IPM在光伏并網逆變器中的應用

康 怡,楊魯發

摘 要:為了降低光伏并網逆變器的復雜性,提高系統的可靠性,可以將IPM智能功率模塊PM50B4LB060應用到光伏并網逆變電路中,由于其內部有驅動和保護電路,開關控制信號的產生電路輸入端直接與光耦相連,光耦的輸出可以直接輸入IPM模塊,控制IPM內部開關管的開合,實現逆變功能,光耦起隔離作用。介紹光伏逆變器和逆變電路原理,給出了開關控制信號波形和輸出電壓仿真波形。與其他逆變電路相比,減少了外圍元器件,提高了系統可靠性。

關鍵詞:光伏并網;逆變器;IPM;SPWM

中圖分類號:TM464;TP274 文獻標識碼:B 文章編號: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

隨著現代社會對能源需求的不斷增加而傳統能源的供應不斷枯竭,研究利用太陽能、風能等可再生能源的分布式發電系統具有重要意義[1]。并網逆變器是并網發電系統的核心部件和技術關鍵[2]。光伏并網逆變器一般采用單獨的MOSFET或IGBT作為功率開關,由于需要設計驅動電路和保護電路,增加了系統的復雜性,降低了系統的可靠性。因而IPM的出現使得設計出簡單和高效的電路成為可能。

IPM(Intelligent Power Modules)是用IGBT作為功率開關,內部同時集成驅動電路、過壓保護電路、過流保護電路、過熱保護電路、欠壓保護電路以及檢測電路,由于其外部接線和焊點減少,使得可靠性明顯增加[3,4]。IPM的自保護能力降低了器件在開發和使用過程中損壞的機率。當其中任何一種保護動作時,IGBT柵極驅動單元就會被關閉,并輸出一個故障信號。IPM的出現使電力電子變流器的高頻化、小型化、高可靠性和高性能成為可能,同時減少了開發時間。基于以上優點,可以把它應用到光伏并網逆變器中。

1 光伏并網逆變器

光伏并網逆變器把光伏電池組件產生的直流電能轉變成與電網電壓同頻、同相的高質量正弦交流電能輸入電網。它主要由逆變電路和控制電路組成。逆變電路的輸入直接與光伏電池組件的輸出相連,輸出通過開關與電網相連,由控制電路控制開關器件的通斷,把直流電能轉變成交流電能。控制電路根據采集到的光伏電池電壓、電流、并網電壓、電流和電網電壓信號,產生不同寬度的正弦脈寬調制(Sine Pulse Width Modulation,SPWM)信號去控制逆變電路的開關器件,使逆變電路產生與電網電壓同頻、同相的高質量的正弦交流電。SPWM控制就是對脈沖的寬度進行調制的技術,即通過對一系列脈沖的寬度進行調制來等效地獲得所需的波形(含形狀和幅值)[5]。

2 逆變電路拓撲和逆變原理

逆變電路采用單極全橋拓撲結構,如圖1所示[6]。圖1中,C1為輸入電容,起到穩定輸入電壓的作用;Q1~Q4為開關管,對應IPM里的4個IGBT;T1為高頻變壓器,起到隔離和升壓的作用;L1和C2為濾波電路,可以把T1次級輸出的矩形脈沖電壓高次諧波濾掉,輸出高質量的正弦電壓;K1為并網控制開關,當滿足并網條件時,控制器控制K1閉合。

圖1 逆變電路

Q1~Q4開關管的SPWM控制信號來自控制電路,控制信號波形如圖2所示。SPWM是由參考正弦波與一定頻率的鋸齒波相比較而產生的,正弦值大于鋸齒波的值,則輸出1,即開通開關元件,反之則關斷。幅值不同的正弦參考波產生寬度不同的SPWM波[7,8]。控制電路內部讓正弦波和鋸齒波進行比較產生四路控制信號,分別用來控制Q1~Q4。開關管一共有4種開關模式,分別是:Q1,Q4開;Q2,Q3開;Q1,Q2開;Q3,Q4開。其中,只有兩種開關模式有輸出電壓(Q1,Q4開;Q2,Q3開),Q1,Q4開,輸出為正;Q2,Q3開,輸出為負。圖2下面那個波形為開關管的輸出電壓波形。由圖可以看出,脈沖寬度中間寬,兩邊窄,正好隨正弦規律變化,并且有正電壓輸出和負電壓輸出。

圖2 控制器輸出的SPWM和開關管輸出的電壓波形

開關管輸出的電壓通過L1和C2組成濾波電路后,輸出的電壓波形如圖3所示。由圖可知,輸出波形為正弦波,周期為0.02 s,與電網周期相同。

由以上分析可知,使用IPM設計的逆變電路拓撲滿足應用條件,可以應用到光伏并網逆變器中。

3 IPM智能功率模塊及其應用電路

IPM智能功率模塊是先進的混合功率器件,它內部集成了高速、低損耗的IGBT、優化的IGBT門極驅動和保護電路。保護電路分別檢測過流、短路、過熱、驅動電源欠壓等故障,當任何一種故障出現時,內部電路會封鎖驅動信號并向外送出故障信號,以便外部的控制單元及時對故障信號進行處理,避免功率器件受到進一步損壞[9]。

PM50B4LB060是三菱公司專門為光伏發電逆變器設計的單相逆變IPM模塊,它的最大輸入電壓為600 V,輸出電流為50 A,最大絕緣電壓為2 500 V,適合制作交流輸出電壓為220 V的逆變器。它的特點有[10]:

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

(2) 通過監測芯片Tj,實現了過熱保護,上下橋臂都有故障信號輸出功能;

(3) 采用新的封裝,與S-DASH系列相比,減少了10%的體積,厚度減少了22%;

(4) 具有短路、過熱和欠壓監測保護和指示功能。

圖3 經過濾波后的電壓波形

逆變電路如圖4所示,虛線內為PM50B4LB060模塊結構圖。模塊的P引腳與光伏電池組件的正極相連,N引腳與負極相連;Vup1,Vvp1,Vn1為控制電源正極輸入端;Vupc,Vvpc,Vnc為驅動電源負極輸入端;VUP,VP,UN,VN為控制信號輸入端;UFo,VFo,Fo為故障信號輸出端。控制電路產生的SPWM信號通過高速隔離光耦HCPL4504輸入PM50B4LB060智能功率模塊;故障信號通過普通光耦PC817輸入控制電路,控制電路根據故障信號可以關斷SPWM的輸出,實現對IPM的保護。

為了避免地線回路的噪聲干擾,需要三個獨立的電源給模塊內部的控制電路供電,可以通過一個開關電源輸出三路獨立的15 V電源來實現,要求電源的輸出電壓變化范圍不能超過10%。為了避免電源初級和次級之間耦合電容的干擾,在IPM驅動電源輸入端附近需要一個退耦電容。一般選用大于10 μF的電解電容或鉭電容。對于高速隔離光耦HCPL4504,一般需要在其附近VCC和GND輸入端并上一個0.1 μF的薄膜電容或陶瓷電容,起到退耦的作用,在其VCC和輸出端連接一個20 kΩ的上拉電阻。

圖4 逆變電路連接圖

為了減少開關噪聲的影響,在普通光耦PC817的輸出端,一般需要一個時間常數為10 ms左右的RC濾波電路,電容選擇0.1 μF的薄膜電容,電阻選擇100 kΩ的金屬膜電阻。

為了穩定和安全運行在設計PCB板時應注意以下幾點:

(1) 盡量減少PCB板上光耦和IPM輸入端之間的連線,并且盡量減少光耦輸入線和輸出線之間的耦合電容;

(2) 在每個高速光耦VCC和GND之間連接一個低阻抗的電容;

(3) 使用三個獨立電源為控制電路供電,并且在 IPM 的電源輸入端并聯一個電解電容來減少電源瞬時波動的影響;

(4) 盡量減少直流母線的電感,使用緩沖電容減少P端和N端的浪涌電壓。

4 結 語

該系統采用三菱公司的PM50B4LB060智能功率模塊,省去了驅動電路和保護電路的設計,減少了系統復雜性,提高了系統的可靠性。只需要七只光耦和少量外圍元件就可以設計出滿足要求的逆變電路。

參考文獻

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