光伏电网连接应用中非隔离高阶DC / DC转换器的研究外文翻译资料

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光伏电网连接应用中非隔离高阶DC / DC转换器的研究

摘要：

由于化石燃料能源的短缺和巨大的环境污染，住宅应用中的光伏（PV）并网电力系统正在成为光伏市场中快速增长的部分。住宅发电系统的新研究趋势是采用光伏并联配置而不是串联连接配置来满足安全要求并充分利用光伏发电功率。如何实现高升压，低成本和高效率的dc / dc转换是主要的考虑因素，因为并联连接结构的低PV输出电压。分析了传统升压转换器在这些应用中的局限性。然后，大多数具有高升级，低成本和高效率性能的拓扑被覆盖并分类为几个类别。讨论了这些转换器的优点和缺点。此外，提出了一种用于高级升压，低成本和高效率dc / dc转换的通用概念电路，用于推导光伏并网电力系统的下一代拓扑。最后，对高升压，低成本和高效率的直流/直流变换器的主要挑战进行了总结。本文将对下一代非隔离高压DC / DC转换器的一般规律和框架做出清晰的描述。

关键词：升压转换器，高升压，低成本和高效率，光伏（PV）电网连接。

I.引言

化石燃料（如石油，煤和天然气）的MASSY使用导致严重的温室效应和环境污染，这在世界上具有很大的影响。同时，化石燃料供应与全球能源需求之间存在很大的矛盾。能源短缺和环境污染一直是人类发展的主要障碍。如何发现可再生能源正变得越来越迫切。

光伏（PV）源是世界能源组合中重要的参与者之一，到2040年，它们将是所有可再生能源候选者中最大的发电贡献，因为它是一个具有高可靠性的清洁，无排放和可再生的发电源[1 ]，[2]。

住宅应用中的光伏并网电力系统最近成为欧洲，日本和美国的快速增长的市场[3]。不幸的是，PV阵列的输出电压相对较低。为了满足全桥，半桥或多电平电网逆变器的高总线电压要求，PV串联连接配置是常规解决方案。然而，由于模块不匹配和部分阴影，光伏阵列的产生的输出功率大大降低，特别是在城市地区[4]。使用级联H桥多电平逆变器或其他多电平配置的并网光伏电力系统被引入以优化PV输出功率[5]，[6]。此外，提出了具有发电控制电路（GCC）的高性能交互式PV生成系统以利用所有串联的光伏阵列[7]。然而，需要大量的功率器件，并且在这些解决方案中增加成本以获得220V的栅极电压。

在住宅光伏并网系统中，光伏阵列通常安装在屋顶上。因此，当PV阵列的连接配置被阴影覆盖时，PV阵列的产生的功率被大大降低，这可能是由云，树，邻居的房子，甚至电力线电缆引起的。在这些情况下，由于PV性能，PV并联连接的配置比串联连接的配置更有效[4]，[7]。另一方面，并联连接结构仅产生低电压，这使得满足家庭应用中的安全要求。此外，多级结构，意味着PV板的串联和并联连接配置的组合，也是光伏并网应用的典型，因为它可以保持高的最大功率点跟踪（MPPT）效率在不同的串方向。因此，新的研究趋势是采用PV并联连接配置，而不是串联连接。

一些现有的隔离电压型转换器，例如相移全桥转换器，可以通过增加变压器的匝数比来实现高增益增益。不幸的是，输入电流是脉冲的，这极大地影响了PV阵列的寿命。此外，需要更多的输入电解电容器来抑制大输入电流纹波。此外，输出二极管电压应力远高于输出电压，这限制了高输出电压应用中的电路效率。其他隔离型电流型转换器，如有源钳位双升压转换器和有源钳位全桥升压转换器[8]，[9]，可以实现高效率和高升压转换。但是，应仔细考虑这些转换器的启动操作。此外，由于需要许多功率部件并且因为需要隔离的传感器或反馈控制器，所以增加了成本。为了降低系统成本和提高系统效率，它成为采用非隔离DC / DC转换器的合适解决方案[10]，[11]。由于在PV板的接地处的大寄生电容器，在非隔离光伏并网系统中的漏电流是重要的问题和关键问题。可以采用逆变器侧的一些电路拓扑或PWM控制算法来有效地使泄漏电流最小化[12] - [14]。

图1.单相光伏并网电力系统图

图1示出了单相光伏并网电力系统的示意图。光伏阵列输出电压相对较低，并联连接的配置。需要高阶和高效率dc / dc转换器来将低PV电压升高到高电压，例如全桥逆变器的380V或220V交流电网中的半桥逆变器的760V连接电源系统。电池和双向DC / DC转换器可用于提高弱电网的能量供应可用性作为备用功能。在电池充电阶段，当使用标准的48 V电池时，双向转换器应具有高升压和高效率性能。此外，由于燃料电池的输出电压低，分布式电力系统和带有燃料电池的电动车辆需要高升压和高效率的dc / dc转换器[15]。总之，由于可再生并网应用中的高功率密度要求，非隔离高压，低成本和高效率的前端DC / DC转换器是必要的。

在非隔离高压PV并网电力应用中的关键问题和主要关注点可以总结为以下两个方面。

1. 成本问题：应避免常规升压转换器中存在的极限占空比，以最小化电流纹波，并减少电解电容器的数量，这可以降低电路成本，并且可以轻松实现MPPT算法[17] 。
2. 效率问题：在高输出的常规升压转换器中存在的高开关电压应力应当降低，以降低导通损耗和功率器件成本。 此外，应实现软开关性能以减少开关损耗并提高系统效率。

图2.单相单开关升压转换器及其在高升压应用中的波形。

1. 单相单开关升压转换器 （b）高级应用中的波形

首先，本文分析了传统升压转换器的局限性。然后，基于电路结构来覆盖和分类最先进的高级升压，低成本和高效率拓扑。此外，介绍了一系列具有绕组交叉耦合电感器（WCCI）的高升压和高效交错软开关升压转换器，可以满足光伏并网应用中的严格要求。最后，提出了一种用于高级升压，低成本和高效率转换的通用概念电路并且总结了高级光伏发电系统中的挑战，以产生下一代非隔离高级高效率转换器。

II.传统升压变换器的限制

由于简单的电路结构，传统的升压转换器广泛地用于功率因数校正（PFC）应用中。传统的单相单开关升压转换器如图1所示。如图2（a）所示，其高阶升压应用中的稳定键波形如图2所示。在图2（b）中，Vgs是开关的栅极信号，vds和ids是开关的电压和电流波形，vDo和iDo是输出二极管的电压和电流波形。理论上，当占空比接近1时，升压转换器的电压增益可以是无穷大的。然而，当占空比增加时，开关断开周期变短。功率器件的电流纹波，如图1所示。如图2（b）所示，是大的，具有高升压转换，这增加了功率器件的传导损耗和关断电流。此外，开关和二极管的电压应力等于输出电压，这在高输出电压应用中是大的。具有高电压应力的开关的成本比具有低电压应力的开关的成本高。由于硬开关操作，开关和反向恢复损耗是显着的。此外，功率电平受单相单开关解决方案的限制。

功率器件并行技术是提高功率水平的解决方案之一。 然而，这种方法不能减少输入和输出电流纹波。此外，由于功率器件的参数差异，难以实现电流自动平衡。

交错结构是增加功率电平的另一个有效解决方案，可以最小化电流纹波，可以减少无源元件尺寸，可以改善瞬态响应，并可以实现热分布[18]。图3示出了两相常规交错式升压转换器。然而，功率器件仍然在硬开关操作。效率有限，因为输出二极管反向恢复问题在高输出电压应用中仍然严重。

通过将一组辅助换相电路添加到由有源开关，电容器和电感器[20]形成的每个相位，从传统的交织升压转换器得到有源零电流转换（ZCT）交织升压转换器。具有辅助换流电路的交错式升压转换器在图1中被引入。 4.由于关键的断续电流模式（DCM）操作，导致开关动作自然地发生，并且输出二极管反向恢复问题得以缓解。当主开关关断时，辅助换向电路提供ZCT。然而，这种转换器必须有可变频率控制，这对于电磁干扰（EMI）滤波器设计是困难的。

图3.传统交错式升压转换器

图4.有源ZVT交错升压转换器

图5.具有耦合电感器的交错式升压转换器

（a）用正偶合溶液 （b）用负偶合溶液

传统的交错式升压转换器的滤波电感器可以集成到一个耦合电感器中以减少磁性分量[21,22]。可以减轻输出二极管反向恢复问题，并且由于耦合电感器的漏电感，可以实现开关的零电流开关（ZCS）导通。耦合方法有两种选择：一种是正耦合解，如图1所示。如图5（a）所示，另一种是负耦合溶液，如图5所示。图5（b）。两个电路都可以实现ZCS导通操作，并可以减少输出二极管的反向损耗。具有正耦合解的电路的电流纹波小，这导致更少的导电损耗。然而，开关关断处于硬开关条件下。具有负耦合解的电路的电流纹波较大，因为电路在DCM模式下操作。由于整个开关转换期间的ZCS性能，开关损耗很小。

具有耦合电感器的有源零电压ZCS（ZVZCS）交错升压转换器如图1所示。图6 [23]仅由钳位开关和小电容器组成的辅助电路插入到具有耦合电感器的交错式升压转换器的每个相中。主开关实现ZCS导通和ZVS关断。在整个开关转换期间为辅助开关实现ZVS软开关性能。耦合的电感器的漏电感用于控制输出二极管截止电流下降速率，这减轻了二极管反向恢复问题。该转换器是对称的，适用于高功率和高效率的直流/直流应用。

图6.具有耦合电感器的有源ZVZCS交错升压转换器

图7.归一化的输入电流纹波与占空比和交错相位的关系

许多其他有源或无源无损软开关解决方案被提出来解决传统升压转换器中存在的开关和反向恢复损耗。然而，大多数改进提出了PFC应用[24]，[25]。它们不适用于高效率和高效率的光伏并网应用。

标准化输入电流纹波，占空比和交错相位的关系如图2所示。当占空比为0.75时，四相交错升压转换器可以最小化输入电流纹波。然而，当占空比大于0.9时，电流纹波消除效应小。此外，由于类比IC技术的限制，很难实现这样的极大的占空比。因此，仅通过在高升压应用中采用交织结构来优化电路性能是不够的。如何实现没有极端占空比的高阶升压DC / DC转换器，以降低开关电压应力，最小化电解电容器的数量，降低电路成本，提高转换器效率成为合理的考虑， 研究领导。

III.三电平升压转换器

与传统的两电平升压转换器相比，三电平升压转换器可以使电压增益加倍，并且可以将功率器件电压应力减半，这在低电压输入高电压输出应用中更适合[26]。常规的三电平升压转换器如图1所示。 具有低RDS_ON的低压应力和高性能MOSFET可用于降低电路成本和传导损耗。开关损耗降低，并且由于低电压应力而抑制EMI噪声。然而，功率器件在硬开关条件下工作，并且输出二极管反向恢复问题严重。

提出了一些有源开关解决方案来实现开关的软开关性能和减少输出二极管反向恢复问题[28]，[29]。图9示出了有源零电压转换（ZVT）三电平升压转换器[28]的示例。 有源钳位开关Sc1（2）在主开关S1（2）之前导通。主开关的ZVS导通通过电容器Cs1（2）和电感器Lr1（2）的谐振来实现。由于并联电容器Cs1（2），实现了主开关的ZVS关断。 然而，有源钳位开关工作在硬开关。此外，由有源钳位开关的寄生电容器和谐振电感器引起的振铃增加了开关电压应力。

除了有源ZVT解决方案，无源无损解决方案是实现软交换操作的另一种方式，因为它不需要任何额外的有源器件和门极。图。图10示出了无源无损软开关三电平升压转换器[30]的一个示例。每个无源无损软开关单元由谐振电感器（Lr1（2）），谐振电容器（Cr1（2）），能量存储电容器（Cc1（2））和三个二极管（D1 ）1，D1（2）2和D1（2）3）。通过电感器Lr1（2）和电容器Cr1（2）和Cc1（2）的谐振实现输出二极管Do1（2）的ZC关断和ZV关断开关S1（2）和ZCS关断和ZVS导通。谐振能量首先存储在电容器Cc1（2）中，然后传递到负载。所有功率器件在软开关条件下工作，实现高电路效率。额外的栅极驱动器需要经过无源无损耗解决方案。转换器的局限性在于许多无源元件是必要的。此外，功率器件的电压应力或电流应力增加。

图10.无源无损三电平升压转换器

图11.级联升压转换器

IV.CASCADE升压转换器

三电平升压转换器的电压转换在非常高的升压应用中仍然不够大。可以延长电压增益，并且可以通过采用级联结构进一步减小电流纹波以满足高级要求。 图。 图11显示了级联升压转换器[31]。第一级的电压应力低，并且可以以高开关频率操作以提高功率密度。第二级可以以低开关频率工作以减小开关损耗。然而，级联转换器需要两组功率器件，磁芯和控制电路，这是复杂且昂贵的。级联结构的系统稳定性是另一个大问题，控制电路应仔细设计[32]。第二级的输出二极管反向恢复问题是严重的，因为在高输出电压应用中应当维持高电压电平。

级联升压转换器中的两个开关可以集成到一个开关中，以降低电路复杂性[33] - [36]。图12 [33]所示的集成级联升压转换器。 当开关S导通时，电感器L1和L2在充电模式下操作。存储在L1中的能量通过二极管D1传送到电容器C1，并且当开关S断开时，存储在L2中的能量通过二极管Do传送到负载。电路简化，与级联升压转换器相比，避免了级联结构造成的不稳定性。

图12.集成级联升压转换器

图13.具有ZVS性能的集成级联升压转换器

具有ZVS软开关性能的集成级联升压转换器如图1所示。 13 [34]。 辅助电路由小电感Ls，谐振电容Cc和功率MOSFET Sc组成，用于实现主开关和钳位开关的软开关。

然而，集成级联升压转换器的开关电压应力等于高输出电压，并且电流应力较大，因为电感器L1和L2的电流在其导通时流过开关。这两个因素增加了传导损耗并降低了电路效率。

V.高升压升压转换器

为了满足在光伏并网电力应用中的高步骤，低成本和高效率性能的严格要求，许多研究人员集中于如何实现高级，低成本和高效率 单级转换器。在这些成就中，他们可以分为以下目录

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