基于GaN的双Buck并网逆变器的损耗分析及共模电流抑制研究

发布时间：2017-10-02 11:16

  本文关键词：基于GaN的双Buck并网逆变器的损耗分析及共模电流抑制研究

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【摘要】：随着工业经济的高速发展,我国的环境问题日益凸显,因此大力发展可再生能源发电,特别是太阳能发电是解决我国能源危机和保证可持续发展的重要战略。近年来,光伏发电已经受到越来越多的关注和重视。目前市场上的光伏并网逆变器按照是否隔离来分,可分为隔离型和非隔离型。隔离型并网逆变器保证了光伏电池板与交流电网侧的电气隔离,提高了系统的安全性,但体积大、效率低、并且控制复杂。非隔离型并网逆变器中不存在变压器,减少了变压器的能量损耗,具有成本低、体积小、效率高等优点,受到了人们的广泛关注。本文主要研究对象为双Buck并网逆变器。首先对双Buck并网逆变器的优缺点进行了总结,采用第三代宽禁带半导体器件Cascode GaN晶体管解决双Buck并网逆变器电感较大的问题,对其进行了工作原理分析,并网控制策略和主电路参数的设计,并进行了仿真验证。搭建了双脉冲测试平台,对Cascode GaN晶体管的驱动电路和动态性能进行了测试,得到Cascode GaN晶体管开通、关断损耗和碳化硅肖特基二极管关断损耗的数学模型,并基于此测试结果对整个电路的损耗进行了理论分析。然后对双buck并网逆变器的共模特性进行了分析,在拓扑不变的基础上提出了一种无功发生控制方法,可使得双Buck并网逆变器实现功率的双向流动,对无功发生控制方法进行了原理分析与共模特性分析,并对两种不同的控制方法进行了仿真验证。最后搭建了基于Cascode GaN晶体管和碳化硅肖特基二极管的500W双Buck并网逆变器实验样机,在该样机上对双Buck并网逆变器进行了实验验证。本课题所做的理论分析、仿真验证和实验验证表明双Buck并网逆变器具有结构简单、效率高、共模特性好等优点,且采用GaN晶体管实现电路的高频化可以很好的解决电感过大的问题,最后提出的无功发生控制方法,可以使得双Buck并网逆变器实现功率的双向流动,扩大了应用范围。
【关键词】：双Buck逆变器 Cascode GaN晶体管 共模电流 高频高效
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM464
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-12
• 1 引言12-26
• 1.1 课题研究的背景与意义12-13
• 1.2 光伏并网逆变器的发展13-15
• 1.3 非隔离光伏并网逆变器共模电流问题15-19
• 1.3.1 共模电流产生原因15-16
• 1.3.2 光伏并网系统共模电流标准16-17
• 1.3.3 共模电流抑制技术研究现状17-19
• 1.4 非隔离光伏并网逆变器拓扑19-23
• 1.4.1 几种不同的非隔离光伏并网逆变器拓扑19-22
• 1.4.2 基于GaN的Buck并网逆变器22-23
• 1.5 本论文研究内容23-26
• 2 双Buck并网逆变器26-34
• 2.1 双Buck并网逆变器的工作原理分析26-28
• 2.2 双Buck并网逆变器的并网控制策略28-29
• 2.3 双Buck并网逆变器电路参数设计29-31
• 2.3.1 主电路参数设计29
• 2.3.2 电感设计29-31
• 2.3.3 滤波电容设计31
• 2.4 双Buck并网逆变器仿真验证31-32
• 2.4.1 开环仿真验证31-32
• 2.4.2 并网仿真验证32
• 2.5 本章小结32-34
• 3 基于GaN的Buck并网逆变器的损耗分析34-48
• 3.1 器件选型34-36
• 3.1.1 高频开关管34-35
• 3.1.2 高频二极管35
• 3.1.3 低频开关管35-36
• 3.2 GaN晶体管高频应用设计36-42
• 3.2.1 GaN晶体管驱动设计36-39
• 3.2.2 GaN晶体管动态性能测试39-42
• 3.3 损耗分析42-46
• 3.3.1 功率器件损耗分析43-44
• 3.3.2 磁性元件损耗分析44-46
• 3.4 本章小结46-48
• 4 双Buck逆变器的共模电流抑制研究48-70
• 4.1 双Buck逆变器共模特性分析48-56
• 4.1.1 共模电流模型48-51
• 4.1.2 共模电流频域分析51-53
• 4.1.3 死区对共模电流的影响53-56
• 4.2 无功发生控制方法的Buck并网逆变器56-62
• 4.2.1 工作原理分析56-59
• 4.2.2 无功发生控制方法59-60
• 4.2.3 共模特性分析60-62
• 4.3 双Buck并网逆变器共模特性仿真验证62-65
• 4.3.1 基本Buck并网逆变器共模特性仿真验证62-63
• 4.3.2 无功发生控制方法的Buck并网逆变器仿真验证63-65
• 4.4 改进电路拓扑的Buck并网逆变器65-67
• 4.4.1 工作原理分析65-66
• 4.4.2 仿真验证66-67
• 4.5 本章小结67-70
• 5 实验验证70-78
• 5.1 硬件电路70-72
• 5.1.1 实验平台整体介绍70-71
• 5.1.2 采样电路设计71-72
• 5.2 双Buck并网逆变器实验验证72-77
• 5.2.1 开环实验验证72-74
• 5.2.2 并网实验验证74-75
• 5.2.3 共模电流测试75-76
• 5.2.4 效率测试76-77
• 5.3 本章小结77-78
• 6 总结与展望78-80
• 6.1 全文工作总结78
• 6.2 后续工作展望78-80
• 参考文献80-84
• 作者简历84-88
• 学位论文数据集88

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