專利名稱：開(kāi)關(guān)損耗有所減少、使用壽命有所延長(zhǎng)的節(jié)省空間型逆變器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種逆變器，尤其是太陽(yáng)能逆變器。
背景技術(shù)：
使用再生能源時(shí)，往往需要將直流電壓源的能量饋入電網(wǎng)(例如三相電 網(wǎng))。為此須使用可將直流電轉(zhuǎn)變成交流電的逆變器。如果將太陽(yáng)能發(fā)電機(jī) 用作再生能源，用于將太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的能量饋入電網(wǎng)的逆變器就叫做 "太陽(yáng)能逆變器"或作為太陽(yáng)能逆變器被出售。
可購(gòu)得的太陽(yáng)能逆變器具有自換向脈沖控制變流器，這個(gè)自換向脈沖控 制變流器在其交流電壓側(cè)通過(guò)多相扼流電路與吸收再生能量的電網(wǎng)相連。這 個(gè)自換向脈沖控制變流器在其直流電壓側(cè)與至少一個(gè)電解電容器并聯(lián)連接。 這個(gè)自換向脈沖控制變流器的控制裝置的控制端與自換向脈沖控制變流器 的可斷開(kāi)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的控制輸入端導(dǎo)電相連，其中，輸入端上施加吸收 能量的電網(wǎng)的確定的相電壓和確定的相電流。
電解電容器在這種可購(gòu)得的太陽(yáng)能逆變器中的使用會(huì)使太陽(yáng)能逆變器 的使用壽命受到限制。這個(gè)使用壽命僅為幾萬(wàn)個(gè)工作小時(shí)。此外，這種太陽(yáng) 能逆變器還須使用占用較大空間的電源電感器。除此之外，控制裝置較為復(fù) 雜，因而成本較高。
這類可購(gòu)得的太陽(yáng)能逆變器例如用不間斷供電設(shè)備(又稱"UPS設(shè)備") 的逆變器建構(gòu)而成。借此可削減研制太陽(yáng)能逆變器所需的成本。UPS設(shè)備的逆變器適用于這第二種用途的原因在于， 一方面，UPS設(shè)備的逆變器同樣是
將來(lái)自于電池的能量饋入電網(wǎng)，另一方面，UPS設(shè)備包括一個(gè)整流器、 一個(gè) 電壓中間電路和一個(gè)逆變器等單個(gè)元部件。在此情況下，就可對(duì)UPS設(shè)備的
"逆變器"這一元部件加以利用。
發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種逆變器，借助這種逆變器可建構(gòu)成本更 低、更節(jié)省空間的太陽(yáng)能逆變器。
根據(jù)本發(fā)明，這個(gè)目的通過(guò)權(quán)利要求1的特征而達(dá)成。 如果所述逆變器具有一個(gè)線換向控制變流器，且所述線換向控制變流器 在其直流電壓側(cè)配有一個(gè)升壓變流器，在其交流電壓側(cè)配有一個(gè)濾波器，則 所述逆變器就無(wú)需再具有電解電容器和電源電感器。借此可顯著延長(zhǎng)逆變器 的使用壽命，大大減小其所需占用的空間。由于使用線換向控制變流器替換 自換向脈沖控制變流器，所以可用一個(gè)簡(jiǎn)單的控制裝置替換復(fù)雜的控制裝 置。這種簡(jiǎn)單的控制裝置只需使用吸收能量的電網(wǎng)的相電壓。
線換向控制變流器公開(kāi)自標(biāo)題為"基頻前端變流器(F3E ) —一無(wú)電解電 容器的直S危環(huán)節(jié)馬區(qū)動(dòng)變5危器(Fundamental Frequency Front End Converter (F3E) _ a DC-link drive converter without electrolytic capacitor)" 的論文，該論文刊登于研討會(huì)"PCIM 2003" ( 2003年5月，紐倫堡)的會(huì)議 論文集中。
因此，本發(fā)明是通過(guò)用升壓變流器(尤其是高頻同步升壓變流器)替換 負(fù)載側(cè)的自換向脈沖控制變流器來(lái)建構(gòu)這種無(wú)電容器電壓中間電路變流器 的太陽(yáng)能逆變器。這個(gè)升壓變流器的兩個(gè)輸入端接點(diǎn)可連接至太陽(yáng)能發(fā)電 機(jī)。借助這個(gè)升壓變流器可對(duì)所述逆變器進(jìn)行控制，使得太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)總是 處于"最大功率點(diǎn)"(MPP)這一工作點(diǎn)上。
根據(jù)本發(fā)明的逆變器的一種有利實(shí)施方式，所述升壓變流器在其輸入端配有一個(gè)電容器。借助這個(gè)電容器可對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電才幾在預(yù)定時(shí)間段內(nèi)的電壓 波動(dòng)進(jìn)行平衡。
如教科書中所寫，升壓變流器具有一個(gè)可斷開(kāi)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)、 一個(gè)去 耦二極管、 一個(gè)存儲(chǔ)電感器和一個(gè)濾波電容器，這些元部件以已知方式彼此 連接成一個(gè)升壓變流器。為了盡可能減小存儲(chǔ)電感器的結(jié)構(gòu)體積，對(duì)升壓變 流器進(jìn)行高頻同步。時(shí)鐘頻率越高，存儲(chǔ)電感器的結(jié)構(gòu)體積就越小?？蓴嚅_(kāi) 功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)損耗也會(huì)隨著時(shí)鐘頻率的升高而增大。為減小開(kāi)關(guān)損
開(kāi)關(guān)。舉例而言，將常關(guān)閉型的MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管(M0SFET)或用硅制成并 與碳化硅制二極管反向并聯(lián)的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)用作可斷開(kāi)功率 半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)。通過(guò)減小開(kāi)關(guān)損耗，升壓變流器的可斷開(kāi)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)只需 具有一個(gè)無(wú)需占用多大空間的冷卻裝置，從而使本發(fā)明逆變器的所需空間遠(yuǎn) 小于已知逆變器的所需空間。
下面借助附圖所示的本發(fā)明逆變器的實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)這個(gè)附圖中的等效電路圖所示，本發(fā)明的逆變器(尤其為太陽(yáng)能逆 變器)具有一個(gè)線換向控制變流器2,該線換向控制變流器2在其交流電壓 側(cè)具有一個(gè)濾波器6,在其直流電壓側(cè)具有一個(gè)升壓變流器4。升壓變流器4 在其輸出端與線換向控制變流器2的直流電壓側(cè)接點(diǎn)8和10相連。濾波器6 與線換向控制變流器2的交流電壓側(cè)接點(diǎn)12、 14和16導(dǎo)電相連。這些接點(diǎn) 12、 14和16上連接有一個(gè)需要從直流電壓源20 (例如為一再生能源)吸收 能量的電網(wǎng)18。
在其直流電壓側(cè)使線換向控制變流器2與所述逆變器的直流電壓側(cè)接點(diǎn)22和24導(dǎo)電相連的升壓變流器4具有一個(gè)可斷開(kāi)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)T s、 一個(gè) 去耦二極管1、 一個(gè)存儲(chǔ)電感器Ls和一個(gè)濾波電容器(^,其中，接點(diǎn)22和 24可連接至直流電壓源20?？蓴嚅_(kāi)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)Ls與去耦二極管DHS串聯(lián) 導(dǎo)電連接。濾波電容器(^與這個(gè)串聯(lián)連接結(jié)構(gòu)并聯(lián)。在此情況下，濾波電 容器Q也與線換向控制變流器2的直流電壓側(cè)接點(diǎn)8和10并聯(lián)導(dǎo)電連接。 可斷開(kāi)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)Ls與去耦二極管DHs所構(gòu)成的串聯(lián)電路中的節(jié)點(diǎn)26 通過(guò)存儲(chǔ)電感器Ls與所述逆變器的直流電壓側(cè)接點(diǎn)22導(dǎo)電相連。如果將太 陽(yáng)能發(fā)電機(jī)用作直流電壓源20，所提供的直流電壓U。c;就會(huì)在預(yù)定時(shí)間段(當(dāng) 日)內(nèi)發(fā)生波動(dòng)。為能大體消除這種電壓波動(dòng)，逆變器的直流電壓側(cè)接點(diǎn)22 和24上并聯(lián)導(dǎo)電連接有一個(gè)第二濾波電容器CC2。
線換向控制變流器2具有用作功率變流閥Tl..... T6的可斷開(kāi)功率半
導(dǎo)體開(kāi)關(guān)28,這些特定而言為絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的可斷開(kāi)功率半 導(dǎo)體開(kāi)關(guān)分別與一個(gè)二極管30反向并聯(lián)導(dǎo)電連接。每?jī)蓚€(gè)功率變流閥Tl和 T2、 T3和T4、 T5和T6構(gòu)成一個(gè)橋接旁路，這個(gè)橋接旁路又稱為功率變流相 R、 S、 T。每個(gè)功率變流相R、 S、 T的彼此串聯(lián)導(dǎo)電連接的功率變流閥Tl和 T2、 T3和T4、 T5和T6之間的節(jié)點(diǎn)分別構(gòu)成線換向控制變流器2的一個(gè)交流 電壓側(cè)接點(diǎn)12、 14、 16。這些接點(diǎn)12、 14和16—方面與濾波器16相連， 另一方面與吸收能量的電網(wǎng)18相連。
濾波器6具有三個(gè)采用星形接法的電容器C1、 C2和C3。這些電容器也 可采用三角形接法。此外，濾波器6還具有三個(gè)分別與一個(gè)電容器C1、 C2、 C3串聯(lián)的阻尼電阻器Rl、 R2和R3。
為能對(duì)線換向控制變流器2的功率變流閥Tl..... T6的可斷開(kāi)功率半
導(dǎo)體開(kāi)關(guān)28進(jìn)行控制，設(shè)置有一個(gè)控制裝置32。控制裝置32所產(chǎn)生的控制 信號(hào)對(duì)功率變流閥Tl、…、T6的可斷開(kāi)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)28進(jìn)行控制，使得 這些可斷開(kāi)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)在對(duì)應(yīng)的反向并聯(lián)二極管30導(dǎo)通時(shí)也開(kāi)始導(dǎo)通。 也就是在自然換向時(shí)間點(diǎn)(兩個(gè)相電壓的交點(diǎn)；相間電網(wǎng)電壓的幅值等于零)分別產(chǎn)生一個(gè)控制信號(hào)。在此情況下，線換向控制變流器2的每個(gè)可斷開(kāi)功 率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)28在與其反向并聯(lián)的二極管30的通電時(shí)間內(nèi)均處于導(dǎo)通狀
態(tài)。通過(guò)對(duì)線換向控制變流器2的功率變流閥Tl..... T6的可斷開(kāi)功率半
導(dǎo)體開(kāi)關(guān)28進(jìn)行這種電網(wǎng)頻率控制，可隨時(shí)對(duì)線換向控制變流器2進(jìn)行反 饋。控制裝置32的實(shí)施方式可/人例如DE 199 13 634 Al中獲取。
這個(gè)線換向控制變流器與濾波器6共同構(gòu)成一個(gè)所謂的基頻前端(F3E )。 如前文所述，專題研討會(huì)"PCIM 2003"的會(huì)議論文集中對(duì)無(wú)電容器電壓中 間電路變流器進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，這種電壓中間電路變流器除了負(fù)載側(cè)自換向 脈沖控制變流器外，還具有用作網(wǎng)側(cè)功率變流器的F3E功率變流器。
為了盡可能減小升壓變流器4的存儲(chǔ)電感器Ls的結(jié)構(gòu)體積，以便能用所 述逆變器(尤其為太陽(yáng)能逆變器)內(nèi)部的較小空間來(lái)安裝這個(gè)存儲(chǔ)電感器， 用高頻對(duì)升壓變流器4的可斷開(kāi)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)Ls進(jìn)行同步。為能對(duì)高時(shí) 鐘頻率進(jìn)行轉(zhuǎn)換，^沒(méi)置一個(gè)MOSFET或一個(gè)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)。在附 圖所示的本發(fā)明逆變器的等效電路圖中，設(shè)置有一個(gè)N溝道增強(qiáng)型MOSFET, 用作可斷開(kāi)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)Ls。為減小高時(shí)鐘頻率情況下的開(kāi)關(guān)損耗，將用 碳化硅制成的MOSFET和JFET用作可斷開(kāi)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)THS。此外還可將 IGBT用作可斷開(kāi)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)T s。為使后者具有轉(zhuǎn)換高時(shí)鐘頻率的能力， 用硅制備該IGBT，用碳化硅制備相應(yīng)的反向并聯(lián)二極管。借助這個(gè)升壓變流 器4可將濾波電容器Cw上的直流電壓控制成已整流的電網(wǎng)電壓的值。通過(guò) 這種方式，作為直流電壓源20連接在所述逆變器(尤其為太陽(yáng)能逆變器) 的直流電壓側(cè)接點(diǎn)22和24上的太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)就可以總是在工作點(diǎn)MPP上進(jìn) 行工作。
通過(guò)以本發(fā)明的這種建構(gòu)方式對(duì)逆變器(尤其為太陽(yáng)能逆變器)進(jìn)行建 構(gòu)， 一方面可顯著延長(zhǎng)逆變器的使用壽命，另一方面可使這種逆變器的制備 成本遠(yuǎn)低于可購(gòu)得的逆變器的制備成本。此外，本發(fā)明的逆變器的所需空間 也顯著減小。
權(quán)利要求
1. 一種逆變器，所述逆變器具有一個(gè)升壓變流器(4)、一個(gè)線換向控制變流器(2)和一個(gè)濾波器(6)，其中，所述濾波器(6)與所述線換向控制變流器(2)的交流電壓側(cè)接點(diǎn)(12，14，16)相連，所述升壓變流器(4)在其輸出端與所述線換向控制變流器(2)的直流電壓側(cè)接點(diǎn)(8，10)相連，所述線換向控制變流器(2)的每個(gè)相(R，S，T)上均具有一個(gè)用作功率變流閥(T1，T2；T3，T4；T5，T6)的帶有一反向并聯(lián)二極管(30)的可斷開(kāi)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(28)，這些可斷開(kāi)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(28)在其控制端與一控制裝置(32)相連，所述控制裝置的輸入端上施加電網(wǎng)(18)的確定的相電壓。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的逆變器，其特征在于， 所述升壓變流器(4)在其輸入端配有一個(gè)電容器(CC2)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1和2中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的逆變器，其特征在于， 所述升壓變流器(4)具有一個(gè)可斷開(kāi)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(THS)、 一個(gè)去耦二極管(DHS)、 一個(gè)存儲(chǔ)電感器(Ls)和一個(gè)濾波電容器(Cei)，其中，所述 可斷開(kāi)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(THS)與所述去耦二極管(D s)串聯(lián)導(dǎo)電連接，所述 濾波電容器(C。，)與該串聯(lián)連接結(jié)構(gòu)并聯(lián)導(dǎo)電連接， 一個(gè)輸入端接點(diǎn)(22) 通過(guò)所述存儲(chǔ)電感器(Ls)與所述可斷開(kāi)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(T s)和所述去耦 二極管(DHS)之間的節(jié)點(diǎn)(26)相連。
4. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的逆變器，其特征在于， ^是供一個(gè)自阻斷的M0S場(chǎng)效應(yīng)晶體管用作所述升壓變流器(4)的可斷開(kāi)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(THS)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的逆變器，其特征在于， 提供一個(gè)絕緣柵雙極型晶體管用作所述升壓變流器(4)的可斷開(kāi)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(Ls)，所述絕緣柵雙極型晶體管用硅制成，并帶有一個(gè)用碳化 硅制成的反向并聯(lián)二極管。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的逆變器，其特征在于， 常關(guān)閉型的M0S場(chǎng)效應(yīng)晶體管用碳化硅制成。
7. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的逆變器，其特征在于， 所述交流電壓側(cè)的濾波器(6)具有三個(gè)采用星形接法的電容器(Cl，C2, C3)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的逆變器，其特征在于， 所述交流電壓側(cè)的濾波器(6)具有三個(gè)采用三角形接法的電容器(Cl，C2， C3)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的逆變器，其特征在于， 所述交流電壓側(cè)的濾波器(6)的每個(gè)電容器(Cl， C2， C3)均與一個(gè)阻尼電阻器(Rl， R2， R3)串聯(lián)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的逆變器，其特征在于， 提供一個(gè)薄膜電容器用作濾波電容器(CC1)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種逆變器，尤其是太陽(yáng)能逆變器。根據(jù)本發(fā)明，所述逆變器具有一個(gè)升壓變流器(4)、一個(gè)線換向控制變流器(2)和一個(gè)濾波器(6)，其中，所述濾波器(6)與所述線換向控制變流器(2)的交流電壓側(cè)接點(diǎn)(12，14，16)相連，所述升壓變流器(4)在其輸出端與所述線換向控制變流器(2)的直流電壓側(cè)接點(diǎn)(8，10)相連，所述線換向控制變流器(2)的每個(gè)相(R，S，T)上均具有一個(gè)用作功率變流閥(T1，T2；T3，T4；T5，T6)的帶有反向并聯(lián)二極管(30)的可斷開(kāi)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(28)，所述可斷開(kāi)功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(28)在其控制端與一個(gè)控制裝置(32)相連，所述控制裝置的輸入端上施加有電網(wǎng)(18)的確定的相電壓。借此獲得成本更低、更為節(jié)省空間的逆變器，尤其是太陽(yáng)能逆變器。
文檔編號(hào)H02M7/539GK101416375SQ200780010972
公開(kāi)日2009年4月22日 申請(qǐng)日期2007年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月7日
發(fā)明者庫(kù)爾特·戈普弗里奇 申請(qǐng)人:西門子公司