CN101803168A - 用于运行电子控制的逆变器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运行电子控制的逆变器的方法，所述逆变器包括半导体开关(S1，S2，S3，S4，S5)、电感器(L1，L2)以及第一电容器(Cc)，其中在输出零线(N)与输入侧的正极连续连接的情况下，所述逆变器的半导体开关(S1，S2，S3，S4，S5)借助于微控制器交替地作为升降压变换器的元件和作为进行逆变的Cuk变换器的元件来被控制。

Description

用于运行电子控制的逆变器的方法
技术领域
本发明涉及一种用于运行电子控制的逆变器的方法，该逆变器包括半导体开关、电感器以及电容器。此外，本发明还涉及一种用于执行该方法的装置。
背景技术
例如从US-Z.：C.M.Penalver等人的“Microprocessor Controlof DC/AC Static Converters”(I EEE Transactions on IndustrialElectronics，第IE-32卷，第3期，1985年8月，第186-191页)中公知电子控制的逆变器。所述逆变器例如在太阳能设备中被用于变换由太阳能电池所生成的直流电流来使得能够输出到公共交流电网中。只有这样才保证实际上不受限制地利用以太阳能方式所产生的能量。
逆变器的多种应用可能性尤其是已经导致改变用于特定应用情况的升压变换器、升降压变换器以及降压变换器的基本类型。在此，作为例子应引用2002年10月17日的EDN杂志中的出版文献“Slaveconverters power auxiliary outputs”(Sanjaya Maniktala)，其中描述逆变器基本类型的各种组合可能性。
发明内容
本发明所基于的任务是，对从现有技术中公知的逆变器进行改进。
根据本发明，该任务利用开头所述类型的方法来解决，其中逆变器的半导体开关在输出零线与输入侧的正极连续连接的情况下借助于微控制器交替地作为升降压变换器的元件和作为进行逆变的Cuk变换器的元件来被控制。
根据本发明的升降压变换器的功能与Cuk变换器的功能的组合产生一种损耗特别低的逆变器，所述逆变器由此也具有高效率并且因而尤其适于在太阳能设备中采用。在此，通过将正极连接到交流电压网的零线上来保证可以在输入侧连接具有相对于地为负电势的电流源。例如在具有背面接触的电池(例如单晶硅电池)的光伏发电机处是这种情况。
在该方法的有利的实施形式中，借助于微控制器以如下方式控制该逆变器的半导体开关：施加在输入侧的直流电压在施加在输出侧的交流电压的负半波期间借助于升降压变换器而被转换，并且施加在输入侧的直流电压在施加在输出侧的交流电压的正半波期间借助于Cuk变换器而被转换。由此说明了一种低损耗的用于将电流从直流电流源馈入到交流电网中的方法。
为了执行根据本发明的方法，设置有一种包括微控制器的逆变器，所述微控制器被相对应地编程以用于控制半导体开关。在此，有利地涉及适于根据调节器输出信号来构成经过脉宽调制的信号的常用微控制器。
在此有利的是，逆变器包含第一电感器，所述第一电感器的第一侧与直流电压的负极相连接，并且所述第一电感器的第二侧通过第一半导体开关与该直流电压的正极相连接，第一电感器的第二侧通过第二半导体开关和第三半导体开关的串联电路与第二电感器的第一接线端子相连接，所述第二电感器的第二接线端子被连接到交流电压的导线上，第二与第三半导体开关的连接通过第一电容器和第五半导体开关与该交流电压的零线相连接，并且第一电容器与第五半导体开关的连接通过第四半导体开关与第二电感器的第一接线端子相连接。这种电路结构可以利用少量电路元件来实现，由此损耗被保持得小，并且因此实现该电路的高效率。
一种用于运行被有利地实施的逆变器的有利方法规定：在交流电压的负半波期间，借助于微控制器，第一、第二、第三以及第四半导体开关被脉动并且第五半导体开关被永久地接通，并且在此，第一和第二半导体开关以及第三和第四半导体开关分别以推挽模式被切换，并且在交流电压的正半波期间，第一和第五半导体开关以推挽模式被脉冲切换，而且在该时期，第二和第四半导体开关被持久地接通，而第三半导体开关被持久地断开。
附图说明
接下来参考附图以示例性的方式阐述本发明。
图1以示意图示出了具有升降压变换器和Cuk变换器的逆变器在使用通用的半导体开关时的电路图，
图2以示意图示出了具有升降压变换器和Cuk变换器的逆变器在使用n沟道势垒层MOSFET时的电路图，
图3以示意图示出了在Cuk变换器的接通阶段期间的电流流动，
图4以示意图示出了在Cuk变换器的断开阶段期间的电流流动，
图5-8以示意图示出了在升降压变换器在交流电压的负半波的情况下运行期间的电流流动，
图9以示意图示出了逆变器在升降压变换器运行和Cuk变换器运行的情况下的信号变化过程，
图10以示意图示出了逆变器在升降压变换器运行和Cuk变换器运行的情况下的可替换的信号变化过程。
具体实施方式
在图1中示出了具有升降压变换器和Cuk变换器的逆变器在使用少量部件的情况下的简单的示例性电路装置。在输入侧，在输入电容器Ci上施加直流电压UIN。该直流电压UIN的负极与第一电感器L1的第一侧相连接。第一电感器L1的第二侧通过第一半导体开关S1与直流电压UIN的正极相连接。
此外，第一电感器L1的第二侧通过第二和第三半导体开关S2、S3的串联电路与第二电感器L2的第一接线端子相连接，该第二电感器L2的第二接线端子被连接到输出侧的交流电压UOUT的导线L上。第二与第三半导体开关S2、S3的连接通过第一电容器Cc和第五半导体开关S5与交流电压UOUT的零线N相连接。此外，在直流电压UIN的正极与交流电压UOUT的零线N之间设置直接连接。第一电容器Cc与第五半导体开关之间的连接点通过第四半导体开关S4与第二电感器L2的第一接线端子相连接。在交流电压UOUT的导线L与零线N之间可选地接通输出电容器Co作为输出滤波器。
可替换于该装置地，也可以利用其它电路装置、例如利用升降压变换器与Cuk变换器的并联电路来执行根据本发明的方法。
如图2中所示，如果使用具有反向二极管的半导体开关S1、S2、S3、S4、S5(n沟道势垒层MOSFET或者IGBT)，则必须注意这些二极管的流动方向。在此，第一半导体开关S1的反向二极管的流动方向被确定为从直流电压UIN的负极到正极。第二和第三半导体开关S2、S3的反向二极管的流动方向从第一电容器Cc被切换到电感器L1、L2。第四半导体开关S4的反向二极管在流动方向上从第二电感器L2被切换到第一电容器Cc。最后，第五半导体开关S5的反向二极管的流动方向被确定为从直流电压UIN的正极与交流电压UOUT的零线之间的连接线路到第一电容器Cc。
这样的装置防止在该逆变器的各个切换阶段(Schaltphase)中有不期望的电流流经反向二极管。
在图3至图8中示出了具有通用的半导体开关S1、S2、S3、S4、S5的电路装置。在此，切换状态也适用于具有反向二极管的半导体开关S1、S2、S3、S4、S5。
图3和图4示出了半导体开关S1、S2、S3、S4、S5在交流电压UOUT的正半波期间的切换状态。在此，借助于Cuk变换器将直流电压UIN转换成交流电压UOUT。第二和第四半导体开关S2、S4被持久地接通，而第三半导体开关S3被持久地断开，如也可以从图9和图10中看出的那样。第一和第五半导体开关S1、S5以推挽模式被脉冲切换。如图3中所示，Cuk变换器的起动过程通过断开第五半导体开关S5和接通第一半导体开关S1来表征。电流从直流电压UIN的正极通过第一开关元件S1和第一电感器L1流到直流电压UIN的负极。同时，电流从交流电压UOUT的零线N通过第一半导体开关S1、第二半导体开关S2、第一电容器Cc、第四半导体开关S4以及第二电感器L2流到交流电压UOUT的导线L。
如图4中所示，Cuk变换器的断开阶段开始于第五半导体开关S5的接通和第一关半导体开S1的断开。在输入电路中，电流从第一半导体S1换向到包含第五半导体开关S5、第一电容器Cc以及连续闭合的第二半导体开关S2的串联电路。在输出电路中，电流从交流电压UOUT的零线N通过第五半导体开关S5、第四半导体开关S4以及第二电感器L2流向交流电压UOUT的导线L。
图5至图8示出了在交流电压UOUT的负半波期间的切换状态。在此，借助于升降压变换器来进行电压转换。第一、第二、第三以及第四半导体开关S1、S2、S3、S4被脉动，并且第五半导体开关S5保持永久地接通，其中第一和第二半导体开关S1、S2以及第三和第四半导体开关S3、S4分别以推挽模式被切换。
如图5中所示，在从正半波到负半波的过零点，第一半导体开关S1被接通，而第二和第四半导体开关S2、S4被断开。在该开关状态下，逆变器从输入侧的直流电压源接收能量。为此，给出在直流电压UIN的正极通过第一半导体开关S1以及第一电感器L1与直流电压UIN的负极之间的电流通路。
在此，第一电感器L1存储能量，所述能量在下一步(如图6中所示)在打开第一半导体开关S1之后在现在闭合的第二和第三半导体开关S2、S3的情况下通过第二电感器L2而被输出给输出侧的交流电压网或者负载。
在此所形成的电流电路从直流电压UIN的正极通过交流电压网或负载、第二电感器L2、第三和第二半导体开关S3、S2以及第一电感器L1伸展到直流电压UIN的负极。在此，第二电感器L2存储能量。同时，由于第五半导体开关S5同样闭合，所以第一电容器Cc被充电。
在下一切换过程中，如图7中所示，第三半导体开关S3打开，并且第四半导体开关S4闭合。这构成通过第二电感器L2、第四和第五半导体开关S4、S5以及交流电压网的电流电路，其中第二电感器L2将所存储的能量输出给所述交流电压网。
同时，另一电流电路从直流电压UIN的正极通过第五和第二切换元件S5、S2、第一电容器Cc以及第一电感器L1伸展到直流电压UIN的负极。
利用图8中所示的切换状态，在负半波期间结束切换循环。第一半导体开关S1闭合，并且由此给出在直流电压UIN的正极通过第一半导体开关S1和第一电感器L1到直流电压UIN的负极之间的电流通路。该逆变器从该直流电压源接收电能。
同时，第二电感器L2还给所述交流电压网输出能量，因为相对应的电流电路通过第四和第五半导体开关S4、S5仍然是闭合的。该电流电路只有在打开第四半导体开关S4的情况下才再次被中断。
在图9和图10中分别示出了半导体开关S1、S2、S3、S4以及S5的控制信号的示例性变化过程，其中这两个图都示出了在交流电压UOUT的负半波时期期间的可设想的不同切换变型方案。
在图9中所示的在负半波期间的切换变型方案中，进行同时作为升压变换器和作为降压变换器的运行。具有升压变换器元件的功能的第一半导体开关S1和具有降压变换器元件的功能的第三半导体开关S3被连续地脉冲切换。在此，第二半导体开关S2用作同步整流器，其与第一半导体开关S1同步地以推挽模式被切换。
可替换于此地，在图10中示出了一种切换变型方案，其中逆变器在负半波期间要么作为降压变换器工作要么作为升压变换器工作。
在交流电压UOUT比直流电压UIN低的时间间隔期间，第三半导体开关S3被脉冲切换，并且第四半导体开关S4与之成推挽式地也被脉冲切换。在此期间，第一半导体开关S1保持连续断开，并且第二半导体开关S2保持连续接通。
在交流电压UOUT比直流电压UIN高的时间间隔中，第一半导体开关S1被脉冲切换，并且第二半导体开关S2与之成推挽式地也被脉冲切换。在此，第三半导体开关S3保持连续接通，并且第四半导体开关S4保持连续断开。

Claims (5)

1.一种用于运行电子控制的逆变器的方法，所述逆变器包括半导体开关(S1，S2，S3，S4，S5)、电感器(L1，L2)以及第一电容器(Cc)，其特征在于，在输出零线(N)与输入侧的正极连续连接的情况下，所述逆变器的半导体开关(S1，S2，S3，S4，S5)借助于微控制器交替地作为升降压变换器的元件和作为进行逆变的Cuk变换器的元件来被控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，借助于微控制器以如下方式控制所述逆变器的半导体开关(S1，S2，S3，S4，S5)：施加在输入侧的直流电压(UIN)在施加在输出侧的交流电压(UOUT)的负半波期间借助于升降压变换器而被转换，并且施加在输入侧的直流电压(UIN)在施加在输出侧的交流电压(UOUT)的正半波期间借助于Cuk变换器而被转换。
3.一种用于执行根据权利要求1或2之一所述的方法的逆变器，其特征在于，设置有微控制器，所述微控制器被相对应地编程以用于控制半导体开关(S1，S2，S3，S4，S5)。
4.根据权利要求4所述的逆变器，其特征在于，该逆变器包括第一电感器(L1)，所述第一电感器(L1)的第一侧与直流电压(UIN)的负极相连接，并且所述第一电感器(L1)的第二侧通过第一半导体开关(S1)与直流电压(UIN)的正极相连接；第一电感器(L1)的第二侧通过第二半导体开关(S2)和第三半导体开关(S3)的串联电路与第二电感器(L2)的第一接线端子相连接，所述第二电感器(L2)的第二接线端子被连接到交流电压(UOUT)的导线(L)上；第二与第三半导体开关(S2，S3)的连接通过第一电容器(Cc)和第五半导体开关(S5)与交流电压(UOUT)的零线(N)相连接；并且第一电容器(Cc)与第五半导体开关(S5)的连接通过第四半导体开关(S4)与第二电感器(L2)的第一接线端子相连接。
5.一种用于运行根据权利要求4所述的逆变器的方法，其特征在于，在交流电压(UOUT)的负半波期间，借助于微控制器，第一、第二、第三以及第四半导体开关(S1，S2，S3，S4)被脉动并且第五半导体开关(S5)被永久地接通；并且在此，第一和第二半导体开关(S1，S2)以及第三和第四半导体开关(S3，S4)分别以推挽模式被切换；并且在交流电压(UOUT)的正半波期间，第一和第五半导体开关(S1，S5)以推挽模式被脉冲切换；而且在该时期，第二和第四半导体开关(S2，S4)被持久地接通，并且第三半导体开关(S3)被持久地断开。
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