利用LLC谐振电路隔离的光伏并网逆变器设计

本文提出了一种利用LLC谐振电路进行隔离的高频光伏并网逆变器设计方案，将隔离型和非隔离型光伏并网逆变器的优点结合到一起，既减轻了重量、缩小了体积、降低了成本，又提高了电能质量和安全性。而且由于使用LLC谐振电路能够实现DC-DC级功率器件的软开关，可以大大降低功率器件的开关损耗，因此能显着提高整个系统的转换效率和器件的使用寿命。

1 光伏并网逆变器结构及基本原理

1.1 系统设计结构

采用LLC隔离的光伏并网逆变器结构如图1所示，它包括DC-DC 直流升压级和DC-AC逆变级两级结构，前级负责对太阳能电池阵列传送过来的直流电进行升压和最大功率跟踪，后级负责对前级传送过来的直流电进行逆变，最后经过滤波电路后进行并网。

1.2 工作原理

光伏并网逆变器通过使功率器件有规律的开通、关断来控制电能的传输，功率器件的开通关断采用脉冲宽度调制(PWM)方式来控制。太阳能电池产生的直流电首先送给DC-DC 电路，DC-DC 级执行最大功率点跟踪(MPPT)算法，使太阳能电池始终工作在最大功率点。

经过最大功率点跟踪控制后DC-DC电路将太阳能电池的电能进行升压变成适合DC-AC 级的直流电，然后送到DC-AC级将直流电变换成交流电。控制器对采样电路采取的电网电压或电流相位进行跟踪计算，然后通过调节DC-DC级功率器件开关使逆变器的输出电流与电网电压同频同相，最后通过输出滤波电路或隔离变压器将电能输送到电网。本文DC-DC级输入200~300 V,输出400 V 直流电压，输出功率500 W,满载时功率因数不低于94%.DC-AC级输入直流电压400 V,功率等级600 W,功率因数为1。

2 LLC电路分析

本文采用LLC谐振电路代替工频变压器进行隔离，这是跟传统光伏并网逆变器所不同的地方，也是其优点所在。传统工频隔离变压器体积大、笨重、成本高，采用LLC谐振电路进行隔离可以大大缩小逆变系统的体积，提高效率和功率密度。LLC 谐振电路是在传统的串联谐振电路基础上，将变压器励磁电感Lm 串联在谐振回路中，构成一个LLC谐振电路。相比传统的串联谐振电路，由于增加了一个谐振电感，使得电路谐振频率降低，无需使用额外辅助网络就可以实现全负载范围内的开关管零电压开关;其次，变压器副边整流二极管可以有条件的工作在零电压关断，减小了二极管反向恢复所产生的损耗；而且其适合工作在宽的电压输入范围下，输入电压越高，效率越高，在工作点最优时可获得97%的转换效率。

本文采用了一个半桥LLC串联谐振电路，如图2所示。半桥LLC 串联谐振电路包含输入电容C1 、C2 ,MOSFET Q1 、Q2 ,谐振电感Lr ,谐振电容Cr ,变压器T1 ,输出整流二极管D1 ~ D4 和输出电容C3。

由于增加了一个谐振电感，LLC谐振电路具有两个谐振频率，一个是谐振电感Lr 和谐振电容Cr 的谐振频率fr ,另一个是Lm 加上Lr 与Cr 的谐振频率fm，计算公式如下：

在串联谐振电路中，工作频率fs 高于fr 时才能保证开关管工作在ZVS状态，而在LLC电路中，只要保证fs 高于fm 就能实现开关管的ZVS.下面对它的工作过程进行简单分析。

LLC电路根据开关频率范围可以分为四种模式，本文只讨论fr>fs>fm 模式下的工作原理，一个开关周期内整个工作过程如下所述，工作波形如图3所示，PS1 ,PS2 分别为Q1 ,Q2 的驱动脉冲波形：

[ t0 - t1 ]阶段：t0 时刻谐振电流为负，Q1 体二极管导通，Q1 两端电压钳位在0,此时让Q1 导通为零电压导通。能量从电源正极流向C1 ,C2 中点，Lr ,Cr 谐振，谐振电流ILr经过开关管Q1 并以正弦形式逐渐上升，流过变压器原边的电流IT1为谐振电流ILr与励磁电流ILm之差，变压器原边电压极性上正下负，副边极性也为上正下负，因此D1 、D4 自然导通，变压器原边电压被钳位在nVo(n 为变压器变比)，励磁电流线性上升。

经过半个周期谐165现代电子技术2013年第36卷振时Q1 仍处于导通状态。半个周期之后谐振电流开始减小，励磁电流继续线性上升，t1 时刻谐振电流与励磁电流相等。

[ t1 - t2 ]阶段：t1 时刻谐振电流ILr等于励磁电流ILm,变压器原边电压为0,副边电压也为0,副边整流二极管全部截止，原边不再向副边提供能量，励磁电感Lm开始参与谐振。由于Lm 要比Lr 大很多，LLC谐振周期明显变长，所以谐振电流基本不变。t2 时刻Q1 关断。

[ t2 - t3 ]阶段：t2 时刻Q1 关断，此时Q2 也处于关断状态，电路进入死区时间。谐振电流ILr对Q2 的结电容放电，当它的电压降到0时，体二极管导通，变压器原边绕组极性变为上负下正，副边整流二极管D2 、D3 自然导通，励磁电感Lm 电压被输出电压钳位，不再参与谐振。谐振电流开始以2π LrCr 为周期