基于GaN器件的雙Buck逆變器可抑制共模電流原理詳解

目前市場上的光伏并網逆變器結構按隔離方式來分，可分為隔離型和非隔離型，而抑制或消除共模電流是非隔離型光伏并網系統必須要解決的問題。

出于在非隔離型光伏并網逆變器中抑制共模電流的目的，研制一種基于GaN器件的雙Buck逆變器，該逆變器較傳統全橋電路，共模電流小、效率高、控制簡單。針對共模特性進行分析研究，分別對其在正常工況與死區狀態的共模電流進行理論分析，并進行仿真與實驗驗證，得出該逆變器能夠很好地抑制共模電流的結論。

通過引入GaN器件來提高開關頻率解決拓撲自身電感較大這一問題，并基于GaN器件對電路進行損耗分析與實驗驗證，實驗結果與理論分析基本吻合，驗證了損耗分析的正確性。該逆變器的實測最高效率高達98.63%。

隨著工業經濟的高速發展，我國的環境問題日益凸顯，因此大力發展可再生能源發電，特別是太陽能發電是解決我國能源危機和保證可持續發展的重要戰略。近年來，光伏產業發展迅速，雖然目前仍存在部分問題，但光伏發電的發展潛力依舊吸引了眾多學者的關注。

目前市場上的光伏并網逆變器結構按隔離方式來分，可分為隔離型和非隔離型。隔離型并網逆變器雖然保證了光伏電池板與電網的電氣隔離，有效避免了漏電流的危害，但是由于變壓器的存在，其效率普遍較低；非隔離型并網逆變器中因不存在變壓器，減少了變壓器的能量損耗，具有成本低、體積小、效率高等優點。

但是由于光伏電池板與電網存在電氣連接，逆變器中功率器件的高頻動作所導致的共模電壓通過光伏板與大地之間的寄生電容，會在共?；芈分行纬晒材ｋ娏?，非隔離型光伏并網系統結構如圖1所示。而共模電流會引起并網電流的畸變，對其他設備產生電磁干擾，最重要的是對人身安全構成威脅[11]。因此抑制或消除共模電流是非隔離型光伏并網系統必須要解決的問題。

圖1 非隔離型光伏并網系統結構

另一方面，氮化鎵（Gallium Nitride, GaN）材料作為第三代寬禁帶半導體材料的代表之一，以其高帶隙能量、高臨界擊穿電場和高電子遷移率的特性，開啟了半導體產業的新格局。相較于傳統的硅（Silicon, Si）器件，GaN器件更適用于高頻、高壓、高溫、大功率場合和高輻射場合，具有巨大的發展潛力。因此近年來得到廣泛研究和高速發展。

本文出于在非隔離型光伏并網逆變器中抑制共模電流的目的，介紹了一種雙Buck逆變器，該拓撲較傳統全橋電路結構簡單、共模電流小、效率高、可靠性高。本文針對其共模特性進行了研究，并通過仿真與實驗進行驗證，同時為了解決該拓撲自身電感較大這一缺點，引入氮化鎵器件，來提高開關頻率、減小電感體積，并基于氮化鎵器件對電路進行了損耗分析與實驗驗證。

圖11雙脈沖測試平臺實物圖

結論

本文研制了一種基于GaN器件的雙Buck逆變器，對其共模特性進行了研究與分析，并進行了仿真與實驗驗證，得出該逆變器能夠很好地抑制共模電流的結論；由于引入了GaN器件TPH3006PS，開關頻率較高，減小了電感體積，該拓撲自身電感較大這一缺點得以解決。

本文基于GaN器件對電路進行了損耗分析與實驗驗證，實驗結果與理論分析基本吻合，驗證了損耗分析的正確性。該逆變器的實測最高效率高達98.63%。