专利名称：包括常开开关的电流馈给功率转换器系统的制作方法
包括常开开关的电流^^合功,换器系统技术领域这里公开的主题一般地涉及包括半导体开关的功,换器系统。
技术背景光电(PV)电池产生直流(DC)功率，DC电流电平依赖于太阳照射， 并且DC电压电平{繊于纟驢。当要求交流(AC)功率时，^f顿逆变器将DC 能量转换为AC能量。典型的PV逆变器4顿两级 K行功率处理，第一级配 置为提供恒定DC电压，第二级配置为将直定DC电压转换为AC电流。通常， 第一级包括升压转换器，第二级包括单相或三相逆变器系统。该两级逆变器的 效率是影响PV系统性能的重要参数，并且是各单级效率的倍数，每级通常导 致一半的系统损失。因此期望提高PV逆变器的每级的效率。通常，第一级升压转换器包括常 闭硅MOSFET (金属氧化物半导体场效应晶体管)或IGBT (绝缘栅双极晶体 管)开关器件。发明内容根据一个实施例， 一种系统包括能源，该能源被配置为作为限流源操作; 以及DC至1JDC转换器，被配置为接棘自會繊的电流，并且包蹄开开关。根据另一实施例， 一种功,换器系统包括DC到DC电流ti^合转换器， 该电流tf^合转换器包括常开开关，该常开开关被配置为Jlf共调整的DC电压； 以及电压t厳^变器，被配置为将该调整的DC电压转换为AC电流。根据另一实施例， 一种光电逆变器，包括DC到DC电流微合升压转换器， 该升压转换器包括常开开关、二极管、和电感，并且被配置为从光电能源提供 恒定DC电压；以^t变器，被配置为将该DC电压转换为AC电流。根据另一实施例， 一种功雜换器系统包括DC到DC电流微合转换器， 被配置为提供调整的DC电压；以及电流开，变器，被酉還为将该调整的DC电压转换为AC电流，该电流开，变器包括常开开关。根据另一实施例， 一种功率转换器系统包括电流开关逆变器，被配置为 将限流能源的滤波电压转换为AC电流，该电流开，变^l包括常开开关。
当参考附图阅读下面的详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面、和 优点将变得更易理解，在附图中相同的字^^相同的部分，其中 图1是根据一个实施例的功,换器系统的框图。图2是图1的实施例中使用的DC到DC转换器的更具体的示意图。 图3是根据另一实施例的功 换器系统的示意图。 图4是根据另一实施例的功,换器系统的示意图。
具体实施方式
图1是根据一个实施例的框图，其中系统10包括能源12，被配置为作为 限流源操作；以及DC到DC转换器14，包括常开开关15。图2是图1的实 施例中使用的DC到DC转换器的更具体的示意图。限流源是这样的源，即当短路时，自然地将电流限制到系统工作范围内或 者稍微超过系统的工作范围的电平，但是不皿导致设备损坏的工作范围。限 流源具有特定的最大电流值，并通常在它的终端两端呈现出高阻抗。通常，限 流源也具有有限的电压。在一个实施例中，能源12包括光电能源。然而，可 以4顿其它形式的能源， 一个实例娜料电池。DC到DC转换器14通常包括电流卞厳合转换器。电流1t^合转换器，如这里 使用的，是指由限流源馈给的转换器。在另一更具体的实施例中，DC到DC 转换器14包括升压转换器，用来维持恒定的DC电压电平。开关15通常包括宽带隙半导体材料，如碳化硅或砷化镓。其它可能的开 关材料包括氮化镓、金刚石、和碳纳米管。例如，碳化硅(SiC)开关器件与 硅开关器件相比，通常具有优良的导通和开关性能，因此可以提高DC到DC 转换器14的效率。开关15包括任意适当类型的常开开关。常开开关的一个实例是结型场效 应晶体管(JFET)。 一些类型的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，如^型MOSFET，也是常开开关。在更具体的实例中，SiC JFETl細作光电逆变器系统10的升压级14中的 开关15。在不考虑器件端子在出现故障时将短路的情况下，具有常开开关待性 的器件通常不，細在功率电子系统中。然而，因为光电能源(如太阳能电池) 是限流源，SiC JFET的常J^寺性不是必须具备的功能(safety critical issue)。如 果DC到DC转换器14故障，SiC JFET开关15将{ ;电能源12短路，但是 电流将只是超过正常操作电流一个百分比。通常短路电流将以小于或等于高出 能源的正常操作电流百分之二十或三十。在更具体的实施例中，短路电流将以 小于或等于高出能源的正常操作电流百分之十。光电能源和相关的电缆以及连 接器(未示出)能够承载增加的电流，而没有过热，即使在长期故障期间。与 更传统的DC电源如电池和发电机相比，这种限流特征是光电和燃料电池源之 间的区别。在图2的实施例中，当开关15开启时，开关15上的腿下降到零， 并且二极管22变为反向偏置，并阻断DC ^!^各上的电容器(一个实例电容器 在图3中作为DC^I^各36上的电容器44被示出)的电压。因此短路的开关15 不会使电网20短路。当4顿碳化硅开关时，很方便地在DC到DC转换器14中也包括碳化硅 二极管22。在一个实例中，二极管22包括肖特基二极管。肖牛镇二极徵艮有 用，因为它几乎没有反向恢复损耗，从而导致M^、 DC到DC转换器中的开关 损耗。例如，SiC肖牛镇二极管比标准PN结硅二极管具有稍高的导通损耗， 但是具有更低的净损耗。此外，SiC器件与硅器件相比可以在更高的温度下工 作。虽然为了示例，这里描述了碳化硅二极管，但是也可以使用其它材料，一 个实例包繊化镓。再参考图1 ，在一个实例中，DC ^!E各16将DC到DC转换器14孝鹏到逆 变器(DC-AC转换器)18，并通常包括DC链路电容器或电容器组(图1中 未示出)。逆变器18将DC电压转换为AC电流，用于向电网20或其它负载 (未示出)供电。在4顿电流徽合转换器作为DC到DC转换器14的实施例中， 逆变器18通常包括电压1#^变器。在图2中还示出了电感24。电感24 IOT来存储电流形式的倉糧，该能量 在转换器中用于给DC ^S各电容器Mf共能源。基于功率电平、电压范围和开关 频率5l6f择用于PV逆变器的典型电感。例如，对于在20kHz工作的2.5kW的升压转换器，典型的电if^从2mH至10mH的范围内。当SiC JFET与电, 组合i顿时，JFET例如可以在100千赫至300千赫范围内的高开关频率下操 作，而不会影响效率。这纟繊小电繊的电感，鹏高转换器的效率。虽然图1中说明了一个能源12、 一个DC到DC转换器14、以及一个逆 变器18，但是如果需要，另外的能源、DC到DC转换器、逆变器、或飽些 中的倒可组合都可以使用。在一个实例中，如在共同转让的申请US20歸125618 中描述的，多个能源和多个DC到DC转换:^皮连接到单个逆变器。图3是根据另一实施例的功,换器系统的电路图，其中功報换器系统 26包括DC到DC电流t厳合转换器28，被配置为Jlf共调整的DC电压；以及电 流开魏变器30，被酉遣为将调整的DC电压转换为AC电流，该电流开规 变器包括常开开关32。在图2-3的实施例中，转换器二极管22对于下列情况是很有用的，即在故 障^i牛下将逆变器从转换器隔离，以及阻断来自电网20的能量到达或潜在地 损坏能源12。这种二极管不题常出现在逆变器中的，但是可以被附B，如在 图3中由二极管38和40転的。另外地或可选地，例如可以包J趟变器电感 34，其f鹏逆变器30和DC M 36。在这种电感实施例中，当4柳常开开关 时，门信号的缺少导致一个或多个开关处于导通状态。如果因为一些原因门驱 动器断电或故障，那么一个或多个开关将处于导通状态。电网20上的电^il 路将出现，然后该状况将导致负载电感舰DC l!^各电容器44直接f鹏到电 网，并且源电流将比没有电感时以更低的速率增长。因此当电流^^魏长超过 特定的阈值时，系统4贿时间检测故障。 一旦超过该阈值就可以动作，例如打 开AC接触器(未示出)，以便将系统从能源断开。附加的逆变器电感(未示 出)在发生两个开关的同步故障时对f尉户系统是很有用的。在图3的实施例中 如果需要，以与上面参考图1和2讨论的方M似的方式，转换器28可以还 包括附加的常开开关42。图4是根据另一实施例的功 换器系统的示意图，其中功雜换器系统 46包括电流开关逆变器48，被配置为将限流能源12的滤波电压转换为AC电 流并包括常开开关50。在更具体的实施例中，功報换器系统46进一步包括 滤波电容器52和将逆变器f鹏到搶波电容器的搶波电感54。根据图1和2在前面讨论的实施例的许多方丽以l鹏用到图3和4的实例。例如，功報换器系统26和46可以被酉虔为从能源12接收电流，其中 能源12被配置为作为限流源，顿具体地，光电能源来操作。作为另一实例， 开关32和50可以包括从由砷化镓、氮化镓、金刚石、碳纳米管、或碳化硅组 成的组中选择的一种材料，以及一^如JFET或耗尽型MOSFET的器件。虽然只有本发明的某些特征巳经在这里被说明和描述，但，本领域技术 人员来说将发生许多修改和变化。因此，应当理解，所附的权利要求旨在覆盖 ^E本发明的真正精神范围内的所有这种修改和变化。元件列表10 系统12 能源5 14 DC到DC转换器15 开关16 DC链路18 逆变器(DC-AC转换器)20 电网io 22 二极管24 电感26 系统28 转换器30 逆变器15 32 开关34 电感36 DC鄉各38 二极管40 二极管20 42 开关44 电容器46 系统48 逆变器50 开关25 52 电容器54 电感
权利要求
1.一种系统(10)，包括能源(12)，被配置为作为限流源操作；以及DC到DC转换器(14)，被配置为接收来自能源的电流，并包括常开开关(15)。
2. 权利要求1的系统，其中所述开，括碳化硅开关。
3. 权利要求2的系统，其中戶脱DC到DC转换器进一步包括碳化硅二 极管(22)。
4. 权利要求1的系统，其中戶舰能源包括光电能源，其中戶舰开关包括 JFET，并且其中朋述DC到DC转换器进一步包括肖牛 二极管。
5. —种功,换器系统(10)，包括DC到DC电流t厳合转换器(14)，包括常开开关(15)，该常开开关被配 置为Jlf共调整的DC电压；电压t厳M变器(18)，被配置为将该调整的DC电压转换为AC电流。
6. 权利要求5的系统，其中DC到DC转换器包括升压转换器。
7. —种功,换器系统(26)，包括DC到DC电流徽合转换器(28)，被配置为掛共调整的DC电压； 电流开，变器(30),被配置为将该调整的DC电压转换为AC电流， 该电流开关逆变器包括常开开关(32)。
8. 权利要求7的系统，进一步包括DC^IS各(36)，并且其中逆变器进一 步包括将逆变器牵點妾到DC^^各的电感(34)。
9. 权利要求7的系统，其中逆变器的常开开关包，变器常开开关，并 且其中所述转换器进一步包括转换器常开开关(42)。
10. —种功,换器系统(46)，包括-电流开，变器(48)，被配置为将限流能源(12)的滤波电压转换为AC 电流，该电流开关逆变器包括常开开关(50)。
全文摘要
包括常开开关的电流馈给功率转换器系统。系统(10)包括能源(12)，被配置为作为限流源工作；以及DC到DC转换器(14)或电流开关逆变器(30)，被配置为接收来自能源的电流，并包括常开开关(15)。
文档编号H02M7/5387GK101232241SQ20071015962
公开日2008年7月30日 申请日期2007年11月29日 优先权日2006年11月29日
发明者H·-J·克罗科斯青斯基, M·A·德卢伊, R·勒斯纳, S·F·S·埃尔-巴巴里 申请人:通用电气公司