专利名称：变换器装置和用于控制变换器装置的方法
技术领域：
本发明涉及一种电压变换器、尤其是逆变器(Wechselrichter)，其由多个直流电压源中产生交流电压。
背景技术：
至今已知了多种形式的电压变换器，例如用于提供一个或多个交流电压或相电压的逆变器。对于逆变器-拓扑结构的示例是ANPC(有源中性点箝位)，NPC(中性点箝位) 或MPC，级联的H-桥和分别具有特定性能的类似物。在逆变器的许多拓扑结构中存在一种开关单元，其中高电压在输出电压的要提供的电压偏差的范围中必须利用高频率开关，以便在逆变器的输出端上提供期望的电压曲线。这要求所应用的功率组件的相应地定大小， 由此逆变器的传统的拓扑结构需要投入较大地来实现。此外，一部分传统的逆变器具有中间电路电容器，以便提供中间点电压，利用它们而可以提供用于逆变器的驱动的多个电压电平。这种电容器通常容易老化，从而限制这种逆变器的使用寿命。在US 6，104，624中给出了一种根据现有技术的变换器装置，其具有两个选择元件，在两个选择元件上分别仅仅施加了一个唯一的中间电压电位并且每个选择元件则仅仅可以选择这一个中间电压电位以用于作为相应的输出电压电位输出。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种逆变器，所述逆变器尤其可以利用多个单独的电压源驱动。此外本发明的目的在于，提供一种用于驱动这样的逆变器的方法。该目的通过根据权利要求1所述的变换器装置来实现以及通过根据并列的权利要求所述的变换器布置和用于驱动变换器装置的方法来实现。本发明的其它有利的设计方案在从属权利要求中给出。根据第一方面，设置了一种用于在相应的输出端上提供多个输出电压或多个输出电压电位的变换器装置。变换器装置包括-多个设定单元，所述设定单元分别对应于多个输入电压源中的一个，其中每个设定单元设计用于改变由对应的输入电压源提供的输入电压以及提供中间电压；以及-多个选择元件，其中在每个选择元件上施加了由中间电压限定的中间电压电位并且每个选择元件设计用于选择中间电压电位之一用于作为相应的输出电压电位输出。上述变换器装置的核心在于，设定单元对应于多个输入电压源，以便产生可变中间电压。借助于选择元件，为每个要提供的输出电压电位选择相应的、由设定单元提供的中间电压电位并且将所述中间电压电位作为要提供的输出电压电位来提供。在这种变换器装置中因而可以在每个输出端上通过由设定单元提供的中间电压电位曲线的逐段的组合形成电压曲线。选择元件在此仅仅具有将由设定单元之一提供的中间电压电位连接到输出端之一上的功能。对于每个输入电压源实现提供期望的中间电压电位的实际功能。基于在那
4里存在的更低的电压，对在那里应用的元件的功率或大小的要求更少。此外，设定单元的电压输出端可以彼此串联，使得中间电压相加并且在一部分的所述电压输出端或每个所述电压输出端上提供相应中间电压电位用于通过相应的选择元件进行选择。根据另一个方面，设置了一种具有上述的变换器装置和控制单元的变换器布置。 控制单元设计用于控制多个设定单元，使得设定单元提供如下中间电压电位，即所述中间电压电位包含要提供的输出电压电位，其中控制单元还设计用于分别选择并且在相应的输出端上提供所述中间电压电位之一。根据一个实施方式，控制单元设计用于控制选择元件，使得选择由设定单元提供的所述中间电压电位中最低的中间电压电位用于提供最低的输出电压电位，以及选择由设定单元提供的中间电压电位中最高的中间电压电位用于提供最高的输出电压电位。此外，控制单元可以设计用于控制设定单元，使得对于串联的中间电压，相加的中间电压产生如下电压，即所述电压相应于最高的要提供的输出电压电位和最低的要提供的输出电压电位之间的电压。尤其是，控制单元可以设计用于控制设定单元，使得通过选择中间的中间电压电位之一提供所述输出电压电位中一个中间的输出电压电位。可以规定，控制单元设计用于控制设定单元，使得在设定单元之一的选择的电压输出端上产生中间的中间电压电位。控制单元可以设计用于取决于对应于设定单元的输入电压源的期望的负载分布选择设定单元之一的电压输出端，其中尤其是各个设定单元的中间电压的比例相应于相应的设定单元的负载分布。根据一个实施方式，控制单元可以设计用于选择设定单元之一的电压输出端，其方式是通过最高的输出电压电位和最低的输出电压电位之间的电压差除以可使用的设定单元的数量并且选择那个设定单元的电压输出端(所述电压输出端最接近要提供的输出电压电位)，用于提供一个中间的输出电压电位。控制单元尤其可以设计用于控制设定单元，使得产生中间的中间电压电位，其方式是通过布置在选择的电压输出端和最高的中间电压电位的电压输出端之间的第一组的一个或多个设定单元分别提供一个中间电压，所述中间电压相应于在要提供的输出电压电位和最高的要提供的输出电压电位之间的电压差除以第一组的设定单元的数量，并且其方式是通过布置在选择的电压输出端和最低的中间电压电位的电压输出端之间的第二组的设定单元分别提供一个中间电压，所述中间电压相应于在要提供的输出电压电位和最低的要提供的输出电压电位之间的电压差除以所述第二组的设定单元的数量。根据一个实施方式，控制单元可以设计用于为了提供输出电压而循环地或连续地改变设定单元的中间电压，使得中间电压连续地或在相继的时间窗中提供。根据另一个方面，设置一种用于驱动上述的变换器装置的方法，所述方法具有以下步骤-控制多个设定单元，使得设定单元提供包含要提供的输出电压电位的中间电压电位，-控制选择元件，使得分别选择并且在相应的输出端上提供所述中间电压电位之
下面参照附图详细说明本发明的实施方式。图中示出图1示出了具有四个直流电压源和三个输出端的逆变器的示意图示，在所述三个输出端上提供了输出电压电位；图2示出了根据图1的逆变器的设定单元的一个可能的实施方式的示意图示；图3示出了作为用于产生相应的相电压的贡献的各个设定单元的三个输出电压和中间电压电位的曲线。
具体实施例方式图1示出了多电平-三相-逆变器1的示意图示，作为根据本发明的变换器装置的实施例。通过多个输入电压源2向逆变器1供电。输入电压源2例如可以具有形式为太阳能电池、燃料电池、发电机、蓄电池和类似物的直流电压源。在示出的实施例中应用了四个输入电压源2。然而也可以应用任意其它数量的输入电压源。输入电压源2分别提供了输
入电压Uini至仏!^4。输入电压源2可以分别包括多个单独的串联和/或并联的单独电压源。尤其是， 输入电压源2可以包括带有多个单独电压源的多个串联电路的并联电路。串联电路可以为了退耦通过合适的电感相互连接。电感可以设计为单独的部件，或者也可以设计为纯粹的杂散电感，亦即通过相应长度的导线。每个输入电压源2和对应的设定单元3连接，所述设定单元3由分别提供的输入电压Uini至Uin4而产生相应的可变中间电压U1至U4。也就是说，设定单元3可以从所提供的输入电压Uini至Uin4中根据控制单元5的规定产生范围在0和UINn(n = 1. . 4)之间的中间电压。在图2中示出了这样的设定单元3的一个可能的设计方案，如其可以在图1的逆变器中应用的那样。图2示出了一种简单的转换器(Inverter)电路，其具有作为拉高晶体管(Pull-High-Transistor) 31的第一功率开关和作为拉低晶体管 (Pull-Low-Transistor) 32的第二功率开关，它们可分开地控制。通过交替地例如借助于脉宽调制接通和断开晶体管31，32，可以从施加的输入电压Uin中产生相应的电压作为中间电压Uz(U1-U4)。可以设有电容器33以用于使提供的中间电压Uz变得平滑。在所示出的逆变器中，通过设定单元3提供的中间电压仏至U4串联。通过中间电压U1至U4的串联，得到了具有中间电位Vtl至V4的电压导体(Sparmungsleiter)，其通过选择单元4的相应的中间点导线6^ 提供。选择单元4在逆变器1的各个A1, A2, A3输出端上提供输出电压Uoutl, Uout2, Uout3或输出电压电位v。utl，Vout2, V0ut3o选择单元4对于逆变器1的每个输出端具有单独的选择元件41，该选择元件在输入侧和中间电位Vtl至V4连接并且取决于由所述控制单元5为每个选择元件41提供的控制信号来选择中间电位Vtl至V4之一并且在相应的输出端A1, A2, A3上作为输出电压电位V。utl，Vout2, V。ut3或作为输出电压U。utl，Uout2, U。ut3输出。在所示出的实施例中，逆变器具有三个输出端，分别有一个选择元件41对应于这些输出端，以便提供输出电压 Uouti，Uout2, Uout3 或输出电压电位 V。utl，Vout2, V0ut3o所示出的逆变器1的工作原理主要基于，控制用于提供中间电压U1至U4的设定单元3，使得中间电位Vtl至V4或中间电压U1至U4在每个时间点提供期望的预设的输出电压电位V。utl，Vout2, Vout3或期望的预设的输出电压Uoutl，Uout2，U0ut3o也就是说，至少一个中间电位Vq至V4相应于相应要提供的输出电压电位V。utl，V。ut2，V。ut3或至少一个中间电压Ul至U4 相应于相应要提供的输出电压U。utl，Uout2, U0ut3o以这种方式，选择元件41可以选择相应的输出电压电位V。utl，Vout2, Vout3或相应的输出电压Uoutl，Uout2, Uout3以用于施加到逆变器1的各个对应的输出端。循环地或周期性地进行通过选择元件41对中间电压的选择以及设定单元3的设
定，从而在时间曲线中获得输出电压Uoutl，Uout2，Uout3或输出电压电位V。utl，V。ut2，Vout3的期望的曲线。由此，通过控制单元5对设定单元3的控制引起了设定单元3分别逐段地-在受控制单元5控制的情况下-提供一个特定的电压曲线，从而使选择元件41在特定的时间段分别和中间电压导线6^ 之一连接，之后将选择元件41切换到另一个中间电压导线6^1。控制单元5负责控制设定单元3和选择单元4的选择元件41，使得产生输出电压 Uouti至Uom3的特定的预设的输出电压曲线或输出电压电位V。utl，Vout2, Vout3的特定的预设的电位曲线。根据一种用于产生输出电压Uotti-Uott3的方法，可以在每个时间点(循环)确定可通过设定单元3设定的中间电压U1至U4。为此例如可以应用下面的方法首先根据用于期望的输出电压电位V。utl，Vout2, Vout3的规定确定最低的输出电位作为Vot，中间的输出电位作为Vmid以及最高的输出电位作为VHreH。最低的输出电位Vot随后由中间电位导线~提供并且最高的输出电位Vhkh由中间电位导线~提供(前提条件是设定单元3的中间电压Uz是正的)。相应的开关元件41也就将其上应该输出最低的输出电位Vot的那个输出端和中间电位导线 相连接，并且将其上应该输出最高的输出电位Vhkh 的那个输出端和中间电位导线~相连接。中间的输出电位Vmid现在可以由中间电位导线 61；62和63之一提供。为了使要取自输入电压源2的功率尽可能均等地分布，现在提出，从位于具有最低电位的中间电位导线和具有最高电位的中间电位导线之间的中间电位导线中选择根据后面的规则来确定的那个中间电位导线。中间电位导线 应该产生用于逆变器1的剩余的输出端的中间电压值，其中1彡X彡N-1，N是输入电压源的数量，在当前情况下相应于N =4。则适用的是X = Floor (1+r (N-I))，其中相应于r = (Vmid-Vlow) / (Vhigh-Vlow)。作为中间电压，相应地设定U1. .. K = (Vmid-Vlow) /X和Ux+1. · · Uh = (Vhigh-Vmid) / (N-X)。相应地选择中间电位导线 用于通过对应于在其上应该输出中间的输出电位的输出端A1, A2, A3的选择元件41和所述输出端A1, A2, A3连接。该方法循环地根据设定单元3的设定频率来进行，设定频率描述了各个中间电压的设定的循环。设定频率符合于期望的输出电压或输出电压电位的期望的波动或精度。
在图3中示出了三个输出电压U。utl，Uout2, U。ut3，它们应该作为三个以120°偏移的相电压来提供。单独的中间电Su1至队的曲线用于产生输出电压u。utl，Uout2，u。ut3，其由单独的设定单元3根据控制单元5的控制相应于上述的方法来产生。当应用上述方法时，实现了尽可能良好地将负载分配到各个输出电压源2上。此外，选择元件41的开关频率很小，这是因为选择元件41的开关通常当改变各个输出端A1, A2, A3和所属的最高的、中间的和最低的输出电位Vhkh，VMID，Vot之间的分配关系时才是必需的。上述的方法相应于一种特定的策略，利用该策略，控制单元5可以控制逆变器1， 以便实现尽可能小的电压作为中间电压Ui-队。因为基于所有中间电压A-U4的串联电路， 相同的电流流过每个设定单元3，从而每个输入电压源2的功率可以保持尽可能小并且还尽可能均勻地分配各个输入电压源2的负载。此外如下也不是必需的带有最低的中间电位的中间电位导线和带有最高的中间电位的电位导线应用到逆变器的输出端上。其它的策略例如可以规定，产生尽可能大的中间电压U1至队，例如通过选择尽可能彼此接近的中间电位导线用于最高的和最低的输出电位。备选地可以规定将完全特定的绝对值应用为中间电压仏至U4,例如表示设定电路3或输入电压源2的优选的工作点的中间电压。当输入电压源应该被切换或维护或由于故障而停止运转时，尤其通过设定单元的输出侧的短路(中间电压0V)可以切断各个输入电压源2。当控制单元5在其控制策略方面对此进行考虑时，例如是通过将相关的中间电压固定地预设为0并且在忽略相关的中间电压时实施上述的方法，逆变器1的功能性并不受其损害。因而可能的是，即使当一个或多个输入电压源失灵或切断时逆变器1仍继续工作，而不必采取特别的措施。对此仅需要设置从各个输入电压源2或从设定单元3的输入侧的反馈导线，其提供了输入电压源2的瞬时状态或控制单元5的关于输入电压Uini至Uin4的瞬时值的指示。然而由于每个设定单元3和一个输入电压源2 (其仅仅表示一小部分的最大可能的最大输出电压)连接，因而对于设定单元3的设计的要求明显低于在传统的DC-转换器-逆变器的情况下。上述方法尤其适合用于，以合适的程度对输入电压源加负载。由于所有的中间电压串联，因而相同的电流流过输入电压源2。总功率的已由每个输入电压源2提供的份额因而仅仅取决于提供的中间电压、亦即和由相关的设定单元提供的中间电压成比例。如果通过多个输入电压源的共同作用产生了期望的输出电压，如在上述方法中的情况那样，则至今规定，每个相关的设定单元3可以输出相同的电压，以便均等地分配由输入电压源2提供的功率并且实现均勻的负载分布。控制单元5然而也可以设置为控制功率并且因而例如以不同的程度将功率的份额划分到不同的输入电压源2上。由此可以实现定义的负载分布。因而例如可以设置为，尽管这些设定单元3同样地设置用于提供输出电压或输出电压电位，但第一个设定单元3提供了比第二个设定单元3更高的中间电压。由第一个和第二个设定单元3提供的中间电压的比例相应于负载的预设的比例或由所对应的输入电压源2 提供的功率的比例。以这种方式可以在这个工作点或在这个时间点(循环)不同地分配功率。参考标号表
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1逆变器
2输入电压源
3设定单元
4选择单元
5控制单元
6中间电位导线
31拉高晶体管
32拉低晶体管
33 电容器
41选择元件
U1, U2, U3, U4 中间电压
V0, V1, V2, V3, V4 中间电压电位
U皿，Uin2 , Uin3 , Uin4 输入电压
Vouti，Vout2，Vout3输出电压电位
AijA2jA3 输出端。
权利要求
1.一种变换器装置，用于在相应的输出端(A1, A2, A3)上提供多个输出电压或多个输出电压电位，所述变换器装置包括-多个设定单元(3)，所述设定单元分别对应于多个输入电压源O)中的一个，其中每个所述设定单元C3)设计用于改变由对应的所述输入电压源( 提供的输入电压(Uini， Uin2，Uin3，Uin4)并且提供中间电压(U1, U2，U3，U4)；以及-多个选择元件(41)，其中在每个选择元件Gl)上施加了由所述中间电压(U1, U2，U3, U4)限定的中间电压电位(V0, V1, V2, V3, V4)并且每个选择元件(41)设计用于选择所述中间电压电位(V0, V1, V2, V3, V4)之一用于作为相应的输出电压电位(Voun，Vout2，Vout3)输出。
2.根据权利要求1所述的变换器装置，其中所述设定单元(3)的电压输出端彼此串联， 使得所述中间电压(U1, U2, U3, U4)相加并且在一部分所述电压输出端或每个所述电压输出端上提供相应的中间电压电位(Vtl, V1, V2, V3, V4)用于通过相应的一个所述选择元件Gl) 进行选择。
3.一种具有根据权利要求1或2所述的变换器装置且具有控制单元(5)的变换器布置(1)，所述控制单元设计用于控制所述多个设定单元(3)，使得所述设定单元C3)提供中间电压电位(V0, V1, V2, V3, V4),所述中间电压电位包含要提供的输出电压电位(Votti，Vqut2，V〇UT3)，其中所述控制单元(5)还设计用于分别选择并且在相应的输出端(A1, A2, A3)上提供所述中间电压电位(V0, V1, V2, V3, V4)之一。
4.根据权利要求3所述的变换器布置(1)，其中所述控制单元(5)设计用于控制所述选择元件(41)，使得选择由所述设定单元(3)提供的所述中间电压电位(Vtl, V1, V2, V3, V4) 中最低的中间电压电位用于提供最低的输出电压电位(Voti，Vout2，Vout3)，以及选择由所述设定单元⑶提供的中间电压电位(y0，\，w；)中最高的中间电压电位用于提供最高的输出电压电位(Vquti，Vqut2，Vout3)。
5.根据权利要求3或4所述的变换器布置(1)，其中所述控制单元(5)设计用于控制所述设定单元(3)，使得对于串联的中间电压(U1;U2，U3，U4)，相加的中间电压(U1,U2, U3, U4) 产生如下的电压，即所述电压相应于在所述最高的要提供的输出电压电位,Vott2^ot3) 和所述最低的要提供的输出电压电位(Voti，Vott2，Vott3)之间的电压。
6.根据权利要求5所述的变换器布置(1)，其中所述控制单元(5)设计用于控制所述设定单元(3)，使得通过选择中间的中间电压电位(Vc^VnHV4)之一提供所述输出电压电位(Vquti，Vqut2，Vqut3)中的一个中间的输出电压电位。
7.根据权利要求6所述的变换器布置(1)，其中所述控制单元(5)设计用于控制所述设定单元(3)，使得在所述设定单元C3)之一的选择的电压输出端上产生所述中间的中间电压电位(V0jVijV2jV3jV4)o
8.根据权利要求7所述的变换器布置(1)，其中所述控制单元(5)设计用于取决于对应于所述设定单元C3)的所述输入电压源( 的期望的负载分布选择所述设定单元(3)之一的电压输出端，其中尤其是各个设定单元⑶的中间电压(U1,U2，U3，U4)的比例相应于相应的设定单元(3)的期望的负载分布。
9.根据权利要求7所述的变换器布置(1)，其中所述控制单元( 设计用于选择所述设定单元C3)之一的电压输出端，其方式是通过将所述最高的输出电压电位和最低的输出电压电位,VaiWVtm3)之间的电压差除以可使用的所述设定单元(3)的数量并且选择最接近所述要提供的输出电压电位(Votti，Vout2, Vout3)的那个设定单元的电压输出端，用于提供所述中间的输出电压电位(Votti，Vout2, Vout3)之一。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的变换器布置(1)，其中所述控制单元( 设计用于控制所述设定单元(3)，使得产生所述中间的中间电压电位(Vtl, V1, V2，V3，V4),其方式是通过-布置在所述选择的电压输出端和所述最高的中间电压电位(y0，\，N2U；)的电压输出端之间的第一组的一个或多个设定单元⑶分别提供一个中间电压(U1, U2，U3，U4)，其相应于所述要提供的输出电压电位(VOT1，Vott2，Vot3)和所述最高的要提供的输出电压电位 (V0UTi' Vout2, Vout3)之间的电压差除以所述第一组的所述设定单元(3)的数量，以及-布置在所述选择的电压输出端和所述最低的中间电压电位(y0，\，w)的电压输出端之间的第二组的设定单元(3)，其分别提供一个中间电压，所述中间电压相应于所述要提供的输出电压电位(Votti，Vott2，Vott3)和所述最低的要提供的输出电压电位(Votti，Vott2， Vout3)之间的电压差除以所述第二组的所述设定单元⑶的数量。
11.根据权利要求3至10中任一项所述的变换器布置(1)，其中所述控制单元(5)设计用于为了提供所述输出电压而循环地或连续地改变所述设定单元(3)的所述中间电压 (U1, U2, U3, U4)，使得所述中间电压(U1, U2, U3, U4)连续地或在相继的时间窗中提供。
12.一种用于驱动根据权利要求1或2所述的变换器装置的方法，具有以下步骤-控制所述多个设定单元(3)，使得所述设定单元C3)提供包含要提供的输出电压电位(V〇UT1，V〇UT2，V〇UT3 )的中间电压电位，-控制所述选择元件(41)，使得分别选择并且在相应的输出端(A1, A2, A3)上提供所述中间电压电位(V0, V1, V2, V3, V4)之一。
全文摘要
本发明涉及一种变换器装置，用于在相应的输出端(A1，A2，A3)上提供多个输出电压或多个输出电压电位，变换器装置包括多个设定单元(3)，其分别对应于多个输入电压源(2)中的一个，其中每个设定单元(3)设计用于改变由对应的输入电压源(2)提供的输入电压(UIN1，UIN2，UIN3，UIN4)并且提供中间电压(U1，U2，U3，U4)；以及多个选择元件(41)，其中在每个选择元件(41)上施加了由中间电压(U1，U2，U3，U4)限定的中间电压电位(V0，V1，V2，V3，V4)并且每个选择元件(41)设计用于选择中间电压电位(V0，V1，V2，V3，V4)之一用于作为相应的输出电压电位(VOUT1，VOUT2，VOUT3)输出。本发明还涉及用于驱动这种变换器装置的一种方法和一种装置，具有以下步骤-控制多个设定单元(3)，使得设定单元(3)提供中间电压电位，所述中间电压电位包含要提供的输出电压电位(VOUT1，VOUT2，VOUT3)，-控制选择元件(41)，使得分别选择并且在相应的输出端(A1，A2，A3)上提供所述中间电压电位(V0，V1，V2，V3，V4)之一。
文档编号H02M7/483GK102257718SQ200980151891
公开日2011年11月23日 申请日期2009年11月24日 优先权日2008年12月18日
发明者C·黑德利, T·绍德胡里 申请人:Abb研究有限公司