专利名称：Dc到ac变换器的制作方法
技术领域：
DC到AC变换器
技术领 域本实用新型涉及DC到AC变换器，尤其涉及具有低损耗的变换器拓扑。
背景技术：
近年来，可再生能源对于产生电能来说变得越来越具有吸引力。取代大型发电厂， 可以使用可再生能源以分布方式来产生电能，其中可再生能源例如是太阳能和风能。在大 多数情况下，来自光伏板(PV板)和风车的电能本身不能使用，该能量必须被变换成适于消 耗或适于馈送到电网。该电能变换应该高效地实现，使得在变换过程中发生的损耗保持为 最小。通常，电能被变换成具有固定幅度和频率的交流电压，使得该能量可以被馈送到电网 或直接通过能够利用电网电压来操作的电器来消耗。PV板具有到地的大电容。在设计逆变器结构时必须考虑该电容。如果共模电压出 现在逆变器的输出端，则高频共模电流可能流过电容并可能损坏该板。适合与PV板连接使 用的逆变器可以被划分成隔离型拓扑和非隔离型拓扑。在隔离型拓扑中，变压器用于将PV 板与产生到逆变器输出端的电压隔离，由此断开共模电流的电流路径。隔离结构的缺点是 该变压器，该变压器是庞大且昂贵的组件。在非隔离型结构中，通过使用开关部件来避免共模电流，使得不产生对共模电压 的扰动或者使得在特定时间段中输出端和输入端被分离。典型的非隔离型逆变器拓扑由两级构成。第一级用于跟踪来自PV板的最大功率， 并产生用于第二级的DC电压。作为逆变级的第二级产生具有固定频率和幅度的交流电压。 逆变级通常被实现成脉宽调制(PWM)桥，其在逆变器输出端产生两个或更多个电压电平。 为了减小无源部件(如滤波电感)的尺寸，逆变器的调制频率通常高，这导致了高的切换损 耗，降低了系统的总效率。另外，由于逆变器端子和地电位之间的杂散电容，高频PWM电压 可能产生共模电流，这可能导致系统中的问题。文献WO 08/015298 Al公开了与低频逆变器连接的三级降压(Buck)变换器。该 拓扑的主电路示出在图1中。在该拓扑中，降压变换器使用脉宽调制，并且电压源逆变器 (VSI)在供电基频处操作，将通过降压变换器产生的输出DC电压逆变成AC电压。通过调整 降压变换器的电压基准来控制供电电流。但是，即使在基频处进行逆变器的切换，逆变桥的反并联二极管仍然在高频处切 换。此外，由于逆变器在其AC端子处产生PWM电压，所以高频共模电压可能产生有害的共 模电流。而且，如果逆变器的供电电流和输出基波电压之间的位移角大于几度，则逆变器的 切换产生大的电压尖峰，这是因为电流在切换瞬间不为零。
实用新型内容本实用新型的目的是提供DC到AC的变换器来解决上述问题。本实用新型提供一种用于将DC电压变换成AC电压的变换器，该变换器包括DC到 DC变换器，其中该变换器包括逆变器，用于将由DC到DC变换器提供的DC电压逆变成AC电压，其中该逆变器操作于所产生的AC电压的基频，以及DC到DC变换器是三级降压变换器， 该三级降压变换器包括串联连接的两个可控开关，该串联连接的第一端形成DC到DC变换 器的正输入点，该串联连接的第二端形成DC到DC变换器的正输出点，开关的极性为使得它 们允许电流从正输入点流到正输出点；在DC到DC变换器的正输出点和负总线之间串联连 接的两个二极管，两个二极管的极性为使得它们允许电流从负总线流到正输出点；以及电 容器，其第一端子连接到可控开关之间的点，第二端子连接到两个二极管之间的点。
优选地，在本实用新型的变换器中，逆变器是电流控制电压源逆变器。优选地，在本实用新型的变换器中，逆变器的输出端配备有电感器。优选地，在本实用新型的变换器中，逆变器是电流源逆变器。优选地，在本实用新型的变换器中，逆变器包括连接在所述DC到DC变换器的输出 端和逆变器的输入端之间的电感器。优选地，在本实用新型的变换器中，流过电感器的逆变器的输入电流被利用DC到 DC变换器的电压来控制，并且该逆变器的切换与输入电流零点同步。优选地，在本实用新型的变换器中，逆变器的输出端配备有LC滤波器。优选地，在本实用新型的变换器中，DC到AC变换器还包括升压电路，该升压电路 适于提高DC源电压，该升压电路的输出端被连接到所述DC到DC变换器的输入端。本实用新型基于使用包括两级或更多级的变换器拓扑。输出级由在电网频率处切 换的逆变器形成，将DC电压馈送到逆变器的级由具有飞电容的三级降压变换器形成。在三 级降压变换器中使用飞电容拓扑不需要串联连接的电容器中的电压平衡。本实用新型的逆变级可以被实现成电压源逆变器(VSI)或电流源逆变器(CSI)。本实用新型的变换器的优点在于由于变换器的结构，损耗进一步被最小化。在开 关部件中损耗被最小化是因为在逆变器部分中的开关部件不需要反并联二极管。此外，使用具有飞电容的三级变换器不需要平衡电容器的电压。三级DC电压一般 通过使用也在图1中公开的具有中间抽头的串联连接的电容器来产生。这些种类的结构需 要主动在电容器之间对电压进行平衡，由此使得对于有源开关部件的控制更加复杂。由于利用供给逆变器的变换器来产生三个电压等级，所以逆变器的输出由五个电 压等级构成。随着电压等级的数量增加，使电压和电流波形符合正弦曲线所需的滤波数量 减少。这意味着更小且更便宜的无源部件。
下面将参考附图、借助于优选实施例对本实用新型进行更加详细的描述，其中图1是现有技术的电路；图2示出了本实用新型的实施例的主电路，其中逆变器被实现成电压源逆变器；图3示出了图2的实施例的输入升压变换器的仿真电流；图4示出了图2的实施例的升压变换器的仿真输出电压波形；图5示出了图2的实施例的逆变器的仿真输出电压；图6示出了利用图2的实施例获得的仿真线电压和电流；图7示出了图2的实施例的仿真逆变器开关部件电压；图8示出了本实用新型的实施例的主电路，其中逆变器被实现成电流源逆变器；[0031]图9示出了图8的实施例的仿真供电电压；图10示出了图8的实施例的仿真AC电容器电压；图11示出了图8的实施例的仿真供电电流；图12示出了图8的实施例的仿真DC侧电感器电流；以及 图13示出了图8的实施例的三级降压变换器的仿真输出电压。
具体实施方式
图2示出了本实用新型的实施例，其中逆变级，即输出级3被实现成电压源逆变 器。第一级1，即三级升压变换器在图2中示出为用于将本实用新型的变换器连接到DC电 源电压的可选项。如所述，升压变换器连接到DC电源电压，并且升压变换器从电压源产生 稳定的电压。电压源可以是燃料电池、发电机的整流输出、被连接以提供DC电压或任何其 他DC电压源的一个或多个太阳能电池。第一级的其它用途是用作最大功率点跟踪器，其用 于从DC源(如从太阳能电池板)提取最大功率。图3示出了在启动设备期间在升压变换 器中测量的仿真电流波形，图4示出了升压变换器的输出电压。图2中所示的三级升压变 换器的操作本来是已知的，因此在这里将其省略。作为第二级，即从升压变换器接收DC电压的第二级，提供了具有飞电容的三级降 压变换器。降压变换器的正输入点4被连接到来自于升压变换器的DC电压的正电压，降压 变换器的负总线5被连接到来自于升压变换器的DC电压的负电压。三级降压变换器包括串联连接的第一和第二受控开关部件S1、S2。受控开关例如 可以是IGBT。这些部件串联连接，使得第一开关部件的集电极形成正输入点4，第一部件的 发射极被连接到第二部件的集电极。第二开关部件的发射极还形成降压变换器的正输出 点8。三级降压还包括在降压变换器的负总线5和正输出点8之间串联连接的两个二极 管D1、D2。两个二极管以相同的极性串联连接，使得电流可以从负总线流到正输出点。该 三级降压变换器还包括电容器Cl，该电容器Cl的一个端子连接在开关部件S1、S2之间，而 另一个端子连接在二极管D1、D2之间。三级降压变换器的操作如下。如所述，变换器具有两个受控开关部件Sl和S2。控 制两个开关的基本原理是给予这两个部件具有180度相移的相似控制。这样，当该开关的 占空比低于50%时，两开关在不同时间导通。当该开关的占空比低于50%并且开关Sl导 通时，来自降压变换器的输出电压是到降压变换器的输入电压减去电容器Cl的电压。在操 作期间，电容器电压稳定到降压变换器的输入电压的一半。另一方面，当开关S2导通时，降 压变换器的输出端的电压是电容器电压。这样，在占空比低于50%的情况下，当任何一个开 关导通时，降压变换器的输出是到该降压变换器的输入电压的一半，而当开关处于阻断状 态时，降压变换器的输出为零。在占空比为50%或50%以上时，开关S1、S2中的一个或两个导通。当仅有一个开 关导通时，情况如上，并且等于输入电压的一半的电压与降压变换器的输出端连接。当两个 开关Sl和S2均导通时，输出端的电压与输入电压相同。这样，输出端的电压幅度是输入电 压的一半或等于输入电压。因此，当开关的占空比改变时，三级降压变换器产生对应于零、 输入电压的一半或输入电压的电压等级。[0042]三级降压变换器的输出端还连接到逆变级3的输入端。逆变器操作于输出电压的 基频。输出电压是指由逆变器产生的电压，并且该逆变器于是仅对由降压变换器产生的DC 电压的电压波形的一半进行转换。如在图2中所见，逆变器包括连接在降压变换器的正输 出端和负输出端之间的两对开关部件。逆变器的开关成对受控，使得开关S3和S6同时被 控制导通，并且分别地，开关S4和S5同时被控制导通。如在图2中所见，变换器的每个开 关包括串联连接的二极管D3、D4、D5、D6。这些二极管用于阻断反向电压。参考图5和图7可以更好地理解本实用新型的功能。图5示出了逆变级输出端的 电压。逆变器将由降压变换器产生的DC电压的一半进行逆变以便于从三级DC电压获得五 级AC电压。这样，如果零之下的半波被整流，则来自于降压变换器的输出电压是图5的波 形。图7示出了逆变器的一个开关部件上的电压的波形以及通过该开关部件的电流。从图 7可见，该开关在输出电压周期的一半导通，并在该周期的另一半阻断。当逆变器的输出端连接到电网用于馈送电力时，输出电压应当被滤波。图2示出 了在逆变器和电网之间、被连接到逆变器的输出端的电感Li、L2。图6示出了经过电感之 后的仿真电流和电压波形，可以看出，电压和电流波形两者很符合正弦曲线。 如果需要对切 换频率电流纹波进行更好地衰减，逆变器输出端的滤波器可以被实现为LCL型结构。逆变器优选地操作于单位功率因数，这意味着电网电压和逆变器电流必须彼此同 相。为了产生用于逆变器的电流基准，电网电压的相角例如必须利用锁相环来确定。为了电 流控制，馈送到电网的AC电流被测量。于是电流控制器跟踪AC变量。电流幅度通过MPPT 来给出，这保证了逆变器以最有效的方式与PV板一起操作。逆变器3的切换瞬间与逆变器电流的过零点同步，S卩，与电网电压的过零点同步。 由于逆变器对PWM电压进行逆变，所以切换导致电压尖峰，这是针对逆变器的IGBT的反向 电压尖峰。为了防止损坏IGBT部件，逆变器需要反向电压阻断与IGBT串联的的二极管D3、 D4、D5、D6。根据本实用新型的另一个实施例，变换器的逆变器被实现成电流源逆变器。图8 示出了具有电流源逆变级的变换器的实现。当与图2进行比较时，仅逆变器的结构被改变。 该结构通过以下方式来改变将电感L4插入到逆变器的正输入端。在电流源逆变器的情况下，可以利用降压变换器的输出电压在逆变器的DC侧控 制逆变器的电流。DC侧电感器电流波形具有全波整流的正弦曲线电流的形状，AC侧电流是 通过利用电流源逆变器来对DC侧电流进行逆变而形成的。在DC侧电流控制中，电感L4的 DC电流被测量并控制到希望的值。如果期望，电流控制还可以在AC侧实现，如在电压源逆 变器的情况中那样。在电流源逆变器中，有源开关的切换与DC侧电流的零点同步。这意味着当逆变器 的输入端的电流下降到零时，逆变器的状态改变。这还意味着逆变器中的切换损耗几乎为零。由于上述实施例中的变换器的控制是基于DC电流，所以不根据任何模式来产生 输出电压波形。控制三级降压变换器以形成给出希望电流的电压。换句话说，电流控制器 控制三级降压变换器产生希望的电流。由于在大多数情况下希望电流的波形是正弦曲线， 所以产生的电压也通常是正弦曲线。图9示出了使用图8的电路的仿真供电电压波形。禾Ij 用变换器输出端的电容器和电感器来对供电电压进行滤波。如图9可见，输出电压是正弦曲线。图10还示出了滤波电容器C2的电压，图11示出了供电电流的仿真波形，该供电电 流被控制成具有正弦波形。从图12中更清楚地看出对电流的控制，图12示出了仿真的DC侧电感器电流。从 该波形中看出，电流具有小的纹波分量，其最大值位于最高幅度点。利用输出端滤波器结构 有效地消除了来自电流的纹波。图13示出了来自三级降压变换器的输出电压。由于在逆 变器输出端的电压不是PWM电压，所以该拓扑不产生高频共模电压。具有电流源逆变器的本实用新型的仿真利用以下参数和选择部件来实现。仿真 系统的额定功率是3kW，并且该仿真是在没有升压变换器1的情况下全功率实现的。逆变 器被连接到230V和50Hz的单相电源，输入DC电压是400V。降压变换器使用25kHz的调 制频率来操作。dc侧电感器L4的电感为lmH(1.8% p.u.)，ac侧电感器(L3)的电感为 200 μ H (0. 4% p. u.)。输入端电容器C3、降压变换器中的电容器Cl和ac侧电容器C2的电 容分别是 ImF (5. 5p. u. )、100 μ F (0· 6ρ· u.)以及 1 μ F (0· 6 % p. u.)。
当DC到AC变换器向电网供应功率时，该变换器的逆变器需要与电网同步。这通 过确定电网的相位和频率以及将利用逆变器产生的电流与电网相位同步来实现。此外，为 了将功率馈送到电网，通过DC到AC变换器产生的电压必须略高于电网电压。当电压源的 电压不够高时，将使用图2和图8中的三级升压变换器的第一级。为了提升输入电压，其它 类型的变换器也可以使用。以上引用了光伏板。清楚的是，馈送到本实用新型的变换器的DC电压可以利用多 个PV板、这种板的串或阵列来产生。随着技术的发展，对于本领域技术人员来说明显的是，可以利用各种方式来实现 本实用新型的概念。本实用新型及其实施例不仅限于上述实例，而是可以在权利要求的范 围内变化。
权利要求1.一种用于将DC电压变换成AC电压的变换器，该变换器包括DC到DC变换器(2)，其 特征在于该变换器包括逆变器(3)，用于将由DC到DC变换器⑵提供的DC电压逆变成AC电压，其中该逆变 器操作于所产生的AC电压的基频，以及DC到DC变换器⑵是三级降压变换器，包括串联连接的两个可控开关(Si、S2)，该串联连接的第一端形成DC到DC变换器的正输 入点G)，该串联连接的第二端形成DC到DC变换器的正输出点(8)，开关(S1、S2)的极性 为使得它们允许电流从正输入点流到正输出点；在DC到DC变换器的正输出点⑶和负总线(5)之间串联连接的两个二极管(D1、D2)， 所述两个二极管的极性为使得它们允许电流从负总线(5)流到正输出点(8)；以及电容器(Cl)，其第一端子连接到可控开关(Si、S2)之间的点，第二端子连接到所述两 个二极管(D1、D2)之间的点。
2.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于所述逆变器C3)是电流控制电压源逆 变器。
3.根据权利要求2所述的变换器，其特征在于所述逆变器的输出端配备有电感器 (L1、L2)。
4.根据权利要求1所述的变换器，其特征在于所述逆变器C3)是电流源逆变器。
5.根据权利要求4所述的变换器，其特征在于所述逆变器包括连接在所述DC到DC变 换器O)的输出端和所述逆变器(3)的输入端之间的电感器(L4)。
6.根据权利要求5所述的变换器，其特征在于流过所述电感器(L4)的所述逆变器的 输入电流被利用所述DC到DC变换器的电压来控制，并且该逆变器的切换与输入电流零点 同步。
7.根据权利要求4到6的任一权利要求所述的变换器，其特征在于所述逆变器的输 出端配备有LC滤波器(C2，L3)。
8.根据权利要求1到6的任一权利要求所述的变换器，其特征在于所述DC到AC变 换器还包括升压电路，该升压电路适于提高DC源电压，该升压电路的输出端被连接到所述 DC到DC变换器的输入端。
专利摘要提供了DC到AC变换器。一种用于将DC电压变换成AC电压的变换器，该变换器包括DC到DC变换器；逆变器，用于将由DC到DC变换器提供的DC电压转换成AC电压，其中该逆变器操作于所产生的AC电压的基频，并且DC到DC变换器是三级降压变换器，包括串联连接的两个可控开关，该串联连接的第一端形成DC到DC变换器的正输入点，该串联连接的第二端形成DC到DC变换器的正输出点，开关的极性为使得它们允许电流从正输入点流到正输出点；在DC到DC变换器的正输出点和负总线之间串联连接的两个二极管，所述两个二极管的极性为使得它们允许电流从负总线流到正输出点；以及电容器，其第一端子连接到可控开关之间的点，第二端子连接到二极管之间的点。
文档编号H02M3/155GK201918915SQ20102024947
公开日2011年8月3日 申请日期2010年6月30日 优先权日2009年7月2日
发明者安东尼奥·科恰, 格拉尔多·埃斯科巴尔, 米科·帕基宁, 莱昂纳多-奥古斯托·塞尔帕, 萨米·彼得松 申请人:Abb研究有限公司