HERICHighly Efficient and Reliable Inverter Concept电路是一种主要用于单相非隔离型光伏并网逆变器的拓扑结构其核心目标是提高设备效率和抑制因高频开关产生的共模漏电流。一、Heric电路拓扑二、工作原理HERIC电路的核心工作过程可以分为能量传递阶段和续流阶段能量传递阶段正半周示例当需要向电网输送能量时例如正半周主桥臂的开关管如Q1和Q4进行高频PWM开关将直流电转换成交流电。新增的工频开关管如Q6在此阶段保持导通为电流提供通路。续流阶段正半周示例当主开关管Q1和Q4关断时电感中的电流需要维持进入续流阶段。此时电流会通过新增的开关管和二极管例如Q6和D5形成的续流路径L1-C1//电网-Q6-D5。Q6和D5在续流过程中将PV测短路保持共模电压不变进而抑制了PV测的共模漏电流。负半周的工作情况类似由另一对开关管Q2、Q3和新增的另一路开关管Q5及二极管D6配合完成。三、 Heric电路提高效率原理分析3.1 传统H4全桥逆变器的问题1、H桥工作模式H桥通过四个开关管如MOSFET或IGBT的组合将直流电转换成交流电。正半周电流路径BUS -- Q7 -- L2 -- C2//电网 -- Q10 -- BUS- 。负半周电流路径BUS -- Q9 -- C2//电网 -- L2 -- Q8 -- BUS- 。续流阶段关键当开关管关闭时负载尤其是感性的电网中的电流不会立刻消失需要提供一个续流回路。这个回路通常是通过反并联在开关管上的体二极管或续流二极管来实现的。2、效率瓶颈——二极管损耗在续流阶段电流会流经这些体二极管。二极管有一个固定的正向导通压降通常为0.7V~1.5V。尽管这个压降不高但在大电流下产生的功率损耗 PlossVf×I是相当可观的。更重要的是体二极管的反向恢复时间较长会在开关瞬间产生额外的开关损耗和电磁干扰EMI。简单来说传统H桥在能量馈入电网时效率尚可但在电流续流阶段效率会因二极管损耗而显著下降。3.2 Heric电路提高效率原理能量传递阶段和H4全桥电路电流路径一样。续流阶段正半周L1 -- C1//电网 -- Q6 -- Q5 电流不再经过Q1和Q4的体二极管。而Q5和Q6的导通电阻Rdson远小于H4的体二极管的正向导通压降Vf的等效电阻从而达到提高效率的目的。死区阶段此阶段电流会流经体二极管但因为时间很短造成的损耗可以忽略不计。四、 Heric电路抑制共模漏电流原理分析4.1 核心概念1、共模电压 (Common Mode Voltage, Vcm)指的是光伏板正极PV对地电压Vp和光伏板负极PV-对地电压Vn的平均值VcmVpVn/2。它反映了PV和PV-相对于大地参考点的“共同”偏移程度。2、共模电流 (Common Mode Current, Icm)指的是流经光伏板对地寄生电容Cp, Cn的电流之和。这个电流的路径是从PV或PV-出发通过寄生电容流入大地。定义Icm Ip_to_earth In_to_earth其中Ip_to_earth是通过Cp到大地的电流In_to_earth是通过Cn到大地的电流。4.2 Heric电路保持共模电压Vcm恒定原理分析1、能量传递阶段正周期A点电压等于BUSB点电压等于BUS-。VcmVpVn/2VbusVnVn/2Vbus/2Vn负周期A点电压等于BUS-B点电压等于BUS。VcmVpVn/2VnVbusVn/2Vbus/2Vn2、死区阶段续流阶段无论正周期还是负周期续流时Q5和Q6将H桥短路。此时A点电压等于BUS/2B点电压等于BUS/2。VcmVpVn/2Vbus/2VnVbus/2Vn/2Vbus/2Vn也就是说Heric电路逆变器在整个工作阶段的共模电压Vcm始终不变等于Vbus/2Vn。4.3 Heric电路抑制共模漏电流Icm原理分析1、电容电流公式i C * dv/dt2、逆变器在各个阶段共模电压Vcm恒等于Vbus/2Vn则共模电压Vcm对时间求导d(Vcm)/dt (d(Vp)/dt d(Vn)/dt) / 2 03、共模漏电流Icm Ip_to_earth In_to_earth Cp * d(Vp)/dt Cn * d(Vn)/dt又因为Cp≈Cn则Icm≈Cp*(d(Vp)/dt d(Vn)/dt)≈0。4.4 结论Heric电路抑制共模漏电流的核心思路就是使共模电压Vcm在设备运行的各个状态保持恒定且光伏板正负极相对于大地的电容Cp和Cn基本相等从而确保共模漏电流等于0达到抑制共模漏电流的目的。然实际工况下Cp和Cn会有一定偏差由电容不完全相等引起的残余电流Cp-Cn* d(Vcm)/dt通常远小于传统拓扑中由 d(Vcm)/dt 变化那引起的共模漏电流因此可忽略不计。