專利名稱：用于將dc電壓轉(zhuǎn)換為三相ac輸出的方法和變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于將DC電壓轉(zhuǎn)換為三相AC輸出的方法和變換器，如 權(quán)利要求1和權(quán)利要求5的前序部分分別所述.本發(fā)明特別涉及對(duì)由能 量源提供的DC電壓的轉(zhuǎn)換，該轉(zhuǎn)換在AC輸出頻率的周期時(shí)間內(nèi)提供恒 定功率。本發(fā)明更特別涉及對(duì)太陽能電池陣列提供的DC電壓的轉(zhuǎn)換。
背景技術(shù)：
在IEEE功率電子專家會(huì)議(the IEEE Power Electronic Specialist Conference,PESC)的會(huì)議錄2002第1483-1488頁的一篇由T. Shimitzu 等完成的文章中，公開了所述類型的方法和變換器.
如果具有輸出頻率的AC輸出電壓被提供給電阻負(fù)栽，AC電流會(huì)流 過該負(fù)載，該負(fù)栽具有與AC電壓相同的波形和相.因此，如果波形是 正弦的，輸出功率將以兩倍于所述輸出功率的正弦波形波動(dòng).DC源由脈 動(dòng)功率負(fù)栽，盡管理所當(dāng)然它能提供恒功率.結(jié)果，如果DC源是這樣
一種類型，其將來自它的周圍環(huán)境的能量轉(zhuǎn)換為電能，諸如太陽能電池 陣列，那么來自該環(huán)境的可用能量的很大部分將不會(huì)被利用，而包含這 樣的能量源的系統(tǒng)的總體效率會(huì)很低。為了解決該問題，公知可以在轉(zhuǎn) 換器的輸入側(cè)緩沖能量，以補(bǔ)償源所負(fù)栽的能量。然而，這種解決方案 需要采用大的電解電容作為緩沖。這些電容昂貴、體積大，且只有有限 的壽命，該壽命與太陽能電池的期望壽命例如25年相比是很短的.為 了解決這個(gè)問題，所述文章公開了使用DC功率平滑電路，該電路被連 接用于接收DC輸入電壓，以減小由脈動(dòng)輸出功率引起的紋波.該平滑 電路包含電容，其被充電至兩倍于DC輸入源的電壓.結(jié)果，所述電容 會(huì)小于通常采用的電解電容.除了采用電解電容的缺點(diǎn)外，脈動(dòng)輸入/ 輸出功率差的問題也還沒有得到解決。
所述文章公開的現(xiàn)有技術(shù)變換器包括通常公知的逆向轉(zhuǎn)換器，其是 基于通常公知的加減轉(zhuǎn)換器。逆向轉(zhuǎn)換器能量由變壓器中的磁場(chǎng)緩沖 (用單個(gè)電感中的加減轉(zhuǎn)換器取代所述變壓器)。能量在能量輸入間隔 期間從DC源被提供到變壓器的初級(jí)線圉，并在能量輸出間隔期間從變 壓器的次級(jí)線團(tuán)取出，能量輸出間隔與能量輸入間隔交替。這可以高頻
率運(yùn)行，如200kHz.脈沖寬度調(diào)制(PWM)被用于使DC輸出電壓形變， 以適應(yīng)具有如50Hz低頻率的AC輸出電壓的半周期.采用現(xiàn)有技術(shù)的變 換器，次級(jí)線圃是對(duì)稱的，使得它的外部端子與和開關(guān)串聯(lián)的對(duì)應(yīng)二極 管相連，并與負(fù)載的笫一端相連，并且次級(jí)線圉的中心抽頭與負(fù)栽的笫 二端相連。在DC轉(zhuǎn)換器的輸出側(cè)的開關(guān)被控制用于在AC輸出電壓周期 的隨后半周期中連接具有相反極性的DC輸出電壓.
現(xiàn)有技術(shù)變換器的缺點(diǎn)在于它仍需要采用電解電容，且它采用切換 的平滑緩沖.
現(xiàn)有技術(shù)變換器的另一個(gè)缺點(diǎn)在于它需要變壓器，該變壓器在它的 輸出側(cè)具有對(duì)稱次級(jí)線團(tuán)、二個(gè)二極管以及二個(gè)開關(guān).因此，該變換器 相對(duì)較貴.
現(xiàn)有技術(shù)變換器還有一個(gè)缺點(diǎn)在于它需要被使用三次，以提供三相 AC輸出電壓.因此，它需要相當(dāng)大量的硬件.
還需要采用附加的硬件以同步三個(gè)AC輸出電壓，并進(jìn)行相移使它 們相互之間具有120。的相差。所述文章沒有公開將單相變換器應(yīng)用于多 相配置。因而，它沒有公開需要同步和相移以及用于它們的合適的硬 件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決如上所述的現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn).
本發(fā)明的以上目的可以通過采用如權(quán)利要求1所述的方法獲得.因 此，由于每個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器中的能量流，不需要短暫存儲(chǔ)由DC源產(chǎn)生 的能量.也不需要采用單獨(dú)的DC功率平滑電路以及它對(duì)每個(gè)相的控制. 該方法只可用于提供三相AC輸出.三相的同步是本發(fā)明的內(nèi)在屬性.
本發(fā)明的以上目的也可以通過采用如權(quán)利要求5所述的變換器獲 得.因此，從部件數(shù)目和部件尺寸的角度看，該變換器可通過少量的硬 件實(shí)現(xiàn)。它會(huì)減小制造、安裝以及維護(hù)變換器的成本.


通過以下的實(shí)例說明并結(jié)合附圖，本發(fā)明將更為顯而易見，其中 圖l是根據(jù)本發(fā)明的變換器的第一實(shí)施例的示意圖； 圖2是根據(jù)本發(fā)明的變換器的第二實(shí)施例的示意圖； 圖3到圖5中的每一個(gè)是三個(gè)DC輸出電壓的一個(gè)輸出以及對(duì)應(yīng)輸 出功率的時(shí)間圖6到圖8中的每一個(gè)是三對(duì)DC輸出電壓間三個(gè)差動(dòng)電壓的一個(gè) 輸出的時(shí)間圖9到圖11中的每一個(gè)是三個(gè)AC輸出電流的一個(gè)輸出的時(shí)間以及
困12是圖3到圖5中所示的輸出功率曲線以及它們的和的時(shí)間圖。
具體實(shí)施例方式
圖1中，附圖標(biāo)記2指根據(jù)本發(fā)明的變換器的笫一實(shí)施例.如以下 所進(jìn)一步具體說明，變換器2將DC (直流)輸入電壓轉(zhuǎn)換為三相AC (交 流)輸出電壓系統(tǒng).在該說明書中，相位由字母R、 S和T表示.具有 相同意思但不同相位的附圖標(biāo)記由相應(yīng)的相字母實(shí)現(xiàn).如果包含附圖標(biāo) 記的表述類似地適用于所有相位，則出于簡(jiǎn)化的緣故，所述字母R、 S 和T在此會(huì)被省略.只是作為示例，假定變換器被設(shè)計(jì)用于提供具有在 每相位與中立參考間230Vrms、頻率為50Hz以及間隔或周期時(shí)間為 20ms的AC輸出電壓.
變換器2具有兩個(gè)輸入端4和6以及三個(gè)輸出端8R、 8S和8T.輸 入端4和6被示為與DC電壓源9相連.具體而言，DC電壓源9是太陽 能電池陣列，其能在AC輸出周期期間提供實(shí)質(zhì)上恒定的輸入功率。輸 出端8R、 8S和8T被示為與三相電源或柵極IO相連，其對(duì)每個(gè)相分別 包括AC電壓源12R、 12S和12T.通常的中立參考點(diǎn)由接地符號(hào)13表 示。
變換器2對(duì)每個(gè)相R、 S和T包括相應(yīng)的DC/DC轉(zhuǎn)換器.對(duì)于如圖 l所示的笫一實(shí)施例，每個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器是加減型(buck-boost)的，其 包括電感14、第一開關(guān)16、第二開關(guān)18以及電容20.電感14和第一 開關(guān)16與DC輸入端4和6串聯(lián)相連.笫二開關(guān)18和電容20串聯(lián).該 串聯(lián)連接與電感14并聯(lián)。開關(guān)16和18可以是M0SFET。第二開關(guān)18 (它的漏極)和電容20的連接節(jié)點(diǎn)與DC/DC轉(zhuǎn)換器的DC輸出21連接。 已知，對(duì)如上所述一個(gè)相的電路，但由二極管22 (如幻線所示)取代笫 二開關(guān)18，且二極管的正極與電感14相連，為加減DC/DC轉(zhuǎn)換器。采 用該轉(zhuǎn)換器，第一開關(guān)16通過控制電路(未顯示)以高頻(如200kHz) 被交替打開與切斷。在第一開關(guān)16的導(dǎo)通態(tài)期間，電流流過電感14. 在該時(shí)間段，能量被作為磁場(chǎng)能存貯在電感14中。在切斷第一開關(guān)16(使它不導(dǎo)通)后，并當(dāng)采用所述二極管22取代笫二開關(guān)18時(shí)，通過 電感14的電流將繼續(xù)流動(dòng)，但現(xiàn)在流過不同的電路，其包括所述電感 14、電容20、與DC輸出21相連且與電容20并聯(lián)的可能外部負(fù)栽以及 所述二極管22.因此，在笫一開關(guān)16切斷期間，電容20將被來自電 感14的電流充電。通過電感14的電流會(huì)逐漸減小，對(duì)電容20充電引 起電容20上的DC輸出電壓幅度增加.所述幅度可以通過控制控制信號(hào) 的工作周期來控制，由此，笫一開關(guān)16由控制信號(hào)打開和切斷.因此， 可控制DC輸出電壓以具有作為時(shí)間函數(shù)的特定波形，該特定波形具有 的幅度比由DC源9提供的DC輸入電壓更低(減)或更高(加)。
如下文中顯而易見的，采用優(yōu)選的操作，DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出功率 在兩個(gè)AC輸出電壓的1/12時(shí)間段中是負(fù)的.為了允許這種DC/DC轉(zhuǎn)換 器中的雙向功率流，必須采用雙向開關(guān)18取代單向二極管22. MOSFET 開關(guān)18具有內(nèi)在的二極管，MOSFET的源極和體材料作為二極管的陽 極，而它的漏極作為二極管的陰極.對(duì)每個(gè)相R、 S和T，控制開關(guān)16 和18使得不在相同時(shí)間導(dǎo)通.
變換器2進(jìn)一步包括電容23，其與第一開關(guān)16并聯(lián)；電感24， 其與DC輸出21以及AC輸出8相連；以及電容26，其與AC輸出8連 接；以及公共中立節(jié)點(diǎn)，該公共中立節(jié)點(diǎn)由接地符號(hào)13表示。電容23
與其它部件一起用作高頻共振電路，通過該高頻共振電路可以減小開關(guān) 16的開關(guān)損耗.電感24與其它部件一起被用于使AC輸出8的AC輸出 電壓的波形成形.電容26對(duì)AC輸出電壓濾波.如果電容26被省略， 變換器仍能正常工作.
圖2示出根據(jù)本發(fā)明的變換器的第二實(shí)施例27，其與圖1中所示的 第一實(shí)施例的不同在于，電感14由變壓器28替代，該變壓器28包括 初級(jí)線圍29和次級(jí)線閨30.初級(jí)線閨29以圖1中電感的方式連接。 次級(jí)線團(tuán)30與第二開關(guān)18和電容20相連，使得電容與第二開關(guān)18以 及次級(jí)線團(tuán)30的串聯(lián)電路并聯(lián)，而不與DC輸入端4相連。因此，包括 所述初級(jí)線團(tuán)29的初級(jí)部分沒有與包括次級(jí)線團(tuán)30的次級(jí)部分相連的 電連接。這被用于DC輸入源9與電源IO的安全電隔離.
變換器2和27的開關(guān)16和18被脈沖寬度控制(PWM)，用于在DC 輸出21R、 21S和21T分別產(chǎn)生電容2 0R、 20S和20T上的DC輸出電壓 D。、 DCs和DCt，并分別具有如圖3、 4和5中實(shí)線所示的波形。每個(gè)所述波形具有相同的形狀，包括在AC輸出周期的1/3或120°這段時(shí)間振 幅為O的笫一部分，以及與笫一部分交替，在AC輸出周期的2/3或240° 這段時(shí)間振幅不為O的笫二部分.波形的第二部分的形狀符合褒蓋正弦 波形120。的初始部分與其后跟隨的覆蓋正弦波形60°-180°的部分的連 接。對(duì)于相應(yīng)的三個(gè)相R、 S和T的三個(gè)波形被相移使彼此具有120°的 相差。當(dāng)相互間減去具有如圖3、 4和5中所示波形的兩個(gè)DC輸出電壓 后，正弦波形結(jié)果將會(huì)如圖6、 7和8所示.如果AC輸出8R、 8S和8T 與外部設(shè)備特別是電源IO相連，AC電流將會(huì)流過對(duì)應(yīng)的電感24R、 24S 和24T，其將會(huì)對(duì)AC輸出波形產(chǎn)生與所述相互間減去DC輸出電壓相 同的效果.因此，三個(gè)電流lR、 Is和It將具有正弦波形，并被相移使彼 此具有120。的相差，如圖9、 lO和ll所示.如果變換器2、 27的輸出 與負(fù)載電阻相連，AC輸出8R、 8S和8T處的AC輸出電壓將分別分別 具有與對(duì)應(yīng)的AC電流lR、 Is和It相同的形狀和相位.
變換器2和27對(duì)應(yīng)每個(gè)相的輸出功率與DC輸出電壓相等，該DC 輸出電壓由通過對(duì)應(yīng)該相的電感24的電流倍增。對(duì)于輸出功率PR、 Ps 和PT的結(jié)果波形分別在圖3、 4和5中如虛線所示，當(dāng)對(duì)輸出功率PR、 Ps和PT的所述波形求和時(shí)，表示變換器2、 27的平均輸出功率Pav的平 直線如圖12所示.結(jié)果，DC電壓源9實(shí)質(zhì)上以恒定輸出功率與負(fù)栽相 連，該恒定輸出功率實(shí)際上與電壓源9可以提供的輸入功率相同.因此， 根據(jù)本發(fā)明的變換器2、 27在DC源9為諸如太陽能電池陣列的發(fā)電器 的情形中具有非常高的能效，而不需要大體積的電解電容，用于在脈沖 輸出功率的很長(zhǎng)時(shí)間中儲(chǔ)存來自DC源的能量.由于沒有所述電解電 容，根據(jù)本發(fā)明的變換器2、 27的制造成本將會(huì)降低，它的尺寸將會(huì)減 小，它的壽命將會(huì)增加，而不需要維護(hù)更換電解電容.
在振幅為0的DC輸出波形的所述笫一部分中，第一開關(guān)被設(shè)置為 未導(dǎo)通。在這段時(shí)間中，第二開關(guān)18被設(shè)置為并保持導(dǎo)通.結(jié)果，在 這段時(shí)間中不會(huì)發(fā)生開關(guān)損耗，這將增加變換器2、 27的效率，
要注意到，在由權(quán)利要求確定的本發(fā)明的范圍內(nèi)，可以進(jìn)行一些修 改。例如，圖3、 4和5中的DC輸出波形只是優(yōu)選實(shí)例。取決于AC輸 出波形的形狀(純正弦波或非純正弦波)，可以采用其它的DC輸出波 形。為了獲得恒定輸出功率Pav，只需要差動(dòng)電壓(DCr-DCs; DCs-DCt; DCt-DCr)是正弦的，此外，加減型(buck-boost)DC/DC轉(zhuǎn)換器
與逆向型DC/DC轉(zhuǎn)換器也只是示例，并可以被不同類型的DC/DC轉(zhuǎn)換 器所替代.
權(quán)利要求
1、一種用于將來自DC源(9)的DC(直流)輸入電壓轉(zhuǎn)換為具有AC輸出波形、AC輸出頻率和AC輸出周期的AC(交流)輸出電壓的方法，該方法包括將所述DC輸入電壓轉(zhuǎn)換為具有特定DC輸出波形的DC輸出電壓；將具有相反極性、相似的但進(jìn)行了時(shí)移的DC輸出電壓波形相結(jié)合，以提供相對(duì)參考電壓的AC輸出電壓，其特征在于所述DC輸入電壓被轉(zhuǎn)換為三個(gè)DC輸出電壓(DCR、DCS、DCT)，其中每一個(gè)對(duì)應(yīng)一個(gè)相(R、S、T)，并具有相同的但進(jìn)行了時(shí)移的波形，每個(gè)所述DC輸出電壓提供給對(duì)應(yīng)的電感(24)以提供該AC輸出電壓，且該波形使得當(dāng)相互間減去任何兩個(gè)所述的DC輸出電壓后，可以獲得具有所述AC輸出頻率的正弦波形。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的方法，其特征在于在所述AC輸出周期的120。的笫一部分中，每個(gè)所述DC輸出電壓 (DCr、 DCs、 DCt)為0，以及在所述AC輸出周期的剩余240°的第二 部分中，每個(gè)所述DC輸出電壓的波形符合具有AC輸出頻率并覆蓋正弦 波形0。-120°的第一部分與覆蓋所述該正弦波形60。-180°的第二部分間 的連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于所述DC輸入電壓的每個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換由對(duì)應(yīng)的加減轉(zhuǎn)換器實(shí)施.
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于所述DC輸入電壓的每個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換由對(duì)應(yīng)的逆向轉(zhuǎn)換器實(shí)施.
5. 用于將來自DC源(9)的DC (直流)輸入電壓轉(zhuǎn)換為具有AC 輸出波形、AC輸出頻率和AC輸出周期的AC (交流)輸出電壓的變換器 (2,27)，其包括DC/DC轉(zhuǎn)換器，用于將DC輸入電壓轉(zhuǎn)換為具有特定 DC輸出波形的DC輸出電壓；結(jié)合電路，用于將具有相反極性、相似的 但進(jìn)行時(shí)移的DC輸出電壓波形結(jié)合，以提供相對(duì)參考電壓的AC輸出 電壓，其特征在于所述變換器包括具有DC輸出(21R、 21S、 21T)的三個(gè)DC/DC轉(zhuǎn) 換器，用于將所述DC輸入電壓轉(zhuǎn)換為三個(gè)對(duì)應(yīng)的DC輸出電壓(DCR、 DCS、 DCT)，它們具有相同的但進(jìn)行了時(shí)移的波形，每個(gè)所述的DC輸出(21R、 21S、 21T)對(duì)應(yīng)三個(gè)相(R、 S、 T)中的每一個(gè)通過電感(24R、 24S、 24T)與相應(yīng)的AC輸出(8R、 8S、 8T) 相連接，且所述變換器進(jìn)一步被配置具有控制工具，用于通過以這樣一 種方法控制所述DC/DC轉(zhuǎn)換器以控制DC輸出電壓得形狀相互間減 去任何兩個(gè)所述的DC輸出電壓，產(chǎn)生具有所述AC輸出頻率的正弦波 形.
6. 根據(jù)權(quán)利要求5的變換器，其特征在于每個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器被控制用于使在所述AC輸出周期的120°的第一 部分中，它的DC輸出電壓的波形振幅為0，并使在所述AC輸出周期的 剩余240。的笫二部分中，所述振幅為非O，使得所述波形符合具有所述 AC輸出頻率并覆蓋正弦波形0°-120°的第一部分與覆蓋所述該正弦波形 60°-180°的第二部分間的連接.
7. 根據(jù)權(quán)利要求5或6的變換器，其特征在于每個(gè)所述DC/DC轉(zhuǎn)換器包括開關(guān)(18)，所述開關(guān)(18)與所述 DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出(21 )相連，且控制所述開關(guān)(18 )使其在它的DC 輸出電壓的波形的所述第一部分期間導(dǎo)通.
8. 根據(jù)權(quán)利要求5、 6或7的變換器，其特征在于 每個(gè)所述DC/DC轉(zhuǎn)換器為加減轉(zhuǎn)換器。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5、 6或7的變換器，其特征在于-. 每個(gè)所述DC/DC轉(zhuǎn)換器為逆向轉(zhuǎn)換器.
10. 根據(jù)權(quán)利要求8或9的變換器，其特征在于平行于每個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入側(cè)的開關(guān)(16)，連接了一個(gè)電 容(23)
11. 配置具有太陽能電池陣列以及根據(jù)權(quán)利要求5到10的變換器 的太陽能系統(tǒng).
全文摘要
用于將由DC源(9)提供的DC輸入電壓轉(zhuǎn)換為三相AC輸出的方法和變換器(2、27)，該DC源(9)特別是太陽能電池陣列。對(duì)每個(gè)相(R、S、T)，DC輸入電壓被轉(zhuǎn)換為具有特定波形的DC輸出電壓(DCR、DCS、DCT)。三個(gè)DC輸出電壓的波形是相同的，相互間時(shí)移了120°，并使得它們?cè)诒粶p去它們中的任意兩個(gè)后，能獲得正弦波形。每個(gè)DC輸出電壓的波形可以包括AC輸出周期的1/3或120°且振幅為0的第一部分以及隨后的AC輸出周期的2/3或240°的第二部分，在第二部分期間DC輸出電壓具有非0的振幅。
文檔編號(hào)H02M7/42GK101199108SQ200680003338
公開日2008年6月11日 申請(qǐng)日期2006年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月28日
發(fā)明者U·博克 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司