CN102195297A - 用于太阳能发电设备的非隔离dc-dc转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于太阳能发电设备的非隔离DC-DC转换器，该非隔离DC-DC转换器被适配用于连接到全桥逆变器。

Description

用于太阳能发电设备的非隔离DC-DC转换器

技术领域

本发明涉及一种电能转换器，更具体地涉及一种非隔离DC-DC转换器(直流-直流转换器)。

背景技术

本技术领域中已知的是：为了避免经由存在于电源与地之间的寄生电容而导致的共模电流的环流，在发电设备中使用接地的非隔离DC-DC转换器。

在公开文本US2004/0164557和WO2009/010025中描述了适合于太阳能发电设备的已知的非隔离DC-DC转换器的示例。

与上述已知的非隔离DC-DC转换器相关联的问题之一是：已知非隔离DC-DC转换器中的每一个需要半桥逆变器以在DC侧(DC-link)电容器与待被供给的网络之间建立链路。半桥逆变器能够给负载施加DC侧总电压的仅一半的电压，从而需要高于全桥逆变器的DC侧电压100％的DC侧电压。因此，连接到半桥逆变器的DC-DC转换器必须具有高于连接到全桥逆变器的DC-DC转换器的增益100％的增益。较高的增益在DC-DC转换器的部件上引起额外的应力。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种允许使用全桥逆变器用于接口到待被供给的电网的非隔离DC-DC转换器。本发明的该目的由一种其特征在于独立权利要求1所述内容的非隔离DC-DC转换器来实现。本发明的优选实施例公开在从属权利要求中。

本发明的非隔离DC-DC转换器的一个优点是其可以通过全桥逆变器连接到待被供给的电网。另一优点是本发明的非隔离DC-DC转换器包括降压升压特性，该降压升压特性允许在连接在非隔离DC-DC转换器与待被供给的电网之间的逆变器中使用具有较低闭塞电压的部件。本发明的非隔离DC-DC转换器的另外的优点是：当通过全桥逆变器连接到待被供给的电网时，其在以三电平调制工作时允许减小逆变器与电网之间的滤波器的电感。仅两电平调制可以与上述已知的非隔离DC-DC转换器结合使用。还有另一优点是包括本发明的非隔离DC-DC转换器和全桥逆变器的电能转换器系统允许同时使DC-DC转换器的负输入端和由全桥逆变器馈电的电网接地。

附图说明

图1示出了包括根据本发明的实施例的非隔离DC-DC转换器的太阳能发电设备的连接图。

具体实施方式

以下将借助于参照附图1的优选的实施例来更详细地描述本发明，附图1示出了包括根据本发明的实施例的非隔离DC-DC转换器的太阳能发电设备的连接图。

图1中示出的太阳能发电设备包括通过电能转换器系统连接到电网ENW的光伏电池装置PV，该电能转换器系统包括非隔离DC-DC转换器和全桥逆变器FIB。光伏电池装置PV被适配用于将太阳能转换为直流电流。

非隔离DC-DC转换器具有正输入端IT+、负输入端IT-、正输出端OT+、以及负输出端OT-。负输入端IT-接地。非隔离DC-DC转换器被适配用于将存在于正输入端IT+与负输入端IT-之间的输入DC电压u_in转换为存在于正输出端OT+与负输出端OT-之间的转换后的DC电压u₁。

非隔离DC-DC转换器包括第一开关S₁、第二开关S₂、第三开关S₃、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第一电感器L₁和第一电容器C₁。非隔离DC-DC转换器还包括控制装置CTRL，其被适配用于控制第一开关S₁、第二开关S₂和第三开关S₃中的每个，以使其选择性地进入闭合状态或进入断开状态，其中闭合状态为导电状态而断开状态为不导电状态。第一开关S₁、第二开关S₂和第三开关S₃可以是例如IGBT(绝缘栅双极型晶体管)或MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。

第一开关S₁、第一电感器L₁和第二二极管D₂串联连接在正输入端IT+与正输出端OT+之间，使得第一电感器L₁连接在第一开关S₁与第二二极管D₂的阳极之间，第二二极管D₂的阴极朝向正输出端OT+。第二开关S₂和第三二极管D₃串联连接在负输入端IT-与负输出端OT-之间，使得第三二极管D₃的阴极朝向第二开关S₂，且第三二极管D₃的阳极朝向负输出端OT-。第一二极管D₁的阴极连接在第一开关S₁与第一电感器L₁之间，而第一二极管D₁的阳极连接在第二开关S₂与第三二极管D₃的阴极之间。第三开关S₃连接在位于第一电感器L₁和第二二极管D₂的阳极之间的点与位于第二开关S₂和第三二极管D₃的阴极之间的点之间。第一电容器C₁连接在第二二极管D₂的阴极与第三二极管D₃的阳极之间。

控制装置CTRL被适配用于提供：第一切换阶段，其中，第一开关S₁、第二开关S₂和第三开关S₃都处于闭合状态；第二切换阶段，其中，第一开关S₁、第二开关S₂和第三开关S₃都处于断开状态；以及在第一切换阶段与第二切换阶段之间交替的转换操作。在第一切换阶段中，光伏电池装置PV导电性地连接到第一电感器L₁，以允许电流在光伏电池装置PV与第一电感器L₁之间流动，其中，能量从光伏电池装置PV传递到第一电感器L₁中。在第二切换阶段中，第一电感器L₁导电性地连接到第一电容器C₁，以允许电流在第一电感器L₁与第一电容器C₁之间流动，其中，能量从第一电感器L₁传递到第一电容器C₁中。

第一电容器C₁从不直接连接到光伏电池装置PV。换句话讲，在非隔离DC-DC转换器的工作期间，在正输入端IT+与负输入端IT-之间流动的电流从不流过第一电容器C₁。从而，第一电容器C₁作为浮置电容器(floating capacitor)。

控制装置CTRL被适配用于在转换操作期间，通过调整第一切换阶段的持续时间与第二切换阶段的持续时间的比来调节转换后的DC电压u₁。因为第一开关S₁、第二开关S₂和第三开关S₃同时断开和闭合，所以它们具有共同的占空比。第一开关S₁、第二开关S₂和第三开关S₃的共同的占空比DS可以根据公式{1}来计算。

$\mathrm{DS}=\frac{{\mathrm{\τ}}_1}{T_c}---\left\{1\right\}$

在公式{1}中，τ₁为第一切换阶段的持续时间，而T_c为周期。周期T_c等于第一切换阶段的持续时间τ₁与第二切换阶段的持续时间τ₂之和。因此，共同的占空比DS的公式可以写作：

$\mathrm{DS}=\frac{{\mathrm{\τ}}_1}{{\mathrm{\τ}}_1+{\mathrm{\τ}}_2}---\left\{2\right\}$

根据公式{1}和{2}，共同的占空比DS与可控开关S₁至S₃处于闭合状态的时间成比例。因此，调整第一切换阶段的持续时间与第二切换阶段的持续时间的比意味着调整第一开关S₁、第二开关S₂和第三开关S₃的占空比DS。基于输入DC电压u_in和共同的占空比DS，转换后的DC电压u₁可以根据以下公式来计算：

$u_1=\frac{\mathrm{DS}}{1-\mathrm{DS}}\·u_{\mathrm{in}}---\left\{3\right\}$

公式{3}说明非隔离DC-DC转换器能够升高或降低输入DC电压u_in。升高DC电压意味着增加DC电压的幅值，而降低DC电压意味着减小DC电压的幅值。

图1中绘出的非隔离DC-DC转换器还包括被适配用于确定输入DC电压u_in的幅值的输入电压传感器SR_IN。控制装置CTRL通信性地连接到输入电压传感器SR_IN，用于接收与输入DC电压u_in的幅值有关的数据。控制装置CTRL被适配用于响应于与输入DC电压u_in的幅值有关的数据来调整第一切换阶段的持续时间与第二切换阶段的持续时间的比。

全桥逆变器FIB包括标为S₄、S₅、S₆和S₇的四个开关。全桥逆变器FIB通过作为滤波电感器的第二电感器L₂连接到电网ENW。电网ENW接地。全桥逆变器FIB可以用三电平调制工作，因此，与使用半桥逆变器时所需的额定值相比，可以减小第二电感器L₂的额定值。当以三电平调制工作时，全桥逆变器FIB能够通过闭合开关S₄和S₇向电网ENW施加电压+u₁，通过闭合开关S₅和S₆向电网ENW施加电压-u₁，以及通过闭合开关S₄和S₅来向电网ENW施加零电压。

根据本发明的非隔离DC-DC转换器的使用不限于太阳能发电设备。在替选的实施例中，太阳能发电设备的光伏电池装置可以用具有正供电端和负供电端的不同类型的电源来代替，该电源被适配用于生成直流电流且经由正供电端和负供电端将该直流电流馈送出电源。

对本领域的技术人员将明显的是，本发明构思可以用不同的方式实现。本发明及其实施例不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内变化。

Claims (12)

1.一种用于太阳能发电设备的非隔离DC-DC转换器，所述非隔离DC-DC转换器包括正输入端(IT+)、负输入端(IT-)、正输出端(OT+)和负输出端(OT-)，所述非隔离DC-DC转换器被适配用于将存在于所述正输入端(IT+)与所述负输入端(IT-)之间的输入DC电压(u_in)转换成存在于所述正输出端(OT+)与所述负输出端(OT-)之间的转换后的DC电压(u₁)，其特征在于，所述非隔离DC-DC转换器包括第一开关(S₁)、第二开关(S₂)、第三开关(S₃)、第一二极管(D₁)、第二二极管(D₂)、第三二极管(D₃)、第一电感器(L₁)和第一电容器(C₁)；

所述第一开关(S₁)、所述第一电感器(L₁)和所述第二二极管(D₂)串联连接在所述正输入端(IT+)与所述正输出端(OT+)之间，使得所述第一电感器(L₁)连接在所述第一开关(S₁)与所述第二二极管(D₂)的阳极之间，所述第二二极管(D₂)的阴极朝向所述正输出端(OT+)；

所述第二开关(S₂)和所述第三二极管(D₃)串联连接在所述负输入端(IT-)与所述负输出端(OT-)之间，使得所述第三二极管(D₃)的阴极朝向所述第二开关(S₂)，而所述第三二极管(D₃)的阳极朝向所述负输出端(OT-)；

所述第一二极管(D₁)的阴极连接在所述第一开关(S₁)与所述第一电感器(L₁)之间，而所述第一二极管(D₁)的阳极连接在所述第二开关(S₂)与所述第三二极管(D₃)的阴极之间；

所述第三开关(S₃)连接在位于所述第一电感器(L₁)和所述第二二极管(D₂)的阳极之间的点与位于所述第二开关(S₂)和所述第三二极管(D₃)的阴极之间的点之间；以及

所述第一电容器(C₁)连接在所述第二二极管(D₂)的阴极与所述第三二极管(D₃)的阳极之间。

2.根据权利要求1所述的非隔离DC-DC转换器，其特征在于，所述非隔离DC-DC转换器还包括控制装置(CTRL)，所述控制装置(CTRL)被适配用于控制所述第一开关(S₁)、所述第二开关(S₂)和所述第三开关(S₃)中的每个，以使其选择性地进入闭合状态或进入断开状态。

3.根据权利要求2所述的非隔离DC-DC转换器，其特征在于，所述控制装置(CTRL)被适配用于：

提供第一切换阶段，其中，所述第一开关(S₁)、所述第二开关(S₂)和所述第三开关(S₃)处于闭合状态；

提供第二切换阶段，其中，所述第一开关(S₁)、所述第二开关(S₂)和所述第三开关(S₃)处于断开状态；以及

提供在所述第一切换阶段与所述第二切换阶段之间交替的转换操作。

4.根据权利要求3所述的非隔离DC-DC转换器，其特征在于，所述第一电容器(C₁)被适配用于作为浮置电容器，使得在所述非隔离DC-DC转换器的工作期间，在所述正输入端(IT+)与所述负输入端(IT-)之间流动的电流从不流过所述第一电容器(C₁)。

5.根据权利要求4所述的非隔离DC-DC转换器，其特征在于，在所述第二切换阶段中，所述第一电感器(L₁)导电性地连接到所述第一电容器(C₁)，以允许电流在所述第一电感器(L₁)与所述第一电容器(C₁)之间流动。

6.根据权利要求3所述的非隔离DC-DC转换器，其特征在于，所述控制装置(CTRL)被适配用于在所述转换操作期间，通过调整所述第一切换阶段的持续时间与所述第二切换阶段的持续时间的比来调节所述转换后的DC电压(u₁)。

7.根据权利要求6所述的非隔离DC-DC转换器，其特征在于，所述控制装置(CTRL)被适配用于根据以下公式来调节所述转换后的DC电压(u₁)：

$u_1=\frac{\frac{{\mathrm{\τ}}_1}{{\mathrm{\τ}}_1+{\mathrm{\τ}}_2}}{1-\frac{{\mathrm{\τ}}_1}{{\mathrm{\τ}}_1+{\mathrm{\τ}}_2}}\·u_{\mathrm{in}},$

其中，u₁为所述转换后的DC电压，τ₁是所述第一切换阶段的持续时间，τ₂是所述第二切换阶段的持续时间，且u_in是存在于所述正输入端(IT+)与所述负输入端(IT-)之间的输入DC电压。

8.根据权利要求6所述的非隔离DC-DC转换器，其特征在于，所述非隔离DC-DC转换器还包括被适配用于确定所述输入DC电压(u_in)的幅值的输入电压传感器(SR_in)，所述控制装置(CTRL)通信性地连接到所述输入电压传感器(SR_in)，用于接收与所述输入DC电压(u_in)的幅值有关的数据，所述控制装置CTRL被适配用于响应于与所述输入DC电压(u_in)的幅值有关的数据来调整所述第一切换阶段的持续时间与所述第二切换阶段的持续时间的比。

9.一种电能转换器系统，包括被适配用于供给输出DC电压的DC-DC转换器和被适配用于对所述DC-DC转换器所供给的输出DC电压进行逆变的逆变器，其特征在于，所述逆变器是全桥逆变器，且所述DC-DC转换器是根据权利要求1所述的非隔离DC-DC转换器。

10.一种发电设备，包括电源，所述电源具有正供电端和负供电端，所述电源被适配用于生成直流电流且经由所述正供电端和所述负供电端将所述直流电流馈送出所述电源，其特征在于，所述发电设备包括根据权利要求9所述的电能转换器系统，所述电源的所述正供电端连接到所述非隔离DC-DC转换器的所述正输入端(IT+)，而所述电源的所述负供电端连接到所述非隔离DC-DC转换器的所述负输入端(IT-)。

11.根据权利要求10所述的发电设备，其特征在于，所述电源的所述负供电端接地。

12.根据权利要求10所述的发电设备，其特征在于，所述发电设备是太阳能发电设备，其中，所述电源包括被适配用于将太阳能转换为直流电流的光伏电池装置。

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