專利名稱：Dc到ac變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
DC到AC變換器
技術(shù)領(lǐng) 域本實(shí)用新型涉及DC到AC變換器，尤其涉及具有低損耗的變換器拓?fù)洹?
背景技術(shù)：
近年來，可再生能源對于產(chǎn)生電能來說變得越來越具有吸引力。取代大型發(fā)電廠， 可以使用可再生能源以分布方式來產(chǎn)生電能，其中可再生能源例如是太陽能和風(fēng)能。在大 多數(shù)情況下，來自光伏板(PV板)和風(fēng)車的電能本身不能使用，該能量必須被變換成適于消 耗或適于饋送到電網(wǎng)。該電能變換應(yīng)該高效地實(shí)現(xiàn)，使得在變換過程中發(fā)生的損耗保持為 最小。通常，電能被變換成具有固定幅度和頻率的交流電壓，使得該能量可以被饋送到電網(wǎng) 或直接通過能夠利用電網(wǎng)電壓來操作的電器來消耗。PV板具有到地的大電容。在設(shè)計(jì)逆變器結(jié)構(gòu)時(shí)必須考慮該電容。如果共模電壓出 現(xiàn)在逆變器的輸出端，則高頻共模電流可能流過電容并可能損壞該板。適合與PV板連接使 用的逆變器可以被劃分成隔離型拓?fù)浜头歉綦x型拓?fù)洹Ｔ诟綦x型拓?fù)渲校儔浩饔糜趯V 板與產(chǎn)生到逆變器輸出端的電壓隔離，由此斷開共模電流的電流路徑。隔離結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是 該變壓器，該變壓器是龐大且昂貴的組件。在非隔離型結(jié)構(gòu)中，通過使用開關(guān)部件來避免共模電流，使得不產(chǎn)生對共模電壓 的擾動(dòng)或者使得在特定時(shí)間段中輸出端和輸入端被分離。典型的非隔離型逆變器拓?fù)溆蓛杉墭?gòu)成。第一級用于跟蹤來自PV板的最大功率， 并產(chǎn)生用于第二級的DC電壓。作為逆變級的第二級產(chǎn)生具有固定頻率和幅度的交流電壓。 逆變級通常被實(shí)現(xiàn)成脈寬調(diào)制(PWM)橋，其在逆變器輸出端產(chǎn)生兩個(gè)或更多個(gè)電壓電平。 為了減小無源部件(如濾波電感)的尺寸，逆變器的調(diào)制頻率通常高，這導(dǎo)致了高的切換損 耗，降低了系統(tǒng)的總效率。另外，由于逆變器端子和地電位之間的雜散電容，高頻PWM電壓 可能產(chǎn)生共模電流，這可能導(dǎo)致系統(tǒng)中的問題。文獻(xiàn)WO 08/015298 Al公開了與低頻逆變器連接的三級降壓(Buck)變換器。該 拓?fù)涞闹麟娐肥境鲈趫D1中。在該拓?fù)渲校祲鹤儞Q器使用脈寬調(diào)制，并且電壓源逆變器 (VSI)在供電基頻處操作，將通過降壓變換器產(chǎn)生的輸出DC電壓逆變成AC電壓。通過調(diào)整 降壓變換器的電壓基準(zhǔn)來控制供電電流。但是，即使在基頻處進(jìn)行逆變器的切換，逆變橋的反并聯(lián)二極管仍然在高頻處切 換。此外，由于逆變器在其AC端子處產(chǎn)生PWM電壓，所以高頻共模電壓可能產(chǎn)生有害的共 模電流。而且，如果逆變器的供電電流和輸出基波電壓之間的位移角大于幾度，則逆變器的 切換產(chǎn)生大的電壓尖峰，這是因?yàn)殡娏髟谇袚Q瞬間不為零。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供DC到AC的變換器來解決上述問題。本實(shí)用新型提供一種用于將DC電壓變換成AC電壓的變換器，該變換器包括DC到 DC變換器，其中該變換器包括逆變器，用于將由DC到DC變換器提供的DC電壓逆變成AC電壓，其中該逆變器操作于所產(chǎn)生的AC電壓的基頻，以及DC到DC變換器是三級降壓變換器， 該三級降壓變換器包括串聯(lián)連接的兩個(gè)可控開關(guān)，該串聯(lián)連接的第一端形成DC到DC變換 器的正輸入點(diǎn)，該串聯(lián)連接的第二端形成DC到DC變換器的正輸出點(diǎn)，開關(guān)的極性為使得它 們允許電流從正輸入點(diǎn)流到正輸出點(diǎn)；在DC到DC變換器的正輸出點(diǎn)和負(fù)總線之間串聯(lián)連 接的兩個(gè)二極管，兩個(gè)二極管的極性為使得它們允許電流從負(fù)總線流到正輸出點(diǎn)；以及電 容器，其第一端子連接到可控開關(guān)之間的點(diǎn)，第二端子連接到兩個(gè)二極管之間的點(diǎn)。
優(yōu)選地，在本實(shí)用新型的變換器中，逆變器是電流控制電壓源逆變器。優(yōu)選地，在本實(shí)用新型的變換器中，逆變器的輸出端配備有電感器。優(yōu)選地，在本實(shí)用新型的變換器中，逆變器是電流源逆變器。優(yōu)選地，在本實(shí)用新型的變換器中，逆變器包括連接在所述DC到DC變換器的輸出 端和逆變器的輸入端之間的電感器。優(yōu)選地，在本實(shí)用新型的變換器中，流過電感器的逆變器的輸入電流被利用DC到 DC變換器的電壓來控制，并且該逆變器的切換與輸入電流零點(diǎn)同步。優(yōu)選地，在本實(shí)用新型的變換器中，逆變器的輸出端配備有LC濾波器。優(yōu)選地，在本實(shí)用新型的變換器中，DC到AC變換器還包括升壓電路，該升壓電路 適于提高DC源電壓，該升壓電路的輸出端被連接到所述DC到DC變換器的輸入端。本實(shí)用新型基于使用包括兩級或更多級的變換器拓?fù)洹］敵黾売稍陔娋W(wǎng)頻率處切 換的逆變器形成，將DC電壓饋送到逆變器的級由具有飛電容的三級降壓變換器形成。在三 級降壓變換器中使用飛電容拓?fù)洳恍枰?lián)連接的電容器中的電壓平衡。本實(shí)用新型的逆變級可以被實(shí)現(xiàn)成電壓源逆變器(VSI)或電流源逆變器(CSI)。本實(shí)用新型的變換器的優(yōu)點(diǎn)在于由于變換器的結(jié)構(gòu)，損耗進(jìn)一步被最小化。在開 關(guān)部件中損耗被最小化是因?yàn)樵谀孀兤鞑糠种械拈_關(guān)部件不需要反并聯(lián)二極管。此外，使用具有飛電容的三級變換器不需要平衡電容器的電壓。三級DC電壓一般 通過使用也在圖1中公開的具有中間抽頭的串聯(lián)連接的電容器來產(chǎn)生。這些種類的結(jié)構(gòu)需 要主動(dòng)在電容器之間對電壓進(jìn)行平衡，由此使得對于有源開關(guān)部件的控制更加復(fù)雜。由于利用供給逆變器的變換器來產(chǎn)生三個(gè)電壓等級，所以逆變器的輸出由五個(gè)電 壓等級構(gòu)成。隨著電壓等級的數(shù)量增加，使電壓和電流波形符合正弦曲線所需的濾波數(shù)量 減少。這意味著更小且更便宜的無源部件。

下面將參考附圖、借助于優(yōu)選實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行更加詳細(xì)的描述，其中圖1是現(xiàn)有技術(shù)的電路；圖2示出了本實(shí)用新型的實(shí)施例的主電路，其中逆變器被實(shí)現(xiàn)成電壓源逆變器；圖3示出了圖2的實(shí)施例的輸入升壓變換器的仿真電流；圖4示出了圖2的實(shí)施例的升壓變換器的仿真輸出電壓波形；圖5示出了圖2的實(shí)施例的逆變器的仿真輸出電壓；圖6示出了利用圖2的實(shí)施例獲得的仿真線電壓和電流；圖7示出了圖2的實(shí)施例的仿真逆變器開關(guān)部件電壓；圖8示出了本實(shí)用新型的實(shí)施例的主電路，其中逆變器被實(shí)現(xiàn)成電流源逆變器；[0031]圖9示出了圖8的實(shí)施例的仿真供電電壓；圖10示出了圖8的實(shí)施例的仿真AC電容器電壓；圖11示出了圖8的實(shí)施例的仿真供電電流；圖12示出了圖8的實(shí)施例的仿真DC側(cè)電感器電流；以及 圖13示出了圖8的實(shí)施例的三級降壓變換器的仿真輸出電壓。
具體實(shí)施方式
圖2示出了本實(shí)用新型的實(shí)施例，其中逆變級，即輸出級3被實(shí)現(xiàn)成電壓源逆變 器。第一級1，即三級升壓變換器在圖2中示出為用于將本實(shí)用新型的變換器連接到DC電 源電壓的可選項(xiàng)。如所述，升壓變換器連接到DC電源電壓，并且升壓變換器從電壓源產(chǎn)生 穩(wěn)定的電壓。電壓源可以是燃料電池、發(fā)電機(jī)的整流輸出、被連接以提供DC電壓或任何其 他DC電壓源的一個(gè)或多個(gè)太陽能電池。第一級的其它用途是用作最大功率點(diǎn)跟蹤器，其用 于從DC源(如從太陽能電池板)提取最大功率。圖3示出了在啟動(dòng)設(shè)備期間在升壓變換 器中測量的仿真電流波形，圖4示出了升壓變換器的輸出電壓。圖2中所示的三級升壓變 換器的操作本來是已知的，因此在這里將其省略。作為第二級，即從升壓變換器接收DC電壓的第二級，提供了具有飛電容的三級降 壓變換器。降壓變換器的正輸入點(diǎn)4被連接到來自于升壓變換器的DC電壓的正電壓，降壓 變換器的負(fù)總線5被連接到來自于升壓變換器的DC電壓的負(fù)電壓。三級降壓變換器包括串聯(lián)連接的第一和第二受控開關(guān)部件S1、S2。受控開關(guān)例如 可以是IGBT。這些部件串聯(lián)連接，使得第一開關(guān)部件的集電極形成正輸入點(diǎn)4，第一部件的 發(fā)射極被連接到第二部件的集電極。第二開關(guān)部件的發(fā)射極還形成降壓變換器的正輸出 點(diǎn)8。三級降壓還包括在降壓變換器的負(fù)總線5和正輸出點(diǎn)8之間串聯(lián)連接的兩個(gè)二極 管D1、D2。兩個(gè)二極管以相同的極性串聯(lián)連接，使得電流可以從負(fù)總線流到正輸出點(diǎn)。該 三級降壓變換器還包括電容器Cl，該電容器Cl的一個(gè)端子連接在開關(guān)部件S1、S2之間，而 另一個(gè)端子連接在二極管D1、D2之間。三級降壓變換器的操作如下。如所述，變換器具有兩個(gè)受控開關(guān)部件Sl和S2?？?制兩個(gè)開關(guān)的基本原理是給予這兩個(gè)部件具有180度相移的相似控制。這樣，當(dāng)該開關(guān)的 占空比低于50%時(shí)，兩開關(guān)在不同時(shí)間導(dǎo)通。當(dāng)該開關(guān)的占空比低于50%并且開關(guān)Sl導(dǎo) 通時(shí)，來自降壓變換器的輸出電壓是到降壓變換器的輸入電壓減去電容器Cl的電壓。在操 作期間，電容器電壓穩(wěn)定到降壓變換器的輸入電壓的一半。另一方面，當(dāng)開關(guān)S2導(dǎo)通時(shí)，降 壓變換器的輸出端的電壓是電容器電壓。這樣，在占空比低于50%的情況下，當(dāng)任何一個(gè)開 關(guān)導(dǎo)通時(shí)，降壓變換器的輸出是到該降壓變換器的輸入電壓的一半，而當(dāng)開關(guān)處于阻斷狀 態(tài)時(shí)，降壓變換器的輸出為零。在占空比為50%或50%以上時(shí)，開關(guān)S1、S2中的一個(gè)或兩個(gè)導(dǎo)通。當(dāng)僅有一個(gè)開 關(guān)導(dǎo)通時(shí)，情況如上，并且等于輸入電壓的一半的電壓與降壓變換器的輸出端連接。當(dāng)兩個(gè) 開關(guān)Sl和S2均導(dǎo)通時(shí)，輸出端的電壓與輸入電壓相同。這樣，輸出端的電壓幅度是輸入電 壓的一半或等于輸入電壓。因此，當(dāng)開關(guān)的占空比改變時(shí)，三級降壓變換器產(chǎn)生對應(yīng)于零、 輸入電壓的一半或輸入電壓的電壓等級。[0042]三級降壓變換器的輸出端還連接到逆變級3的輸入端。逆變器操作于輸出電壓的 基頻。輸出電壓是指由逆變器產(chǎn)生的電壓，并且該逆變器于是僅對由降壓變換器產(chǎn)生的DC 電壓的電壓波形的一半進(jìn)行轉(zhuǎn)換。如在圖2中所見，逆變器包括連接在降壓變換器的正輸 出端和負(fù)輸出端之間的兩對開關(guān)部件。逆變器的開關(guān)成對受控，使得開關(guān)S3和S6同時(shí)被 控制導(dǎo)通，并且分別地，開關(guān)S4和S5同時(shí)被控制導(dǎo)通。如在圖2中所見，變換器的每個(gè)開 關(guān)包括串聯(lián)連接的二極管D3、D4、D5、D6。這些二極管用于阻斷反向電壓。參考圖5和圖7可以更好地理解本實(shí)用新型的功能。圖5示出了逆變級輸出端的 電壓。逆變器將由降壓變換器產(chǎn)生的DC電壓的一半進(jìn)行逆變以便于從三級DC電壓獲得五 級AC電壓。這樣，如果零之下的半波被整流，則來自于降壓變換器的輸出電壓是圖5的波 形。圖7示出了逆變器的一個(gè)開關(guān)部件上的電壓的波形以及通過該開關(guān)部件的電流。從圖 7可見，該開關(guān)在輸出電壓周期的一半導(dǎo)通，并在該周期的另一半阻斷。當(dāng)逆變器的輸出端連接到電網(wǎng)用于饋送電力時(shí)，輸出電壓應(yīng)當(dāng)被濾波。圖2示出 了在逆變器和電網(wǎng)之間、被連接到逆變器的輸出端的電感Li、L2。圖6示出了經(jīng)過電感之 后的仿真電流和電壓波形，可以看出，電壓和電流波形兩者很符合正弦曲線。 如果需要對切 換頻率電流紋波進(jìn)行更好地衰減，逆變器輸出端的濾波器可以被實(shí)現(xiàn)為LCL型結(jié)構(gòu)。逆變器優(yōu)選地操作于單位功率因數(shù)，這意味著電網(wǎng)電壓和逆變器電流必須彼此同 相。為了產(chǎn)生用于逆變器的電流基準(zhǔn)，電網(wǎng)電壓的相角例如必須利用鎖相環(huán)來確定。為了電 流控制，饋送到電網(wǎng)的AC電流被測量。于是電流控制器跟蹤AC變量。電流幅度通過MPPT 來給出，這保證了逆變器以最有效的方式與PV板一起操作。逆變器3的切換瞬間與逆變器電流的過零點(diǎn)同步，S卩，與電網(wǎng)電壓的過零點(diǎn)同步。 由于逆變器對PWM電壓進(jìn)行逆變，所以切換導(dǎo)致電壓尖峰，這是針對逆變器的IGBT的反向 電壓尖峰。為了防止損壞IGBT部件，逆變器需要反向電壓阻斷與IGBT串聯(lián)的的二極管D3、 D4、D5、D6。根據(jù)本實(shí)用新型的另一個(gè)實(shí)施例，變換器的逆變器被實(shí)現(xiàn)成電流源逆變器。圖8 示出了具有電流源逆變級的變換器的實(shí)現(xiàn)。當(dāng)與圖2進(jìn)行比較時(shí)，僅逆變器的結(jié)構(gòu)被改變。 該結(jié)構(gòu)通過以下方式來改變將電感L4插入到逆變器的正輸入端。在電流源逆變器的情況下，可以利用降壓變換器的輸出電壓在逆變器的DC側(cè)控 制逆變器的電流。DC側(cè)電感器電流波形具有全波整流的正弦曲線電流的形狀，AC側(cè)電流是 通過利用電流源逆變器來對DC側(cè)電流進(jìn)行逆變而形成的。在DC側(cè)電流控制中，電感L4的 DC電流被測量并控制到希望的值。如果期望，電流控制還可以在AC側(cè)實(shí)現(xiàn)，如在電壓源逆 變器的情況中那樣。在電流源逆變器中，有源開關(guān)的切換與DC側(cè)電流的零點(diǎn)同步。這意味著當(dāng)逆變器 的輸入端的電流下降到零時(shí)，逆變器的狀態(tài)改變。這還意味著逆變器中的切換損耗幾乎為零。由于上述實(shí)施例中的變換器的控制是基于DC電流，所以不根據(jù)任何模式來產(chǎn)生 輸出電壓波形?？刂迫壗祲鹤儞Q器以形成給出希望電流的電壓。換句話說，電流控制器 控制三級降壓變換器產(chǎn)生希望的電流。由于在大多數(shù)情況下希望電流的波形是正弦曲線， 所以產(chǎn)生的電壓也通常是正弦曲線。圖9示出了使用圖8的電路的仿真供電電壓波形。禾Ij 用變換器輸出端的電容器和電感器來對供電電壓進(jìn)行濾波。如圖9可見，輸出電壓是正弦曲線。圖10還示出了濾波電容器C2的電壓，圖11示出了供電電流的仿真波形，該供電電 流被控制成具有正弦波形。從圖12中更清楚地看出對電流的控制，圖12示出了仿真的DC側(cè)電感器電流。從 該波形中看出，電流具有小的紋波分量，其最大值位于最高幅度點(diǎn)。利用輸出端濾波器結(jié)構(gòu) 有效地消除了來自電流的紋波。圖13示出了來自三級降壓變換器的輸出電壓。由于在逆 變器輸出端的電壓不是PWM電壓，所以該拓?fù)洳划a(chǎn)生高頻共模電壓。具有電流源逆變器的本實(shí)用新型的仿真利用以下參數(shù)和選擇部件來實(shí)現(xiàn)。仿真 系統(tǒng)的額定功率是3kW，并且該仿真是在沒有升壓變換器1的情況下全功率實(shí)現(xiàn)的。逆變 器被連接到230V和50Hz的單相電源，輸入DC電壓是400V。降壓變換器使用25kHz的調(diào) 制頻率來操作。dc側(cè)電感器L4的電感為lmH(1.8% p.u.)，ac側(cè)電感器(L3)的電感為 200 μ H (0. 4% p. u.)。輸入端電容器C3、降壓變換器中的電容器Cl和ac側(cè)電容器C2的電 容分別是 ImF (5. 5p. u. )、100 μ F (0· 6ρ· u.)以及 1 μ F (0· 6 % p. u.)。
當(dāng)DC到AC變換器向電網(wǎng)供應(yīng)功率時(shí)，該變換器的逆變器需要與電網(wǎng)同步。這通 過確定電網(wǎng)的相位和頻率以及將利用逆變器產(chǎn)生的電流與電網(wǎng)相位同步來實(shí)現(xiàn)。此外，為 了將功率饋送到電網(wǎng)，通過DC到AC變換器產(chǎn)生的電壓必須略高于電網(wǎng)電壓。當(dāng)電壓源的 電壓不夠高時(shí)，將使用圖2和圖8中的三級升壓變換器的第一級。為了提升輸入電壓，其它 類型的變換器也可以使用。以上引用了光伏板。清楚的是，饋送到本實(shí)用新型的變換器的DC電壓可以利用多 個(gè)PV板、這種板的串或陣列來產(chǎn)生。隨著技術(shù)的發(fā)展，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說明顯的是，可以利用各種方式來實(shí)現(xiàn) 本實(shí)用新型的概念。本實(shí)用新型及其實(shí)施例不僅限于上述實(shí)例，而是可以在權(quán)利要求的范 圍內(nèi)變化。
權(quán)利要求1.一種用于將DC電壓變換成AC電壓的變換器，該變換器包括DC到DC變換器(2)，其 特征在于該變換器包括逆變器(3)，用于將由DC到DC變換器⑵提供的DC電壓逆變成AC電壓，其中該逆變 器操作于所產(chǎn)生的AC電壓的基頻，以及DC到DC變換器⑵是三級降壓變換器，包括串聯(lián)連接的兩個(gè)可控開關(guān)(Si、S2)，該串聯(lián)連接的第一端形成DC到DC變換器的正輸 入點(diǎn)G)，該串聯(lián)連接的第二端形成DC到DC變換器的正輸出點(diǎn)(8)，開關(guān)(S1、S2)的極性 為使得它們允許電流從正輸入點(diǎn)流到正輸出點(diǎn)；在DC到DC變換器的正輸出點(diǎn)⑶和負(fù)總線(5)之間串聯(lián)連接的兩個(gè)二極管(D1、D2)， 所述兩個(gè)二極管的極性為使得它們允許電流從負(fù)總線(5)流到正輸出點(diǎn)(8)；以及電容器(Cl)，其第一端子連接到可控開關(guān)(Si、S2)之間的點(diǎn)，第二端子連接到所述兩 個(gè)二極管(D1、D2)之間的點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變換器，其特征在于所述逆變器C3)是電流控制電壓源逆 變器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的變換器，其特征在于所述逆變器的輸出端配備有電感器 (L1、L2)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變換器，其特征在于所述逆變器C3)是電流源逆變器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的變換器，其特征在于所述逆變器包括連接在所述DC到DC變 換器O)的輸出端和所述逆變器(3)的輸入端之間的電感器(L4)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的變換器，其特征在于流過所述電感器(L4)的所述逆變器的 輸入電流被利用所述DC到DC變換器的電壓來控制，并且該逆變器的切換與輸入電流零點(diǎn) 同步。
7.根據(jù)權(quán)利要求4到6的任一權(quán)利要求所述的變換器，其特征在于所述逆變器的輸 出端配備有LC濾波器(C2，L3)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1到6的任一權(quán)利要求所述的變換器，其特征在于所述DC到AC變 換器還包括升壓電路，該升壓電路適于提高DC源電壓，該升壓電路的輸出端被連接到所述 DC到DC變換器的輸入端。
專利摘要提供了DC到AC變換器。一種用于將DC電壓變換成AC電壓的變換器，該變換器包括DC到DC變換器；逆變器，用于將由DC到DC變換器提供的DC電壓轉(zhuǎn)換成AC電壓，其中該逆變器操作于所產(chǎn)生的AC電壓的基頻，并且DC到DC變換器是三級降壓變換器，包括串聯(lián)連接的兩個(gè)可控開關(guān)，該串聯(lián)連接的第一端形成DC到DC變換器的正輸入點(diǎn)，該串聯(lián)連接的第二端形成DC到DC變換器的正輸出點(diǎn)，開關(guān)的極性為使得它們允許電流從正輸入點(diǎn)流到正輸出點(diǎn)；在DC到DC變換器的正輸出點(diǎn)和負(fù)總線之間串聯(lián)連接的兩個(gè)二極管，所述兩個(gè)二極管的極性為使得它們允許電流從負(fù)總線流到正輸出點(diǎn)；以及電容器，其第一端子連接到可控開關(guān)之間的點(diǎn)，第二端子連接到二極管之間的點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02M3/155GK201918915SQ20102024947
公開日2011年8月3日 申請日期2010年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月2日
發(fā)明者安東尼奧·科恰, 格拉爾多·埃斯科巴爾, 米科·帕基寧, 萊昂納多-奧古斯托·塞爾帕, 薩米·彼得松 申請人:Abb研究有限公司