IPM在光伏并网逆变器中的应用

2010-05-13康怡,杨鲁发

现代电子技术 2009年20期

康怡,杨鲁发

摘要:为了降低光伏并网逆变器的复杂性,提高系统的可靠性,可以将IPM智能功率模块PM50B4LB060应用到光伏并网逆变电路中,由于其内部有驱动和保护电路,开关控制信号的产生电路输入端直接与光耦相连,光耦的输出可以直接输入IPM模块,控制IPM内部开关管的开合,实现逆变功能,光耦起隔离作用。介绍光伏逆变器和逆变电路原理,给出了开关控制信号波形和输出电压仿真波形。与其他逆变电路相比,减少了外围元器件,提高了系统可靠性。

关键词:光伏并网;逆变器;IPM;SPWM

中图分类号:TM464;TP274 文献标识码:B 文章编号:1004-373X(2009)20-209-03

Application of IPM on Photovoltaic Grid-connected Inverter

KANG Yi,YANG Lufa

(North China Electric Power University,Baoding,071003,China)

Abstract:In order to reduce complexity of the photovoltaic grid-connected of inverter,and improve system reliability,the IPM intelligent power module PM50b41b060 can be used for the inverter circuit,because of its internal drive and protective circuit,switch control input signal generator circuit connected directly with the optocoupler.The optocoupler output can directly enter the IPM module,control the internal switch of IPM within the opening and closing,implementing the inverter function.The optocoupler isolate from the circuit of control to the inverter.The photovoltaic inverters and inverter circuit principle are introduced,the switch control signal waveform and output voltage simulation waveform are given.Compared to other inverter circuit,it decreases the external components,and improves reliability of the system.

Keywords:PV grid-connected;inverter;IPM;SPWM

0 引言

随着现代社会对能源需求的不断增加而传统能源的供应不断枯竭,研究利用太阳能、风能等可再生能源的分布式发电系统具有重要意义[1]。并网逆变器是并网发电系统的核心部件和技术关键[2]。光伏并网逆变器一般采用单独的MOSFET或IGBT作为功率开关,由于需要设计驱动电路和保护电路,增加了系统的复杂性,降低了系统的可靠性。因而IPM的出现使得设计出简单和高效的电路成为可能。

IPM(Intelligent Power Modules)是用IGBT作为功率开关,内部同时集成驱动电路、过压保护电路、过流保护电路、过热保护电路、欠压保护电路以及检测电路,由于其外部接线和焊点减少,使得可靠性明显增加[3,4]。IPM的自保护能力降低了器件在开发和使用过程中损坏的机率。当其中任何一种保护动作时,IGBT栅极驱动单元就会被关闭,并输出一个故障信号。IPM的出现使电力电子变流器的高频化、小型化、高可靠性和高性能成为可能,同时减少了开发时间。基于以上优点,可以把它应用到光伏并网逆变器中。

1 光伏并网逆变器

光伏并网逆变器把光伏电池组件产生的直流电能转变成与电网电压同频、同相的高质量正弦交流电能输入电网。它主要由逆变电路和控制电路组成。逆变电路的输入直接与光伏电池组件的输出相连,输出通过开关与电网相连,由控制电路控制开关器件的通断,把直流电能转变成交流电能。控制电路根据采集到的光伏电池电压、电流、并网电压、电流和电网电压信号,产生不同宽度的正弦脉宽调制(Sine Pulse Width Modulation,SPWM)信号去控制逆变电路的开关器件,使逆变电路产生与电网电压同频、同相的高质量的正弦交流电。SPWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术,即通过对一系列脉冲的宽度进行调制来等效地获得所需的波形(含形状和幅值)[5]。

2 逆变电路拓扑和逆变原理

逆变电路采用单极全桥拓扑结构,如图1所示[6]。图1中,C1为输入电容,起到稳定输入电压的作用;Q1~Q4为开关管,对应IPM里的4个IGBT;T1为高频变压器,起到隔离和升压的作用;L1和C2为滤波电路,可以把T1次级输出的矩形脉冲电压高次谐波滤掉,输出高质量的正弦电压;K1为并网控制开关,当满足并网条件时,控制器控制K1闭合。

图1 逆变电路

Q1~Q4开关管的SPWM控制信号来自控制电路,控制信号波形如图2所示。SPWM是由参考正弦波与一定频率的锯齿波相比较而产生的,正弦值大于锯齿波的值,则输出1,即开通开关元件,反之则关断。幅值不同的正弦参考波产生宽度不同的SPWM波[7,8]。控制电路内部让正弦波和锯齿波进行比较产生四路控制信号,分别用来控制Q1~Q4。开关管一共有4种开关模式,分别是:Q1,Q4开;Q2,Q3开;Q1,Q2开;Q3,Q4开。其中,只有两种开关模式有输出电压(Q1,Q4开;Q2,Q3开),Q1,Q4开,输出为正;Q2,Q3开,输出为负。图2下面那个波形为开关管的输出电压波形。由图可以看出,脉冲宽度中间宽,两边窄,正好随正弦规律变化,并且有正电压输出和负电压输出。

图2 控制器输出的SPWM和开关管输出的电压波形

开关管输出的电压通过L1和C2组成滤波电路后,输出的电压波形如图3所示。由图可知,输出波形为正弦波,周期为0.02 s,与电网周期相同。

由以上分析可知,使用IPM设计的逆变电路拓扑满足应用条件,可以应用到光伏并网逆变器中。

3 IPM智能功率模块及其应用电路

IPM智能功率模块是先进的混合功率器件,它内部集成了高速、低损耗的IGBT、优化的IGBT门极驱动和保护电路。保护电路分别检测过流、短路、过热、驱动电源欠压等故障,当任何一种故障出现时,内部电路会封锁驱动信号并向外送出故障信号,以便外部的控制单元及时对故障信号进行处理,避免功率器件受到进一步损坏[9]。

PM50B4LB060是三菱公司专门为光伏发电逆变器设计的单相逆变IPM模块,它的最大输入电压为600 V,输出电流为50 A,最大绝缘电压为2 500 V,适合制作交流输出电压为220 V的逆变器。它的特点有[10]:

(1) 采用新的第5代IGBT芯片,使它的性能有了显著的提高,VCE(sat)降低到1.55 V;

(2) 通过监测芯片Tj,实现了过热保护,上下桥臂都有故障信号输出功能;

(3) 采用新的封装,与S-DASH系列相比,减少了10%的体积,厚度减少了22%;

(4) 具有短路、过热和欠压监测保护和指示功能。

图3 经过滤波后的电压波形

逆变电路如图4所示,虚线内为PM50B4LB060模块结构图。模块的P引脚与光伏电池组件的正极相连,N引脚与负极相连;Vup1,Vvp1,Vn1为控制电源正极输入端;Vupc,Vvpc,Vnc为驱动电源负极输入端;VUP,VP,UN,VN为控制信号输入端;UFo,VFo,Fo为故障信号输出端。控制电路产生的SPWM信号通过高速隔离光耦HCPL4504输入PM50B4LB060智能功率模块;故障信号通过普通光耦PC817输入控制电路,控制电路根据故障信号可以关断SPWM的输出,实现对IPM的保护。

为了避免地线回路的噪声干扰,需要三个独立的电源给模块内部的控制电路供电,可以通过一个开关电源输出三路独立的15 V电源来实现,要求电源的输出电压变化范围不能超过10%。为了避免电源初级和次级之间耦合电容的干扰,在IPM驱动电源输入端附近需要一个退耦电容。一般选用大于10 μF的电解电容或钽电容。对于高速隔离光耦HCPL4504,一般需要在其附近VCC和GND输入端并上一个0.1 μF的薄膜电容或陶瓷电容,起到退耦的作用,在其VCC和输出端连接一个20 kΩ的上拉电阻。

图4 逆变电路连接图

为了减少开关噪声的影响,在普通光耦PC817的输出端,一般需要一个时间常数为10 ms左右的RC滤波电路,电容选择0.1 μF的薄膜电容,电阻选择100 kΩ的金属膜电阻。

为了稳定和安全运行在设计PCB板时应注意以下几点:

(1) 尽量减少PCB板上光耦和IPM输入端之间的连线,并且尽量减少光耦输入线和输出线之间的耦合电容;

(2) 在每个高速光耦VCC和GND之间连接一个低阻抗的电容;

(3) 使用三个独立电源为控制电路供电,并且在 IPM 的电源输入端并联一个电解电容来减少电源瞬时波动的影响;

(4) 尽量减少直流母线的电感,使用缓冲电容减少P端和N端的浪涌电压。

4 结语

该系统采用三菱公司的PM50B4LB060智能功率模块,省去了驱动电路和保护电路的设计,减少了系统复杂性,提高了系统的可靠性。只需要七只光耦和少量外围元件就可以设计出满足要求的逆变电路。

参考文献

[1]吴浩伟,段善旭,徐正喜.一种新颖的电压控制型逆变器并网控制方案[J].中国电机工程学报,2008(11):19-21.

[2]王长贵.并网光伏发电系统综述(上)[J].太阳能,2008(2):14-17.