C1被电源电压V1充电。当Q3由导通到关断时,电容器C3被充电,电感L1释放能量,使得电容器C1谐振放电,直到电容器C1上的电压为零,使Q1具备了零电压导通的条件,同理可知超前臂Q3的零电压导通原理。当Q1和Q4导通,Q2和Q3关断时,AB两端电压等于V1两端电压,电容器C3处于充电状态,当Q1和Q4持续导通时,电感L2与电容C8产生谐振,因此,电容C8被充电。当Q1由导通到关断时,电容C1被充电,使得C3开始放电,AB两端电压减小,使得C8谐振放电,C8持续放电,最后使得二极管D7续流,Q4的驱动脉冲持续下降直到零,最终完成了Q4的零电流关断。同理可知滞后臂Q2的零电流关断原理。
因此可以说超前臂Q1和Q3分别通过并联电容器C1和C3来完成零电压导通和关断,进而减小开关损耗;滞后臂Q2和Q4则是通过辅助电路中对C8放电,使流过变压器原边的电流减小到零进而完成零电流导通和关断。
3 实验结果
根据以上分析,实验结果如图5所示。
一般电路波形接近方波部分说明其输出含有较多的谐波分量,这样会使系统产生不必要的附加损耗,如图5是采用IGBT的改进电路,其波形很接近正弦波,理想的正弦波其总谐波畸变度为零,但实际生活中很难达到这样的水准,因此基本达到要求,同时由于PIC16F873单片机具有多路PWM发生器,又具有更好的输出正弦波的特点,因此验证了实验的可行性,达到了预期效果。
4 结语
通过对器件的比较与分析,电路的改进与优化,集成电路EXB841本身内部含有过电流保护电路,解决了绝缘栅双极晶体管IGBT对驱动电路部分的要求,而且减少了外部电路的设计,使得整个设计过程简单、方便。软开关技术则解决了IGBT导通与关断时流过电流与其上电压过大的问题,最终整个系统的驱动损耗和开关损耗大大减少,输出波形是较为稳定的正弦波,进而提高了整个系统的工作效率。
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