用於將dc電壓轉換為三相ac輸出的方法和變換器的製作方法

2024-02-10 07:17:15 1

專利名稱：用於將dc電壓轉換為三相ac輸出的方法和變換器的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於將DC電壓轉換為三相AC輸出的方法和變換器，如 權利要求1和權利要求5的前序部分分別所述.本發明特別涉及對由能 量源提供的DC電壓的轉換，該轉換在AC輸出頻率的周期時間內提供恆 定功率。本發明更特別涉及對太陽能電池陣列提供的DC電壓的轉換。
背景技術：
在IEEE功率電子專家會議(the IEEE Power Electronic Specialist Conference,PESC)的會議錄2002第1483-1488頁的一篇由T. Shimitzu 等完成的文章中，公開了所述類型的方法和變換器.
如果具有輸出頻率的AC輸出電壓被提供給電阻負栽，AC電流會流 過該負載，該負栽具有與AC電壓相同的波形和相.因此，如果波形是 正弦的，輸出功率將以兩倍於所述輸出功率的正弦波形波動.DC源由脈 動功率負栽，儘管理所當然它能提供恆功率.結果，如果DC源是這樣
一種類型，其將來自它的周圍環境的能量轉換為電能，諸如太陽能電池 陣列，那麼來自該環境的可用能量的很大部分將不會被利用，而包含這 樣的能量源的系統的總體效率會很低。為了解決該問題，公知可以在轉 換器的輸入側緩衝能量，以補償源所負栽的能量。然而，這種解決方案 需要採用大的電解電容作為緩衝。這些電容昂貴、體積大，且只有有限 的壽命，該壽命與太陽能電池的期望壽命例如25年相比是很短的.為 了解決這個問題，所述文章公開了使用DC功率平滑電路，該電路被連 接用於接收DC輸入電壓，以減小由脈動輸出功率引起的紋波.該平滑 電路包含電容，其被充電至兩倍於DC輸入源的電壓.結果，所述電容 會小於通常採用的電解電容.除了採用電解電容的缺點外，脈動輸入/ 輸出功率差的問題也還沒有得到解決。
所述文章公開的現有技術變換器包括通常公知的逆向轉換器，其是 基於通常公知的加減轉換器。逆向轉換器能量由變壓器中的磁場緩沖 (用單個電感中的加減轉換器取代所述變壓器)。能量在能量輸入間隔 期間從DC源被提供到變壓器的初級線圉，並在能量輸出間隔期間從變 壓器的次級線團取出，能量輸出間隔與能量輸入間隔交替。這可以高頻
率運行，如200kHz.脈衝寬度調製(PWM)被用於使DC輸出電壓形變， 以適應具有如50Hz低頻率的AC輸出電壓的半周期.採用現有技術的變 換器，次級線圃是對稱的，使得它的外部端子與和開關串聯的對應二極 管相連，並與負載的笫一端相連，並且次級線圉的中心抽頭與負栽的笫 二端相連。在DC轉換器的輸出側的開關被控制用於在AC輸出電壓周期 的隨後半周期中連接具有相反極性的DC輸出電壓.
現有技術變換器的缺點在於它仍需要採用電解電容，且它採用切換 的平滑緩衝.
現有技術變換器的另一個缺點在於它需要變壓器，該變壓器在它的 輸出側具有對稱次級線團、二個二極體以及二個開關.因此，該變換器 相對較貴.
現有技術變換器還有一個缺點在於它需要被使用三次，以提供三相 AC輸出電壓.因此，它需要相當大量的硬體.
還需要採用附加的硬體以同步三個AC輸出電壓，並進行相移使它 們相互之間具有120。的相差。所述文章沒有公開將單相變換器應用於多 相配置。因而，它沒有公開需要同步和相移以及用於它們的合適的硬 件。

發明內容
本發明的目的在於解決如上所述的現有技術的缺點.
本發明的以上目的可以通過採用如權利要求1所述的方法獲得.因 此，由於每個DC/DC轉換器中的能量流，不需要短暫存儲由DC源產生 的能量.也不需要採用單獨的DC功率平滑電路以及它對每個相的控制. 該方法只可用於提供三相AC輸出.三相的同步是本發明的內在屬性.
本發明的以上目的也可以通過採用如權利要求5所述的變換器獲 得.因此，從部件數目和部件尺寸的角度看，該變換器可通過少量的硬 件實現。它會減小製造、安裝以及維護變換器的成本.


通過以下的實例說明並結合附圖，本發明將更為顯而易見，其中 圖l是根據本發明的變換器的第一實施例的示意圖； 圖2是根據本發明的變換器的第二實施例的示意圖； 圖3到圖5中的每一個是三個DC輸出電壓的一個輸出以及對應輸 出功率的時間圖6到圖8中的每一個是三對DC輸出電壓間三個差動電壓的一個 輸出的時間圖9到圖11中的每一個是三個AC輸出電流的一個輸出的時間以及
困12是圖3到圖5中所示的輸出功率曲線以及它們的和的時間圖。
具體實施例方式
圖1中，附圖標記2指根據本發明的變換器的笫一實施例.如以下 所進一步具體說明，變換器2將DC (直流)輸入電壓轉換為三相AC (交 流)輸出電壓系統.在該說明書中，相位由字母R、 S和T表示.具有 相同意思但不同相位的附圖標記由相應的相字母實現.如果包含附圖標 記的表述類似地適用於所有相位，則出於簡化的緣故，所述字母R、 S 和T在此會被省略.只是作為示例，假定變換器被設計用於提供具有在 每相位與中立參考間230Vrms、頻率為50Hz以及間隔或周期時間為 20ms的AC輸出電壓.
變換器2具有兩個輸入端4和6以及三個輸出端8R、 8S和8T.輸 入端4和6被示為與DC電壓源9相連.具體而言，DC電壓源9是太陽 能電池陣列，其能在AC輸出周期期間提供實質上恆定的輸入功率。輸 出端8R、 8S和8T被示為與三相電源或柵極IO相連，其對每個相分別 包括AC電壓源12R、 12S和12T.通常的中立參考點由接地符號13表 示。
變換器2對每個相R、 S和T包括相應的DC/DC轉換器.對於如圖 l所示的笫一實施例，每個DC/DC轉換器是加減型(buck-boost)的，其 包括電感14、第一開關16、第二開關18以及電容20.電感14和第一 開關16與DC輸入端4和6串聯相連.笫二開關18和電容20串聯.該 串聯連接與電感14並聯。開關16和18可以是M0SFET。第二開關18 (它的漏極)和電容20的連接節點與DC/DC轉換器的DC輸出21連接。 已知，對如上所述一個相的電路，但由二極體22 (如幻線所示)取代笫 二開關18，且二極體的正極與電感14相連，為加減DC/DC轉換器。採 用該轉換器，第一開關16通過控制電路(未顯示)以高頻(如200kHz) 被交替打開與切斷。在第一開關16的導通態期間，電流流過電感14. 在該時間段，能量被作為磁場能存貯在電感14中。在切斷第一開關16(使它不導通)後，並當採用所述二極體22取代笫二開關18時，通過 電感14的電流將繼續流動，但現在流過不同的電路，其包括所述電感 14、電容20、與DC輸出21相連且與電容20並聯的可能外部負栽以及 所述二極體22.因此，在笫一開關16切斷期間，電容20將被來自電 感14的電流充電。通過電感14的電流會逐漸減小，對電容20充電引 起電容20上的DC輸出電壓幅度增加.所述幅度可以通過控制控制信號 的工作周期來控制，由此，笫一開關16由控制信號打開和切斷.因此， 可控制DC輸出電壓以具有作為時間函數的特定波形，該特定波形具有 的幅度比由DC源9提供的DC輸入電壓更低(減)或更高(加)。
如下文中顯而易見的，採用優選的操作，DC/DC轉換器的輸出功率 在兩個AC輸出電壓的1/12時間段中是負的.為了允許這種DC/DC轉換 器中的雙向功率流，必須採用雙向開關18取代單向二極體22. MOSFET 開關18具有內在的二極體，MOSFET的源極和體材料作為二極體的陽 極，而它的漏極作為二極體的陰極.對每個相R、 S和T，控制開關16 和18使得不在相同時間導通.
變換器2進一步包括電容23，其與第一開關16並聯；電感24， 其與DC輸出21以及AC輸出8相連；以及電容26，其與AC輸出8連 接；以及公共中立節點，該公共中立節點由接地符號13表示。電容23
與其它部件一起用作高頻共振電路，通過該高頻共振電路可以減小開關 16的開關損耗.電感24與其它部件一起被用於使AC輸出8的AC輸出 電壓的波形成形.電容26對AC輸出電壓濾波.如果電容26被省略， 變換器仍能正常工作.
圖2示出根據本發明的變換器的第二實施例27，其與圖1中所示的 第一實施例的不同在於，電感14由變壓器28替代，該變壓器28包括 初級線圍29和次級線閨30.初級線閨29以圖1中電感的方式連接。 次級線團30與第二開關18和電容20相連，使得電容與第二開關18以 及次級線團30的串聯電路並聯，而不與DC輸入端4相連。因此，包括 所述初級線團29的初級部分沒有與包括次級線團30的次級部分相連的 電連接。這被用於DC輸入源9與電源IO的安全電隔離.
變換器2和27的開關16和18被脈衝寬度控制(PWM)，用於在DC 輸出21R、 21S和21T分別產生電容2 0R、 20S和20T上的DC輸出電壓 D。、 DCs和DCt，並分別具有如圖3、 4和5中實線所示的波形。每個所述波形具有相同的形狀，包括在AC輸出周期的1/3或120°這段時間振 幅為O的笫一部分，以及與笫一部分交替，在AC輸出周期的2/3或240° 這段時間振幅不為O的笫二部分.波形的第二部分的形狀符合褒蓋正弦 波形120。的初始部分與其後跟隨的覆蓋正弦波形60°-180°的部分的連 接。對於相應的三個相R、 S和T的三個波形被相移使彼此具有120°的 相差。當相互間減去具有如圖3、 4和5中所示波形的兩個DC輸出電壓 後，正弦波形結果將會如圖6、 7和8所示.如果AC輸出8R、 8S和8T 與外部設備特別是電源IO相連，AC電流將會流過對應的電感24R、 24S 和24T，其將會對AC輸出波形產生與所述相互間減去DC輸出電壓相 同的效果.因此，三個電流lR、 Is和It將具有正弦波形，並被相移使彼 此具有120。的相差，如圖9、 lO和ll所示.如果變換器2、 27的輸出 與負載電阻相連，AC輸出8R、 8S和8T處的AC輸出電壓將分別分別 具有與對應的AC電流lR、 Is和It相同的形狀和相位.
變換器2和27對應每個相的輸出功率與DC輸出電壓相等，該DC 輸出電壓由通過對應該相的電感24的電流倍增。對於輸出功率PR、 Ps 和PT的結果波形分別在圖3、 4和5中如虛線所示，當對輸出功率PR、 Ps和PT的所述波形求和時，表示變換器2、 27的平均輸出功率Pav的平 直線如圖12所示.結果，DC電壓源9實質上以恆定輸出功率與負栽相 連，該恆定輸出功率實際上與電壓源9可以提供的輸入功率相同.因此， 根據本發明的變換器2、 27在DC源9為諸如太陽能電池陣列的發電器 的情形中具有非常高的能效，而不需要大體積的電解電容，用於在脈沖 輸出功率的很長時間中儲存來自DC源的能量.由於沒有所述電解電 容，根據本發明的變換器2、 27的製造成本將會降低，它的尺寸將會減 小，它的壽命將會增加，而不需要維護更換電解電容.
在振幅為0的DC輸出波形的所述笫一部分中，第一開關被設置為 未導通。在這段時間中，第二開關18被設置為並保持導通.結果，在 這段時間中不會發生開關損耗，這將增加變換器2、 27的效率，
要注意到，在由權利要求確定的本發明的範圍內，可以進行一些修 改。例如，圖3、 4和5中的DC輸出波形只是優選實例。取決於AC輸 出波形的形狀(純正弦波或非純正弦波)，可以採用其它的DC輸出波 形。為了獲得恆定輸出功率Pav，只需要差動電壓(DCr-DCs; DCs-DCt; DCt-DCr)是正弦的，此外，加減型(buck-boost)DC/DC轉換器
與逆向型DC/DC轉換器也只是示例，並可以被不同類型的DC/DC轉換 器所替代.
權利要求
1、一種用於將來自DC源(9)的DC(直流)輸入電壓轉換為具有AC輸出波形、AC輸出頻率和AC輸出周期的AC(交流)輸出電壓的方法，該方法包括將所述DC輸入電壓轉換為具有特定DC輸出波形的DC輸出電壓；將具有相反極性、相似的但進行了時移的DC輸出電壓波形相結合，以提供相對參考電壓的AC輸出電壓，其特徵在於所述DC輸入電壓被轉換為三個DC輸出電壓(DCR、DCS、DCT)，其中每一個對應一個相(R、S、T)，並具有相同的但進行了時移的波形，每個所述DC輸出電壓提供給對應的電感(24)以提供該AC輸出電壓，且該波形使得當相互間減去任何兩個所述的DC輸出電壓後，可以獲得具有所述AC輸出頻率的正弦波形。
2. 根據權利要求l的方法，其特徵在於在所述AC輸出周期的120。的笫一部分中，每個所述DC輸出電壓 (DCr、 DCs、 DCt)為0，以及在所述AC輸出周期的剩餘240°的第二 部分中，每個所述DC輸出電壓的波形符合具有AC輸出頻率並覆蓋正弦 波形0。-120°的第一部分與覆蓋所述該正弦波形60。-180°的第二部分間 的連接。
3. 根據權利要求1或2的方法，其特徵在於所述DC輸入電壓的每個DC/DC轉換由對應的加減轉換器實施.
4. 根據權利要求1或2的方法，其特徵在於所述DC輸入電壓的每個DC/DC轉換由對應的逆向轉換器實施.
5. 用於將來自DC源(9)的DC (直流)輸入電壓轉換為具有AC 輸出波形、AC輸出頻率和AC輸出周期的AC (交流)輸出電壓的變換器 (2,27)，其包括DC/DC轉換器，用於將DC輸入電壓轉換為具有特定 DC輸出波形的DC輸出電壓；結合電路，用於將具有相反極性、相似的 但進行時移的DC輸出電壓波形結合，以提供相對參考電壓的AC輸出 電壓，其特徵在於所述變換器包括具有DC輸出(21R、 21S、 21T)的三個DC/DC轉 換器，用於將所述DC輸入電壓轉換為三個對應的DC輸出電壓(DCR、 DCS、 DCT)，它們具有相同的但進行了時移的波形，每個所述的DC輸出(21R、 21S、 21T)對應三個相(R、 S、 T)中的每一個通過電感(24R、 24S、 24T)與相應的AC輸出(8R、 8S、 8T) 相連接，且所述變換器進一步被配置具有控制工具，用於通過以這樣一 種方法控制所述DC/DC轉換器以控制DC輸出電壓得形狀相互間減 去任何兩個所述的DC輸出電壓，產生具有所述AC輸出頻率的正弦波 形.
6. 根據權利要求5的變換器，其特徵在於每個DC/DC轉換器被控制用於使在所述AC輸出周期的120°的第一 部分中，它的DC輸出電壓的波形振幅為0，並使在所述AC輸出周期的 剩餘240。的笫二部分中，所述振幅為非O，使得所述波形符合具有所述 AC輸出頻率並覆蓋正弦波形0°-120°的第一部分與覆蓋所述該正弦波形 60°-180°的第二部分間的連接.
7. 根據權利要求5或6的變換器，其特徵在於每個所述DC/DC轉換器包括開關(18)，所述開關(18)與所述 DC/DC轉換器的輸出(21 )相連，且控制所述開關(18 )使其在它的DC 輸出電壓的波形的所述第一部分期間導通.
8. 根據權利要求5、 6或7的變換器，其特徵在於 每個所述DC/DC轉換器為加減轉換器。
9. 根據權利要求5、 6或7的變換器，其特徵在於-. 每個所述DC/DC轉換器為逆向轉換器.
10. 根據權利要求8或9的變換器，其特徵在於平行於每個DC/DC轉換器的輸入側的開關(16)，連接了一個電 容(23)
11. 配置具有太陽能電池陣列以及根據權利要求5到10的變換器 的太陽能系統.
全文摘要
用於將由DC源(9)提供的DC輸入電壓轉換為三相AC輸出的方法和變換器(2、27)，該DC源(9)特別是太陽能電池陣列。對每個相(R、S、T)，DC輸入電壓被轉換為具有特定波形的DC輸出電壓(DCR、DCS、DCT)。三個DC輸出電壓的波形是相同的，相互間時移了120°，並使得它們在被減去它們中的任意兩個後，能獲得正弦波形。每個DC輸出電壓的波形可以包括AC輸出周期的1/3或120°且振幅為0的第一部分以及隨後的AC輸出周期的2/3或240°的第二部分，在第二部分期間DC輸出電壓具有非0的振幅。
文檔編號H02M7/42GK101199108SQ200680003338
公開日2008年6月11日 申請日期2006年1月23日 優先權日2005年1月28日
發明者U·博克 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司