【作者】宋绪欣

【导师】毕恺韬

【学院】自动化与智能科学学院

【专业】电气工程

【摘要】在“双碳”目标推动与分布式光伏产业快速发展的背景下，传统光伏逆变器存在功率传输与软开关特性耦合、电流应力过大以及过零点软开关失效等问题，难以满足高效化、可靠化、小型化的应用需求。本设计以单级双有源桥（DAB）拓扑为核心，开展光伏微型逆变器的全流程设计与优化研究，旨在突破传统拓扑技术瓶颈，提升逆变器综合性能。

首先，完成单级DAB变换器基础理论建模，明确“直流侧全桥-高频变压器-交流侧半桥”拓扑结构，提出基于内、外移相角的扩展移相调制（EPS）方式，划分三种工作模式并推导边界条件；以模式二为例构建时域模型，结合开关管寄生电容对逆变器七个模态进行精细化分析。其次，分析变换器功率传输、软开关（ZVS）、回流功率、最大电流应力等核心性能与移相比、变压器匝比的耦合关系，发现模式二具备更优的功率传输能力与ZVS范围；提出基于虚拟输入电压Vdcmin和移相系数k的双虚拟变量EPS变频控制策略，通过输出电流线性化解决多自由度耦合难题，融合全域ZVS、回流功率抑制等多维约束，采用梯度法求解出综合性能最优的参数组合。

针对工程应用中的关键问题，提出分级优化策略：建立电流应力与移相参数的动态关联模型，推导移相系数随电网电压动态调整的最优轨迹，实现工频周期内最大电流应力全局最小化；利用开关暂态能量守恒法求解考虑寄生电容时的软开关临界条件，揭示过零点ZVS失效根源，提出移相角下限限幅+调制模式切换的复合方案，实现全工况软开关。基于理论分析与参数优化结果，完成逆变器硬件系统设计，包括主功率电路、辅助电源、驱动电路、采样电路及DSP控制电路，重点优化高频磁集成变压器的磁芯选型、绕组布局与参数设计，通过AnsysMaxwell仿真实现漏感与励磁电感的精准匹配；基于DSP完成模块化软件设计，实现控制策略的精准执行。

搭建实验平台开展多工况验证，结果表明：在最优参数组下，逆变器在额定、半载、轻载工况下均实现全域ZVS，最大电流应力显著降低，回流功率得到有效抑制，最高效率达96.5%；在输入电压与功率突变时，输出电流正弦度良好、动态响应稳定，验证了本设计所提拓扑设计、控制策略与参数优化方法的有效性和工程实用性。

本设计的创新点体现在三方面：一是提出双虚拟变量协同的EPS变频控制策略，实现多耦合参数解耦与输出电流精准线性调控；二是设计移相系数时变的电流应力优化策略，突破固定参数下电流应力局部最小的局限，实现全局最小化；三是提出移相角限幅与模式切换结合的过零ZVS优化方案，解决了寄生参数下轻载过零软开关失效的工程难题。本设计的研究成果为单级DAB拓扑光伏微型逆变器的研发提供了理论参考与工程实践依据，对推动分布式光伏逆变器的高效化、高可靠化发展具有重要意义。

【关键词】光伏微型逆变器；单级DAB拓扑；扩展移相调制；软开关；电流应力优化；参数设计

【核心图表】

1. 单级DAB微型逆变器实验平台及样机实物图

2.样机效率