CN101416375A - 开关损耗有所减少、使用寿命有所延长的节省空间型逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种逆变器，尤其是太阳能逆变器。根据本发明，所述逆变器具有一个升压变流器(4)、一个线换向控制变流器(2)和一个滤波器(6)，其中，所述滤波器(6)与所述线换向控制变流器(2)的交流电压侧接点(12，14，16)相连，所述升压变流器(4)在其输出端与所述线换向控制变流器(2)的直流电压侧接点(8，10)相连，所述线换向控制变流器(2)的每个相(R，S，T)上均具有一个用作功率变流阀(T1，T2；T3，T4；T5，T6)的带有反向并联二极管(30)的可断开功率半导体开关(28)，所述可断开功率半导体开关(28)在其控制端与一个控制装置(32)相连，所述控制装置的输入端上施加有电网(18)的确定的相电压。借此获得成本更低、更为节省空间的逆变器，尤其是太阳能逆变器。

Description

开关损耗有所减少、使用寿命有所延长的节省空间型逆变器
技术领域
本发明涉及一种逆变器，尤其是太阳能逆变器。
背景技术
使用再生能源时，往往需要将直流电压源的能量馈入电网(例如三相电网)。为此须使用可将直流电转变成交流电的逆变器。如果将太阳能发电机用作再生能源，用于将太阳能发电机所产生的能量馈入电网的逆变器就叫做“太阳能逆变器”或作为太阳能逆变器被出售。
可购得的太阳能逆变器具有自换向脉冲控制变流器，这个自换向脉冲控制变流器在其交流电压侧通过多相扼流电路与吸收再生能量的电网相连。这个自换向脉冲控制变流器在其直流电压侧与至少一个电解电容器并联连接。这个自换向脉冲控制变流器的控制装置的控制端与自换向脉冲控制变流器的可断开功率半导体开关的控制输入端导电相连，其中，输入端上施加吸收能量的电网的确定的相电压和确定的相电流。
电解电容器在这种可购得的太阳能逆变器中的使用会使太阳能逆变器的使用寿命受到限制。这个使用寿命仅为几万个工作小时。此外，这种太阳能逆变器还须使用占用较大空间的电源电感器。除此之外，控制装置较为复杂，因而成本较高。
这类可购得的太阳能逆变器例如用不间断供电设备(又称“UPS设备”)的逆变器建构而成。借此可削减研制太阳能逆变器所需的成本。UPS设备的逆变器适用于这第二种用途的原因在于，一方面，UPS设备的逆变器同样是将来自于电池的能量馈入电网，另一方面，UPS设备包括一个整流器、一个电压中间电路和一个逆变器等单个元部件。在此情况下，就可对UPS设备的“逆变器”这一元部件加以利用。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种逆变器，借助这种逆变器可建构成本更低、更节省空间的太阳能逆变器。
根据本发明，这个目的通过权利要求1的特征而达成。
如果所述逆变器具有一个线换向控制变流器，且所述线换向控制变流器在其直流电压侧配有一个升压变流器，在其交流电压侧配有一个滤波器，则所述逆变器就无需再具有电解电容器和电源电感器。借此可显著延长逆变器的使用寿命，大大减小其所需占用的空间。由于使用线换向控制变流器替换自换向脉冲控制变流器，所以可用一个简单的控制装置替换复杂的控制装置。这种简单的控制装置只需使用吸收能量的电网的相电压。
线换向控制变流器公开自标题为“基频前端变流器(F3E)——无电解电容器的直流环节驱动变流器(Fundamental Frequency Front End Converter(F3E)-a DC-link drive converter without electrolytic capacitor)”的论文，该论文刊登于研讨会“PCIM 2003”(2003年5月，纽伦堡)的会议论文集中。
因此，本发明是通过用升压变流器(尤其是高频同步升压变流器)替换负载侧的自换向脉冲控制变流器来建构这种无电容器电压中间电路变流器的太阳能逆变器。这个升压变流器的两个输入端接点可连接至太阳能发电机。借助这个升压变流器可对所述逆变器进行控制，使得太阳能发电机总是处于“最大功率点”(MPP)这一工作点上。
根据本发明的逆变器的一种有利实施方式，所述升压变流器在其输入端配有一个电容器。借助这个电容器可对太阳能发电机在预定时间段内的电压波动进行平衡。
如教科书中所写，升压变流器具有一个可断开功率半导体开关、一个去耦二极管、一个存储电感器和一个滤波电容器，这些元部件以已知方式彼此连接成一个升压变流器。为了尽可能减小存储电感器的结构体积，对升压变流器进行高频同步。时钟频率越高，存储电感器的结构体积就越小。可断开功率半导体开关的开关损耗也会随着时钟频率的升高而增大。为减小开关损耗，使用用碳化硅制成的可断开功率半导体开关作为上述可断开功率半导体开关。举例而言，将常关闭型的MOS场效应晶体管(MOSFET)或用硅制成并与碳化硅制二极管反向并联的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)用作可断开功率半导体开关。通过减小开关损耗，升压变流器的可断开功率半导体开关只需具有一个无需占用多大空间的冷却装置，从而使本发明逆变器的所需空间远小于已知逆变器的所需空间。
附图说明
下面借助附图所示的本发明逆变器的实施方式对本发明作进一步说明。
具体实施方式
根据这个附图中的等效电路图所示，本发明的逆变器(尤其为太阳能逆变器)具有一个线换向控制变流器2，该线换向控制变流器2在其交流电压侧具有一个滤波器6，在其直流电压侧具有一个升压变流器4。升压变流器4在其输出端与线换向控制变流器2的直流电压侧接点8和10相连。滤波器6与线换向控制变流器2的交流电压侧接点12、14和16导电相连。这些接点12、14和16上连接有一个需要从直流电压源20(例如为一再生能源)吸收能量的电网18。
在其直流电压侧使线换向控制变流器2与所述逆变器的直流电压侧接点22和24导电相连的升压变流器4具有一个可断开功率半导体开关THS、一个去耦二极管DHS、一个存储电感器LS和一个滤波电容器CG1，其中，接点22和24可连接至直流电压源20。可断开功率半导体开关THS与去耦二极管DHS串联导电连接。滤波电容器CG1与这个串联连接结构并联。在此情况下，滤波电容器CG1也与线换向控制变流器2的直流电压侧接点8和10并联导电连接。可断开功率半导体开关THS与去耦二极管DHS所构成的串联电路中的节点26通过存储电感器LS与所述逆变器的直流电压侧接点22导电相连。如果将太阳能发电机用作直流电压源20，所提供的直流电压UDC就会在预定时间段(当日)内发生波动。为能大体消除这种电压波动，逆变器的直流电压侧接点22和24上并联导电连接有一个第二滤波电容器CG2。
线换向控制变流器2具有用作功率变流阀T1、...、T6的可断开功率半导体开关28，这些特定而言为绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的可断开功率半导体开关分别与一个二极管30反向并联导电连接。每两个功率变流阀T1和T2、T3和T4、T5和T6构成一个桥接旁路，这个桥接旁路又称为功率变流相R、S、T。每个功率变流相R、S、T的彼此串联导电连接的功率变流阀T1和T2、T3和T4、T5和T6之间的节点分别构成线换向控制变流器2的一个交流电压侧接点12、14、16。这些接点12、14和16一方面与滤波器16相连，另一方面与吸收能量的电网18相连。
滤波器6具有三个采用星形接法的电容器C1、C2和C3。这些电容器也可采用三角形接法。此外，滤波器6还具有三个分别与一个电容器C1、C2、C3串联的阻尼电阻器R1、R2和R3。
为能对线换向控制变流器2的功率变流阀T1、...、T6的可断开功率半导体开关28进行控制，设置有一个控制装置32。控制装置32所产生的控制信号对功率变流阀T1、...、T6的可断开功率半导体开关28进行控制，使得这些可断开功率半导体开关在对应的反向并联二极管30导通时也开始导通。也就是在自然换向时间点(两个相电压的交点；相间电网电压的幅值等于零)分别产生一个控制信号。在此情况下，线换向控制变流器2的每个可断开功率半导体开关28在与其反向并联的二极管30的通电时间内均处于导通状态。通过对线换向控制变流器2的功率变流阀T1、...、T6的可断开功率半导体开关28进行这种电网频率控制，可随时对线换向控制变流器2进行反馈。控制装置32的实施方式可从例如DE 199 13 634 A1中获取。
这个线换向控制变流器与滤波器6共同构成一个所谓的基频前端(F3E)。如前文所述，专题研讨会“PCIM 2003”的会议论文集中对无电容器电压中间电路变流器进行了详细说明，这种电压中间电路变流器除了负载侧自换向脉冲控制变流器外，还具有用作网侧功率变流器的F3E功率变流器。
为了尽可能减小升压变流器4的存储电感器LS的结构体积，以便能用所述逆变器(尤其为太阳能逆变器)内部的较小空间来安装这个存储电感器，用高频对升压变流器4的可断开功率半导体开关THS进行同步。为能对高时钟频率进行转换，设置一个MOSFET或一个结型场效应晶体管(JFET)。在附图所示的本发明逆变器的等效电路图中，设置有一个N沟道增强型MOSFET，用作可断开功率半导体开关THS。为减小高时钟频率情况下的开关损耗，将用碳化硅制成的MOSFET和JFET用作可断开功率半导体开关THS。此外还可将IGBT用作可断开功率半导体开关THS。为使后者具有转换高时钟频率的能力，用硅制备该IGBT，用碳化硅制备相应的反向并联二极管。借助这个升压变流器4可将滤波电容器CG1上的直流电压控制成已整流的电网电压的值。通过这种方式，作为直流电压源20连接在所述逆变器(尤其为太阳能逆变器)的直流电压侧接点22和24上的太阳能发电机就可以总是在工作点MPP上进行工作。
通过以本发明的这种建构方式对逆变器(尤其为太阳能逆变器)进行建构，一方面可显著延长逆变器的使用寿命，另一方面可使这种逆变器的制备成本远低于可购得的逆变器的制备成本。此外，本发明的逆变器的所需空间也显著减小。

Claims (10)

1.一种逆变器，所述逆变器具有一个升压变流器(4)、一个线换向控制变流器(2)和一个滤波器(6)，其中，所述滤波器(6)与所述线换向控制变流器(2)的交流电压侧接点(12，14，16)相连，所述升压变流器(4)在其输出端与所述线换向控制变流器(2)的直流电压侧接点(8，10)相连，所述线换向控制变流器(2)的每个相(R，S，T)上均具有一个用作功率变流阀(T1，T2；T3，T4；T5，T6)的带有一反向并联二极管(30)的可断开功率半导体开关(28)，这些可断开功率半导体开关(28)在其控制端与一控制装置(32)相连，所述控制装置的输入端上施加电网(18)的确定的相电压。
2.根据权利要求1所述的逆变器，其特征在于，
所述升压变流器(4)在其输入端配有一个电容器(CG2)。
3.根据权利要求1和2中任一项权利要求所述的逆变器，其特征在于，
所述升压变流器(4)具有一个可断开功率半导体开关(THS)、一个去耦二极管(DHS)、一个存储电感器(LS)和一个滤波电容器(CG1)，其中，所述可断开功率半导体开关(THS)与所述去耦二极管(DHS)串联导电连接，所述滤波电容器(CG1)与该串联连接结构并联导电连接，一个输入端接点(22)通过所述存储电感器(LS)与所述可断开功率半导体开关(THS)和所述去耦二极管(DHS)之间的节点(26)相连。
4.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的逆变器，其特征在于，
提供一个自阻断的MOS场效应晶体管用作所述升压变流器(4)的可断开功率半导体开关(THS)。
5.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的逆变器，其特征在于，
提供一个绝缘栅双极型晶体管用作所述升压变流器(4)的可断开功率半导体开关(THS)，所述绝缘栅双极型晶体管用硅制成，并带有一个用碳化硅制成的反向并联二极管。
6.根据权利要求4所述的逆变器，其特征在于，
常关闭型的MOS场效应晶体管用碳化硅制成。
7.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的逆变器，其特征在于，
所述交流电压侧的滤波器(6)具有三个采用星形接法的电容器(C1，C2，C3)。
8.根据权利要求1至6中任一项权利要求所述的逆变器，其特征在于，
所述交流电压侧的滤波器(6)具有三个采用三角形接法的电容器(C1，C2，C3)。
9.根据权利要求7或8所述的逆变器，其特征在于，
所述交流电压侧的滤波器(6)的每个电容器(C1，C2，C3)均与一个阻尼电阻器(R1，R2，R3)串联。
10.根据权利要求3所述的逆变器，其特征在于，
提供一个薄膜电容器用作滤波电容器(CG1)。
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