CN101669276A - 逆变器 - Google Patents

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Abstract

一种逆变器，具有桥接电路，该桥接电路具有四个开关元件(S3，S4，S5，S6)，其中该桥接电路的两个相对的接线端子(1，2)与该逆变器的直流电压部分相连接，并且该桥接电路的另外两个接线端子(3，4)与该逆变器的交流电压部分相连接，其中通过适当地控制开关元件(S3，S4，S5，S6)能够将直流电压和交流电压相互转换。根据本发明规定：在直流电压部分中，在正直流电压端子上耦合有第一直流电压侧开关元件(S1)，在该第一直流电压侧开关元件(S1)之后布置有电感(L1)和二极管(D2)，其中该电感(L1)被串联在第一开关元件(S1)与该桥接电路的第一接线端子(1)之间。在一方面电感(L1)与二极管(D2)、以及另一方面该桥接电路的第二接线端子(2)之间的串联电路中可以接有第二直流电压侧开关元件(S2)，该第二直流电压侧开关元件(S2)在闭合状态下将电感(L1)与该桥接电路的第二接线端子(2)相连接。

Description

逆变器
技术领域
本发明涉及一种具有桥接电路的逆变器，该桥接电路具有四个开关元件，其中该桥接电路的两个相对的接线端子与该逆变器的直流电压部分相连接，并且该桥接电路的另外两个接线端子与该逆变器的交流电压部分相连接，其中根据权利要求1的前序部分，通过适当地控制所述开关元件能够将直流电压和交流电压相互转换。
背景技术
逆变器广泛地应用在电工技术中、尤其是应用在替代的发电系统中，所述替代的发电系统譬如为：燃料电池装置和光伏装置(所谓的“静止系统”)、或者风力发电装置(所谓的“旋转系统”)。静止系统为了将功率馈入供电网络而需要一种将积累的DC功率转换成AC功率并以适合于电网的方式馈入的逆变器。旋转系统产生AC功率，但是该AC功率通常首先被转换成DC功率，并接着被转换回AC功率，这样做一方面是为了能够扩展发电机在机械方面的工作范围(例如转速范围)，而另一方面也是为了保证交流电压的对于电网馈入来说所需的质量。在此，逆变器使得能够将馈入侧的电参数与电网侧的参数中的比如频率和电压的那些参数分开，并且因此是馈入侧与电网之间的中央连接部分。
在此，根据现有技术，通常使用具有桥接电路的逆变器，该桥接电路具有四个开关元件，其中该桥接电路的两个相对的接线端子与该逆变器的直流电压部分相连接，并且该桥接电路的另外两个接线端子与该逆变器的交流电压部分相连接，其中通过适当地控制所述开关元件能够将直流电压和交流电压相互转换。但是在此情况下，对于该桥接电路的开关元件来说通常需要昂贵的部件、譬如FRED(FastRecovery Epitax.Diode(快速恢复外延二极管))-FET，因为有时必须保证高的开关频率。这对传统电路装置的成本产生负面影响，并且此外损害通常的逆变器的效率，因为不可避免的开关损耗与每个开关过程相关联。
发明内容
因此，本发明的目的是：通过结合部件的实际行为来优化逆变器拓扑，在成本更低的情况下实现对效率和电流质量的提高。
该目的通过权利要求1的特征来实现。权利要求1涉及一种具有桥接电路的逆变器，该桥接电路具有四个开关元件，其中该桥接电路的两个相对的接线端子与该逆变器的直流电压部分相连接，并且该桥接电路的另外两个接线端子与该逆变器的交流电压部分相连接，其中通过适当地控制所述开关元件能够将直流电压和交流电压相互转换。在此，根据本发明规定：在直流电压部分中，在正直流电压端子上耦合有第一直流电压侧开关元件，在该第一直流电压侧开关元件之后布置有电感和二极管，其中该电感被串联在第一开关元件与该桥接电路的第一接线端子之间。如还将进一步叙述的那样，这样的电路装置能够实现更高的效率，因为该桥接电路的开关元件只需利用电网频率来进行切换，而要馈入的电流可以利用直流电压部分中的被快速地定时的开关元件来调节。因此仅在一个开关元件处产生开关损耗，这明显提高根据本发明的逆变器的效率。
权利要求2规定一种实施方式，该实施方式尤其是在直流电压侧的输入电压小于输出侧电网电压的最大值时是有利的。为此，权利要求2规定：在一方面该电感和该二极管、以及另一方面该桥接电路的第二接线端子之间的串联电路中接有第二直流电压侧开关元件，该第二直流电压侧开关元件在闭合状态下将该电感与该桥接电路的第二接线端子相连接。由此，通过适当地切换第二开关元件，可以使直流电压侧的输入电压升高。此外，单个电感的使用允许进一步地节省成本。
权利要求3至5描述根据本发明的逆变器的有利的改进方案。在此，在交流电压部分中并且在直流电压部分中分别接有交流电压侧平滑电容器和直流电压侧平滑电容器。此外提出：所述直流电压侧开关元件是半导体开关元件、尤其是功率MOSFET或者IGBT。
附图说明
接下来根据附图对本发明作更详细的阐述。在此：
图1以第一种表示方式示出根据本发明的逆变器的基本电路图，
图2以第二种表示方式示出根据本发明的逆变器的基本电路图，
图3示出当能量流入根据本发明的逆变器的交流电压部分时所述开关元件的电压和控制信号的时间变化。
具体实施方式
首先根据图1和图2来阐述根据本发明的逆变器的一种实施方式的基本电路图。根据本发明的逆变器具有桥接电路，该桥接电路具有四个开关元件S3、S4、S5和S6，其中该桥接电路的两个相对的接线端子1、2与该逆变器的直流电压部分相连接，并且该桥接电路的另外两个接线端子3、4与该逆变器的交流电压部分相连接。在此，通过为全桥的桥接电路中的四个开关元件S3、S4、S5和S6来进行从直流电压到交流电压的转换，其中以本身公知的方式通过适当地控制开关元件S3、S4、S5和S6能够将直流电压和交流电压相互转换。
在直流电压部分中，在正直流电压端子上耦合有第一直流电压侧开关元件S1，在该第一直流电压侧开关元件S1之后布置有电感L1和二极管D2，其中该电感L1被串联在第一开关元件S1与该桥接电路的第一接线端子1之间。在一方面电感L1和二极管D2、以及另一方面该桥接电路的第二接线端子2之间的串联电路中连接有第二直流电压侧开关元件S2，该第二直流电压侧开关元件S2在闭合状态下将电感L1与该桥接电路的第二接线端子2相连接。在此，二极管D2以导通方向接在正直流电压端子与该桥接电路的第一接线端子1之间。
直流电压源Uc位于直流电压部分中。负载UNetz位于交流电压部分中。
此外，在交流电压部分中接有交流电压侧平滑电容器C0，并且在直流电压部分中接有直流电压侧平滑电容器Ci。开关元件S1、S2、S3、S4、S5和S6优选地是半导体开关元件、尤其是功率MOSFET。
图2以替代的表示方式示出根据图1的实施方式。
接下来根据图3来阐述当能量从直流电压部分流入交流电压部分时用于控制开关元件S1、S2、S3、S4、S5和S6的开关顺序。
图3首先阐述在根据图1的根据本发明的逆变器的情况下在正半波时开关顺序的接通阶段，其中能量从直流电压部分流入交流电压部分。在此，可以从图3的下面的图中得知对所述开关元件的控制以及尤其是对所述开关元件的定时(Taktung)的控制。如从图3中可以看出，为了在交流电压部分的输出端子处产生正半波，开关元件S4和S6总是保持闭合、即导通，而开关元件S3和S5总是保持断开、即不导通。如从图3中可以看出，针对正半波的上升区域选择占空比，使得以增大的接通持续时间来闭合第一直流电压侧开关元件S1，并且针对正半波的下降区域选择占空比，使得以减小的接通持续时间来闭合第一直流电压侧开关元件S1。因此，第一开关元件S1在直流电压侧通过电感L1和二极管D2将电流用脉冲发送(takten)到电网中。如果电网电压超过直流电压侧的输入电压，则借助于第二直流电压侧开关元件S2使直流电压侧的输入电压升高。为此，第一开关元件S1保持闭合、即导通，而通过对第二开关元件S2进行适当的定时来实现电压升高。
此外，在直流电压部分中可以设置二极管D1，该二极管D1接在该桥接电路的第二接线端子2与第一直流电压侧开关元件S1之间，其中该二极管D1在阳极侧与该桥接电路的第二接线端子2相连接，且在阴极侧与第一开关元件S1相连接。因此，通过与该桥接电路的第一接线端子1连接的二极管D2、交流电压侧的负载、和与该桥接电路的第二接线端子2连接的二极管D1进行电感L1的自振荡(Freilauf)。
为了在交流电压部分的输出端子处产生负半波，开关元件S3和S5总是保持闭合、即导通，而开关元件S4和S6总是保持断开、即不导通。如从图3中可以看出，针对负半波的下降区域选择占空比，使得以增大的接通持续时间来闭合第一直流电压侧开关元件S1，并且针对负半波的上升区域选择占空比，使得以减小的接通持续时间来闭合第一直流电压侧开关元件S1。第一开关元件S1在直流电压侧通过电感L1和二极管D2再次将电流用脉冲发送到电网中。如果电网电压超过直流电压侧的输入电压，则再次借助于第二直流电压侧开关元件S2使直流电压侧的输入电压升高。为此，第一开关元件S1保持闭合、即导通，而通过对第二开关元件S2进行适当的定时来实现电压升高以产生负的最大值。
从图3中尤其可以看出，在根据本发明的逆变器拓扑中，该桥接电路的开关元件S3、S4、S5和S6只需利用电网频率在过零点处进行切换。为了馈入电流，仅需快速地对第一直流电压侧开关元件S1进行定时，以致仅还在该开关元件S1处产生显著的开关损耗。由此可以在任何情况下决定性地提高根据本发明的逆变器的效率，更确切地说提高直至98％。如果直流电压侧的输入电压小于电网电压，则可以使用附加的第二开关元件S2。此外，也可以基于对该桥接电路的开关元件S3、S4、S5和S6的较低要求而使用较低成本的部件，由此能够降低整个电路的成本。

Claims (5)

1.一种逆变器，具有桥接电路，该桥接电路具有四个开关元件(S3，S4，S5，S6)，其中该桥接电路的两个相对的接线端子(1，2)与该逆变器的直流电压部分相连接，并且该桥接电路的另外两个接线端子(3，4)与该逆变器的交流电压部分相连接，其中通过适当地控制所述开关元件(S3，S4，S5，S6)能够将直流电压和交流电压相互转换，
其特征在于，
在直流电压部分中，在正直流电压端子上耦合有第一直流电压侧开关元件(S1)，在该第一直流电压侧开关元件(S1)之后布置有电感(L1)和二极管(D2)，其中该电感(L1)被串联在第一开关元件(S1)与该桥接电路的第一接线端子(1)之间。
2.根据权利要求1所述的逆变器，其特征在于，在一方面所述电感(L1)与所述二极管(D2)、以及另一方面该桥接电路的第二接线端子(2)之间的串联电路中接有第二直流电压侧开关元件(S2)，该第二直流电压侧开关元件(S2)在闭合状态下将所述电感(L1)与该桥接电路的第二接线端子(2)相连接。
3.根据权利要求1或2所述的逆变器，其特征在于，在交流电压部分中接有交流电压侧平滑电容器(C0)。
4.根据权利要求1至3之一所述的逆变器，其特征在于，在直流电压部分中接有直流电压侧平滑电容器(Ci)。
5.根据权利要求1至4之一所述的逆变器，其特征在于，直流电压侧开关元件(S1，S2)是半导体开关元件、尤其是功率MOSFET或者IGBT。
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