CN100466446C - 直流电压转换成交流电压的方法、电路布置结构和逆变器 - Google Patents

直流电压转换成交流电压的方法、电路布置结构和逆变器 Download PDF

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Abstract

逆变器应该以简单的成本最优的电路结构避免在输入端子上出现的高频电压，同时应该实现高效率。这通过一种用于通过一具有开关元件(V1-V4)和自振荡元件(D1-D4)的桥式电路将一直流电源，特别是光电直流电源，的直流电压转换成具有一定频率的交流电压的方法，其中所述开关元件(V1-V4)一方面用供电频率触发控制，另一方面由高脉冲频率触发，其中存在一直流电路、一交流电路合多个自振荡阶段。该方法设想，在所述自振荡阶段期间，所述交流电路借助于一个设置在所述直流电路中的开关元件与所述直流电路脱离连接，其中在所述桥式电路中在所述脱离连接的状态下一个自振荡电流流过所述自振荡元件中的一个(D1)。

Description

直流电压转换成交流电压的方法、电路布置结构和逆变器
技术领域
本发明涉及一种用于将直流电压源的直流电压转换成交流电压的方法，以及用于实施该方法的电路布置结构和逆变器。
背景技术
DE 197 32 218 C1说明了一种无变压器的逆变器电路布置，具有一个反相的升压/降压变换器电路和一个非反相的变换器电路。这种逆变器用于与光电装置相连接。所述电路具有一固定电势的直接连接，即具有一保持在固定电势上的导体连接。在两个直流电压端子中的一个和交流电压端子中的一个之间在必要时可以将所述直接连接用作系统的零线并在将例如直流电压源的负极端子连接在其上，这在避免EMV(电磁兼容性)问题上是非常有利的。通过所述电路布置可以实现提供一种无变压器的逆变器，这种逆变器的重量和结构体积较低，而且人员安全性较高，EMV问题较小。
由DE 10312921 A1已知一种包括一半导体桥、一太阳能发电机和一个连接在所述太阳能发电机和所述半导体桥之间的开关元件的逆变器电路。这种电路布置设计成，当超过一个确定的太阳能发电机的直流电压时，所述开关元件断开，当发电机电压低于(一确定值)时所述开关元件接合，从而可用于逆变器电路或耗电器的输入电压的范围提高。通过这样的电路设计不能实现避免高频电压或消除EMV问题。
DE 102 21 592 A1公开了一种具有一桥式电路的无变压器逆变器。在这个电路布置中设有两个分开的电连接途径，其中分别设有一个开关和串联的整流二极管。所述开关和二极管沿导通方向连接在各连接途径中。与对称脉冲触发(takten)不同，通过这种电路布置可明显降低输出电流中的电流波动(Stromrippel)。附加的自振荡二极管(Freilaufdiode)允许在一太阳能发电机和交流电压端子之间利用电阻脱离连接。由此可防止在发电机的连接线路上出现高频的电压跃变，由此可改善EMV性能。
此外还已知将一种带有四个半导体开关的H-桥式电路用于无变压器的光电逆变器，所述半导体开关这样交替地连接，从而在电桥半部的分支之间由所加载的直流电压形成交流电压。为此所述开关元件是对称脉冲触发的。这里一个电桥半部的上部开关和另一个电桥半部的下部开关一起同步地利用高脉冲频率脉冲宽度调制地脉冲触发。
为了降低这样产生的交流电压的谐振采用了扼流圈/电抗器(Drossel)。为了保持所述交流电压中的谐振(Oberschwingung)较小，所述扼流圈的尺寸必须选择得较大。在这种解决方案中，会在扼流圈中出现较高的反复磁化损耗，从而电路的效率降低。
此外还有其它损耗，因为要同时开关两个开关元件，并且在自振荡/空程(Freilauf)状态下电流通过两个自振荡二极管流入中间直流电路。中间电路中的直流电压在自振荡状态起反电压的作用，这回引起较高的电流波动并由此使功率损耗升高。
为了降低所述损耗，已知对电桥进行不对称的脉冲触发。也就是说例如上部开关用供电频率进行触发控制，而下部开关用高的脉冲频率进行触发控制。由此消除了自振荡状态下中间电路中的反电压，因为电流只通过一个二极管和一个开关转换/换向。这会使电流波动较小并降低损耗。但是由于这种不对称的触发控制会在光电发电机的端子上出现高频的电势波动，这会使发电机的EMV性能变差。
在文献DE 102 21 592 A1中示出并说明了一种用于防止上述两个解决方案的缺点的措施。这里设想，在一桥式电路或者一H-电桥的输出端之间还附加地存在两个连接途径。在所述连接途径中有四个半导体元件，并且分别还有另一个带有所属的驱动级的开关元件以及一个串联的二极管。
避免所述两个缺点是以由于高得多的构件数量而较复杂的电路结构为代价的，由此电路的可靠性下降，而材料成本升高。
发明内容
本发明的目的是，提供一种开头所述类型的方法，在该方法中一方面避免发电机端子上的高频电压分量，另一方面可以以低损耗的实施和由此以较高的效率提供一种简单的电路结构。此外还应降低材料成本并提高可靠性。
所述目的通过一种用于通过一具有四个开关元件和四个自振荡元件的桥式电路将一光电直流电源的直流电压转换成具有一定频率的交流电压的方法来实现，其中所述开关元件用供电频率脉冲触发控制，或由高频脉冲触发，在该方法中，使用一直流电路、一交流电路和多个自振荡阶段，其中，在所述自振荡阶段期间，所述交流电路借助于一个设置在所述直流电路中的附加的开关元件与所述直流电路脱离连接，其中在所述桥式电路中在所述脱离连接的状态下一个自振荡电流流过所述自振荡元件中的一个，并且这样来不对称地触发控制所述桥式电路的所述开关元件，以使上部的电桥半部的开关元件由供电频率脉冲触发控制，而下部的电桥半部的开关元件由所述高频脉冲触发，位于所述直流电路中的附加的开关元件在一个半波中与下部的电桥半部的一个被脉冲触发的开关元件同步地被脉冲触发，而在另一个半波中与下部的电桥半部的另一个开关元件同步地被脉冲触发，其中，其中，在脱离连接的状态下，自振荡电流流过上部的电桥半部的自振荡元件中的一个。根据本发明在桥式电路中自振荡电流流过电桥的内部元件，从而由于所述两个电路通过附加的打开的开关而脱离连接的状态，在直流电路中不会出现高频的由脉冲触发过程产生的干扰。
通过根据本发明的方法以简单的方式并只利用一个附加的构件(与具有四个开关元件和四个自振荡二极管的简单的H-电桥不同)就可以避免直流中间电路的端子上的高频电压分量。与具有附加的连接途径的H-电桥(根据DE 102 21 592 A1具有六个开关元件和六个自振荡二极管)相比，电路的复杂程度降低，因为代替两个附加的包括致动控制单元的半导体开关元件和两个附加的二极管，只需要设有一个具有附属的致动控制单元的半导体开关元件(总共只有五个具有五个自振荡二极管的开关元件)。由此附加成本以及发生故障的概率降至最低。
此外，在根据本发明的解决方案中，在不花费用于触发控制电路的附加费用的情况下，还可以通过逻辑连接由例如H-电桥的下部开关元件的触发控制信号中获得用于附加的开关元件的触发控制信号。
通过根据本发明的方法可以有利地在没有高频干扰的情况下进行不对称运行，特别是如果按照本发明的一个有利的实施形式这样来触发控制所述桥式电路，以使位于直流电路中的附加的开关元件在一个半波中与所述一个电桥半部的下部开关同步地被脉冲触发，而在另一个半波与另一个电桥半部的下部开关同步地被脉冲触发。因此所述附加开关总是只与唯一一个开关同时被脉冲触发。
由于所述不对称的运行损耗被降至最低，而电路的效率得到改善。即根据一个有利的实施形式，按本发明的方法由于构件花费极少具有一具有不对称脉冲脉冲触发的H-电桥的优点，即具有高效率，还具有一简单的具有对称脉冲触发的H-电桥的优点，即避免在发电机端子上出现高频信号。
同样与对称触发不同，在不对称触发的情况下，会出现一个零电压状态，因为逆变器的输出端子的电压在+U，零，-U之间来回转换。由此电源滤波扼流圈中的反复磁化损耗降低，特别是部分载荷效率也会得到提高。
如果桥式电路的相应开关元件在kHz的范围内被脉冲触发，则导通损耗不如开关损耗重要，从而由于附加的开关元件，效率几乎与带有在桥式电路的输出端之间的附加的连接途径的H-电桥相同。
因为通过本发明一方面交流电压端子上的电压实际上是在一个正电势、零和一个负电势之间来回转换，另一方面通过脉冲宽度调制的脉冲可与负荷相适应，因此本发明例如可应用于一无变压器的光电逆变器中。
由于设有一个附加开关的反并联二极管，所述二极管不起自振荡二极管的作用，或者不会受到干扰，就如同例如被触发的开关的下部自振荡二极管在正常情况下同样不受干扰那样，因此存在对所采用的半导体进行优化的可能性。由此可采用这样的半导体构件，这种构件尽管具有不利的二极管特性，但另一方面却具有良好的开关特性和低的导通损耗。由此对于待触发的开关元件可采用最新的MOSFET半导体构件，这种半导体构件使得可以在效率和降低成本上进行进一步的优化。
所述目的还通过一种用于实施所述方法的电路布置结构来实现，该电路布置结构具有一个桥式电路和一个附加的开关元件。
所述目的还通过用于实施所述方法的或具有所述电路布置结构的逆变器来实现，该逆变器具有无变压器的设计。
附图说明
现在借助附图来说明本发明及其优点。
其中：
图1示出一逆变器的根据本发明的电路布置；
图2示出正半波期间的一个带有电流分布的开关图；
图3示出负半波期间的一个带有电流分布的开关图；和
图4示出脱离连接状态下的一个带有电流分布的开关图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的带有一个太阳能发电机SG或者一个光电发电机的逆变器1。所述电路布置允许实施一个用于将一光电直流源的直流电压转换成具有例如为50Hz频率的交流电压的方法。
在逆变器1的输入端子2上与所述太阳能发电机并联地连接一个滤波电容器C或存储电容器。所述太阳能发电机SG与电容器C形成一个中间直流电路或者说DC-电路。所述逆变器具有一个带有四个半导体开关元件V1-V4和一个附加开关V5的H-电桥3。与所述开关元件V1-V5并联地连接有自振荡二极管D1-D5。在电桥分支上在交流部分设有两个扼流圈L1和L2。
用供电频率例如50Hz对上部的开关元件V1和V3进行触发控制，而对下部的开关元件V2和V4则用一在kHz范围内例如16kHz的高脉冲频率进行脉冲宽度调制的脉冲触发。
特别是也可设计成MOSFET构件的附加的半导体开关元件V5与下部开关元件一起收到高脉冲频率—例如16kHz—的脉冲(触发)作用。所述开关元件V5在开关元件V1接入其中的供电电压的一个半波中与开关元件V4同步地和脉冲宽度调制地受到脉冲触发，如图2所示。这样负载电流通过开关元件V5、V1和V4形成。如果以高频脉动的半导体开关V5和V4同步地关闭，则负载电流沿一由V1和与V3反并联的二极管D3构成的自振荡途径转向/转换。
如图3所示，在供电电压的另一个半波(负半波)中，其中开关元件V3接通，而开关元件V5与开关元件V2同步地并且脉冲宽度调制地受脉冲触发。此时负载电流通过开关元件V5、V3和V2形成。如果同步断开高频脉冲触发的开关元件V5和V2，则负载电流在开关元件V1的并联自振荡二极管D1上转向，如图4所示。
由此根据本发明借助于一个设置在直流电路中的开关元件V5将负载电路从发电机的端子上脱离开，由此避免高频的电压分量出现所述端子线路上。因此所述开关元件V5还用作直流端相对于交流端的附加的断路开关。另一个直流端子类似地可通过开关V2或V4与交流电路脱离连接。
这里重要的是，通过开关元件V5和V2或V4对称的分配电压。由此优选使用具有相同特性的开关元件或二极管元件。
另外通过这种自振荡，降低电源滤波扼流圈L1和L2中的电流波动并由此降低反复磁化损耗。
通过本发明可以简单地实现一种低损耗、无变压器并且成本最优的逆变器，所述逆变器不会在直流电路中造成高频干扰。
参考标号表
1                       逆变器
2                       输入端子
3                       电桥
SG                      太阳能发动机
V1-V4                   桥式电路的开关元件
D1-D4                   桥式电路的自振荡元件
D5                      二极管
V5                      断路开关(开关元件)
C                       整流电容器
L1-L2                   电源滤波扼流圈
Rlast                   负载电阻
Llast                   负载电感

Claims (11)

1.一种用于通过一具有四个开关元件(V1-V4)和四个自振荡元件(D1-D4)的桥式电路将一光电直流电源的直流电压转换成具有一定频率的交流电压的方法，其中所述开关元件(V1-V4)用供电频率脉冲触发控制，或由高频脉冲触发，在该方法中，使用一直流电路、一交流电路和多个自振荡阶段，其特征在于，在所述自振荡阶段期间，所述交流电路借助于一个设置在所述直流电路中的附加的开关元件与所述直流电路脱离连接，其中在所述桥式电路中在所述脱离连接的状态下一个自振荡电流流过所述自振荡元件中的一个(D1-D4)，这样来不对称地触发控制所述桥式电路的所述开关元件(V1-V4)，以使上部的电桥半部的开关元件(V1或V3)由供电频率脉冲触发控制，而下部的电桥半部的开关元件(V2或V4)由所述高频脉冲触发，位于所述直流电路中的附加的开关元件(V5)在一个半波中与下部的电桥半部的一个被脉冲触发的开关元件(V2)同步地被脉冲触发，而在另一个半波中与下部的电桥半部的另一个开关元件(V4)同步地被脉冲触发，其中，在脱离连接的状态下，自振荡电流流过上部的电桥半部的自振荡元件(D1或D3)中的一个。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述交流电路中通过至少一个扼流圈来实现减小谐振。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述交流电路中通过两个串联的并且设置在不同的桥分接头上的扼流圈(L1、L2)来实现减小谐振。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法应用在一个无变压器的光电逆变器(1)中。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述桥式电路相应的由高频脉冲触发的开关元件(V2、V4、V5)在kHZ的范围内被脉冲触发。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述桥式电路相应的由高频脉冲触发的开关元件(V2、V4、V5)以脉冲宽度调制的方式被脉冲触发。
7.用于实施根据上述权利要求中任一项所述的方法的电路布置结构，具有一个桥式电路和一个附加的开关元件(V5)。
8.根据权利要求7所述的电路布置结构，其特征在于，所述附加的开关元件(V5)设有一个反并联的二极管(D5)。
9.根据权利要求7或8所述的电路布置结构，其特征在于，所述桥式电路的开关元件(V1-V4)设计成MOSFET半导体构件。
10.根据权利要求9所述的电路布置结构，其特征在于，只有高频脉冲触发的开关元件(V2、V4)和所述附加的开关元件(V5)设计成MOSFET半导体构件。
11.具有用于实施根据权利要求1至6中任一项所述方法的结构或根据权利要求7至10中任一项的电路布置结构的逆变器，其特征在于，具有无变压器的设计。
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