CN103516204A - 多级转换器、逆变器以及太阳能供电装置 - Google Patents

Abstract

提供了一种多级转换器、逆变器以及太阳能供电装置。一种能够通过使用简单电路关于单个输入电源提供具有多种电压电平的输出电力的多级转换器、具有其的逆变器，以及具有其的太阳能供电装置。多级转换器包括：第一降压升压单元，具有开闭输入电源的第一电力开关，并且输出具有根据第一电力开关的开闭而变化的电压电平的第一电力；旁路单元，输出具有输入电源的电压电平的第二电力；以及第二降压升压单元，具有开闭输入电源的第二电力开关，并且输出具有根据第二电力开关的开闭而变化的电压电平的第三电力。

Description

多级转换器、逆变器以及太阳能供电装置

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年6月29日向韩国知识产权局提交的第10-2012-0071037号韩国专利申请的优先权，该申请的公开通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及一种能够输出具有多种电压电平的电力的多级转换器、具有该多级转换器的逆变器以及具有该逆变器的太阳能供电装置。

背景技术

从20世纪末叶以来，随着由于石油燃料的使用和二氧化碳（CO₂）、单氮氧化物（NO_X）、氧化硫（SO_X）等的排放，环境污染、地球变暖等现象的严重性逐渐地增加，对可再生能源资源的需求和可再生能源资源的发展增加。特别是，由于基于京都协定国家对于减少温室气体的排放的义务和原油价格的提高，对可再生能源领域的技术发展需求的必要性的认识提高。如今，能源资源问题直接关系到国家安全问题，而减少二氧化碳排放的意愿和发展其相关科技已被认为是国家竞争战略。

尽管在低效率方面的劣势，在各种新的可再生能源资源中，提供清洁、无穷尽的能源资源并使用国家半导体技术的光伏（PV）电池（太阳能电池）近来已持续地在国家市场上扩展开来。在国外，基于长时间积累的技术能力和经济实力，使用光伏（PV）电池的太阳能供电装置在日本和德国公司的引领下已被商业化。

如下面的相关技术文献所述，太阳能供电装置包括将来自光伏（PV）电池的DC电力转换为具有预定电压电平的DC电力的转换器，以及将来自转换器的已转换的DC电力转换为商用AC电力的逆变器。在此相关技术文献中，转换器的电力转换效率成为最重要的问题。

随着转换器性能的提高，在转换器中已主要采用2级拓扑。然而，提高转换器中的电力转换效率可能是很困难的。同时，最近已被积极研究的多级转换器可具有高的电力转换效率以及电力开关中的低谐波产生率和低电压应变率；然而，在这种类型的多级转换器中，由于要求组件的数量的增多，电路复杂度和制造成本会上升。

[相关技术文献]

韩国专利公开第10-2009-0133036号

发明内容

本发明的一个方面提供了一种能够使用简单电路关于单个输入电源提供具有多种电压电平的输出电力的多级转换器、具有该多级转换器的逆变器以及具有该逆变器的太阳能供电装置。

根据本发明的一个方面，提供了一种多级转换器，包括：第一降压升压单元，具有开闭输入电源的第一电力开关，并输出具有根据第一电力开关的开闭而变化的电压电平的第一电力；旁路单元，输出具有所述输入电源的电压电平的第二电力；以及第二降压升压单元，具有开闭所述输入电源的第二电力开关，并输出具有根据第二电力开关的开闭而变化的电压电平的第三电力。

第一降压升压单元的第一电力的电压电平和第二降压升压单元的第三电力的电压电平可被独立地改变。

第一降压升压单元的第一电力的电压电平可根据第一电力开关的周期（duty）而变化，且第二降压升压单元的第三电力的电压电平可根据第二电力开关的周期而变化。

第一降压升压单元可进一步包括：第一电感器，充放根据第一电力开关的开闭而转换的电力；第一电容器，充放来自第一电感器的电力；以及第一二极管，根据电力开关的开闭提供电力传输路径。

第二降压升压单元可进一步包括：第二电感器，充放根据第二电力开关的开闭而转换的电力；第二电容器，充放来自第二电感器的电力；以及第二二极管，根据电力开关的开闭提供电力传输路径。

旁路单元可具有电连接在输入电源的一端和另一端之间的至少一个电容器，该输入电源被输入至该至少一个电容器。

第一电力开关可包括连接至输入电源的一端的漏极、连接至第一电感器的一端和第一二极管的负极的源极以及接收控制信号的栅极，输入电源被输入至该漏极，且第一电容器可连接至第一电感器的另一端以及第一二极管的正极。

第二电力开关可包括连接至输入电源的另一端的源极、连接至第二电感器的一端和第二二极管的正极的漏极以及接收控制信号的栅极，输入电源被输入至该源极，且第二电容器可连接至第二电感器的另一端以及第二二极管的负极。

根据本发明的另一方面，提供了一种逆变器，包括：多级转换器，包括第一降压升压单元，具有开闭输入电源的第一电力开关，并且输出具有根据第一电力开关的开闭而变化的电压电平的第一电力；旁路单元，输出具有输入电源的电压电平的第二电力；以及第二降压升压单元，具有开闭输入电源的第二电力开关，并且输出具有根据第二电力开关的开闭而变化的电压电平的第三电力；以及逆变器单元，转换从多级转换器单元输出的第一至第三电力，以输出AC电力。

逆变器单元可分别地转换第一至第三电力，以输出AC电力。

逆变器单元可转换第一至第三电力的电压电平的和，以输出AC电力。

根据本发明的另一方面，提供了一种太阳能供电装置，包括：多级转换器，包括第一降压升压单元，具有开闭来自太阳能电池的输入电源的第一电力开关，并且输出具有根据第一电力开关的开闭而变化的电压电平的第一电力；旁路单元，输出具有输入电源的电压电平的第二电力；以及第二降压升压单元，具有开闭输入电源的第二电力开关，并且输出具有根据第二电力开关的开闭而变化的电压电平的第三电力；以及逆变器单元，转换从多级转换器单元输出的电力，以输出AC电力。

太阳能供电装置可进一步包括控制多级转换器和逆变器单元的转换的控制单元。

附图说明

从下面结合附图的详细的说明中，本发明的以上和其他的方面、特征以及其他优势将被更清楚地理解，其中：

图1是示出根据本发明实施方式的多级转换器的示意性配置的电路图；

图2A和图2B是示出根据本发明实施方式的多级转换器的第一降压升压单元的电流回路的电路图；

图3A和图3B是示出根据本发明实施方式的多级转换器的第二降压升压单元的电流回路的电路图；

图4A至图4C是示出根据本发明实施方式的多级转换器的多电力的输出电路图；

图5A和图5B是示出根据本发明实施方式的多级转换器的输出波形的曲线图；以及

图6和图7是示出根据本发明实施方式的具有多级转换器的逆变器以及具有该逆变器的太阳能供电装置的示意性配置的框图。

具体实施方式

下文中，将参照附图详细地描述本发明的实施方式。不过本发明也可以许多不同的形式实施，且不应被解读为限于本文所述实施方式。而是，提供这些实施方式是为了使本公开全面且完整，并完全地向本领域技术人员传达本发明的范围。在图中，为了清楚，元件的形状和尺寸可能会被夸大，并且整篇中相同的参考标号将用于表示相同或相似的元件。

任意一个部分与其他部分连接的情况包括所述部分彼此直接连接的情况和所述部分彼此间存在其他插入其间元件地间接连接的情况。

此外，除非额外明白地说明，否则将理解“包括”任何组件是表示包括其他组件但不排除任何其他组件。

下文中，将参照附图详细描述本发明的实施方式。

图1是示出根据本发明实施方式的多级转换器的示意性配置的电路图。

参照图1，根据本发明实施方式的多级转换器100可包括第一和第二降压升压（buck-boost）单元110和120以及旁路单元130。

第一降压升压单元110可包括第一电感器L1、第一电容器C1、第1二极管D1和用于开闭（切换）输入电源Vin的第一电力开关Q1。

第一电力开关Q1可以是例如MOSFET的开关器件，并且可包括连接至输入电源的两端中的一端的漏极、连接至第一电感器L1的一端和第一二极管D1的负极的源极、以及接收控制信号的栅极，输入电源Vin被输入至漏极。第一电容器C1可连接至第一电感器L1的另一端和第一二极管D1的正极。

第二降压升压单元120可包括第二电感器L2、第二电容器C4、第二二极管D2和用于开闭输入电源Vin的第二电力开关Q2。

第二电力开关Q2例如也可以是MOSFET，并且包括连接至输入电源的两端中的另一端的源极、连接至第二电感器L2的一端和第二二极管D2的正极的漏极、以及接收控制信号的栅极，其中，第二电容器C4可连接至第二电感器L2的另一端和第二二极管D2的负极。

由于前述的第一和第二电力开关Q1和Q2的开闭，从第一和第二降压升压单元110和120输出的第一电力和第三电力的电压电平“电平1”和“电平3”可独立地变化。

旁路单元130可包括电连接在输入电源端之间的至少一个电容器，并考虑到耐压性可包括多个电容器C2和C3。旁路单元130可输出具有输入电源Vin的原始电压电平的第二电力“电平2”。

如上所述，根据本发明实施方式的多级转换器100可输出第一电力“电平1”、第二电力“电平2”和第三电力“电平3”。

将参照附图描述根据本发明实施方式的多级转换器100的工作。

图2A和图2B是示出根据本发明实施方式的多级转换器的第一降压升压单元的电流回路的电路图。

参照图1和图2A，在第一电力开关Q1闭合期间如箭头所示形成电流回路，且第一电感器L1可利用流过由第一电力开关Q1的闭合而形成的电流回路的电力进行充电。

参照图1和图2B，当第一电力开关Q1被断开，如箭头所示形成另一电流回路，且第一电感器L1中所充电力可沿着通过第一二极管D1形成的传输路径而充入第一电容器C1内，以输出第一电力“电平1”。

图3A和图3B是示出根据本发明实施方式的多级转换器的第二降压升压单元的电流回路的电路图。

参照图1和图3A，在第二电力开关Q2闭合期间如箭头所示形成电流回路，且第二电感器L2可利用流过由第二电力开关Q2的闭合所形成的电流回路的能量进行充电。

参照图1和图3B，当第二电力开关Q2被断开时，如箭头所示形成另一电流回路，且第二电感器L2中所充电力可沿着通过第二二极管D2形成的传输路径充入第二电容器C2内，以输出第三电力“电平3”。

图4A至图4C是示出根据本发明实施方式的多级转换器的多个电力被输出的电路图。

参照图4A，根据第一降压升压单元110的第一电力开关Q1的开闭，第一电容器C1中所充电力可确定第一电力的电压电平V_电平1，如箭头所示，且旁路单元130可输出具有输入电源Vin的原始电压电平V_电平2的第二电力“电平2”。相似地，根据第二降压升压单元120的第二电力开关Q2的开闭，第二电容器C2中所充的电力可如箭头所示地确定第三电力的电压电平V电平3。

更具体地，当第一电力开关Q1被闭合时，可得到下面的电压等式。

$V_{23}=V_L=L\frac{{\mathrm{di}}_{L1}}{\mathrm{dt}}$

$\frac{V_{23}}{L}=\frac{{\mathrm{di}}_{L1}}{\mathrm{dt}}$

$\left(\mathrm{\Δ}{i}_{L1}\right)=\frac{V_{23}}{L}\mathrm{DT}$

同时，当第一电力开关Q1被断开时，可得到下面的电压等式。

$V_1=V_L=L\frac{{\mathrm{di}}_{L1}}{\mathrm{dt}}$

$\frac{V_1}{L}=\frac{{\mathrm{di}}_{L1}}{\mathrm{dt}}$

$\left({\mathrm{\Δi}}_{L1}\right)=\frac{V_1}{L}(1-D)T$

（其中V1、V23和VL分别代表C1、C2、C3和L1的电压）

在通常状态下，在开闭周期的终点处的电感器的电流值等于其起点处的值，因此电感器电流对于一个周期的纯变化成为“0”。因此可建立下面的输出电压等式。

(Δi_L)_开+(Δi_L)_关＝0

$\frac{V_{23}}{L}\mathrm{DT}=\frac{V_1}{L}(1-D)T$

$\frac{V_{23}\left(D\right)}{(1-D)}=V_1$

$\stackrel{.}{..}{V}_1=\frac{D}{(1-D)}{V}_{23}$

可以理解，前述输出电压等式与第一降压升压单元110的电压等式相同（输出电压等式也与第二降压升压单元120的电压等式相同，其详细说明将被省略）。

同时，第一电力和第三电力的电压电平“电平1”和“电平3”可根据第一和第二电力开关Q1和Q2的开闭周期（duty，占空比）进行变化。更详细地，输入电源Vin的电压电平可根据第一和第二电力开关Q1和Q2的开闭周期进行降压或升压，以改变第一电力“电平1”和第三电力“电平3”。

这里将参照附图更详细地进行描述。

图5A和图5B是示出根据本发明的实施方式的多级转换器的输出波形的曲线图。

参照图5A，当施加至第一和第二电力开关Q1和Q2的脉宽调制（PWM）信号的闭合周期是窄的（见第一幅图），第一和第二电感L1和L2所充的能量减少（见第二幅图），且第一和第二电容C1和C2中所充的电流也因此减少（见第三幅图），使得可理解，从第一降压升压单元110和第二降压升压单元120输出的第一电力“电平1”和第三电力“电平3”的电压电平被降压得比输入电源Vin更低（见第四幅图）。从图5A可理解，当输入电源Vin例如是200V时，由于对输入电源Vin的电压电平的降压，第一电力“电平1”和第三电力“电平3”的电压电平被设定为50V。

另一方面，参照图5B，当施加至第一和第二电力开关Q1和Q2的脉宽调制（PWM）信号的闭合周期是宽的（见第一幅图），第一和第二电感器L1和L2所充的电力增加（见第二幅图），且第一和第二电容器C1和C2所充的电流也因此增加（见第三幅图），使得可理解，从第一降压升压单元110和第二降压升压单元120输出的第一电力“电平1”和第三电力“电平3”的电压电平被升压得比输入电源Vin更高（见第四幅图）。从图5B可理解，当输入电源Vin例如是200V时，由于对输入电源Vin的电压电平的升压，第一电力“电平1”和第三电力“电平3”的电压电平被设定为400V。

如上所述，根据本发明实施方式的多级转换器对于单个输入电源可通过简单电路配置输出第一至第三电力，从而降低了制造成本。

同时，根据本发明实施方式的多级转换器可被应用在逆变器和太阳能供电装置中。

图6和图7是示出具有根据本发明实施方式的多级转换器的逆变器和具有所述逆变器的太阳能供电装置的示意性配置的框图。

参照图6和图7，包括根据本发明实施方式的多级转换器的太阳能供电装置可包括将来自太阳能电池A的单个输入电源输出为第一到第三电力的多级转换器100、通过转换来自多级转换器100的电力而输出AC电力的逆变器单元200、以及控制多级转换器100和逆变器单元200的转换的控制单元300。

多级转换器100和逆变器单元200可配置成将DC电力转换为AC电力的单个逆变器。

当逆变器单元200采用了多级逆变策略时，逆变器单元200可分别转换来自多级转换器100的第一到第三电力（电平1至3），以分别将所转换的第一至第三电力转换为AC电力，从而不同地设定AC电力的电压电平（见图6），以及将对应于第一至第三电力（电平1至3）之和的电力转换为AC电力（见图7）。

控制单元300可检测来自太阳能电池A的输入电源的电压和电流，以便被用于基于多级转换器100和逆变器200的输出电力控制太阳能供电装置的工作并控制多级转换器100和逆变器单元200的电力转换工作。

如上所述，根据本发明的实施方式，使用简单电路可生成对单个输入电源具有多种电压电平的DC电力并可将DC电力转换为AC电力，从而降低了逆变器和太阳能供电装置的制造成本。

如上所述，根据本发明的实施方式，可通过使用简单电路提供关于单个输入电源具有多种电压电平的输出电力，从而降低了制造成本。

尽管已结合实施方式示出并描述了本发明，但对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离如所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下可进行修改和变化。

Claims (29)

1.一种多级转换器，包括：

第一降压升压单元，具有开闭输入电源的第一电力开关，并且输出具有根据所述第一电力开关的开闭而变化的电压电平的第一电力；

旁路单元，输出具有所述输入电源的电压电平的第二电力；以及

第二降压升压单元，具有开闭所述输入电源的第二电力开关，并且输出具有根据所述第二电力开关的开闭而变化的电压电平的第三电力。

2.根据权利要求1所述的多级转换器，其中，所述第一降压升压单元的第一电力的电压电平和所述第二降压升压单元的第三电力的电压电平被独立地改变。

3.根据权利要求1所述的多级转换器，其中，所述第一电力的电压电平根据所述第一电力开关的周期而变化，且所述第三电力的电压电平根据所述第二电力开关的周期而变化。

4.根据权利要求1所述的多级转换器，其中，所述第一降压升压单元进一步包括：

第一电感器，充放根据所述第一电力开关的开闭而转换的电力；

第一电容器，充放来自所述第一电感器的电力；以及

第一二极管，根据所述电力开关的开闭提供电力传输路径。

5.根据权利要求1所述的多级转换器，其中，所述第二降压升压单元进一步包括：

第二电感器，充放根据所述第二电力开关的开闭而转换的电力；

第二电容器，充放来自所述第二电感器的电力；以及

第二二极管，根据所述电力开关的开闭提供电力传输路径。

6.根据权利要求1所述的多级转换器，其中，所述旁路单元具有电连接在所述输入电源的一端和另一端之间的至少一个电容器，所述输入电源被输入至所述至少一个电容器。

7.根据权利要求4所述的多级转换器，其中，所述第一电力开关包括连接至所述输入电源的一端的漏极、连接至所述第一电感器的一端和所述第一二极管的负极的源极以及接收控制信号的栅极，所述输入电源被输入至所述漏极，且所述第一电容器连接至所述第一电感器的另一端以及所述第一二极管的正极。

8.根据权利要求5所述的多级转换器，其中，所述第二电力开关包括连接至所述输入电源的另一端的源极、连接至所述第二电感器的一端和所述第二二极管的正极的漏极以及接收控制信号的栅极，所述输入电源被输入至所述源极，且所述第二电容器连接至所述第二电感器的另一端以及所述第二二极管的负极。

9.一种逆变器，包括：

多级转换器，包括：第一降压升压单元，具有开闭输入电源的第一电力开关，并且输出具有根据所述第一电力开关的开闭而变化的电压电平的第一电力；旁路单元，输出具有所述输入电源的电压电平的第二电力；以及第二降压升压单元，具有开闭所述输入电源的第二电力开关，并且输出具有根据所述第二电力开关的开闭而变化的电压电平的第三电力；以及

逆变器单元，转换从所述多级转换器单元输出的第一至第三电力，以输出AC电力。

10.根据权利要求9所述的逆变器，其中，所述第一降压升压单元的第一电力的电压电平和所述第二降压升压单元的第三电力的电压电平被独立地改变。

11.根据权利要求9所述的逆变器，其中，所述第一电力的电压电平根据所述第一电力开关的周期而变化，且所述第三电力的电压电平根据所述第二电力开关的周期而变化。

12.根据权利要求9所述的逆变器，其中，所述第一降压升压单元进一步包括：

第一电感器，充放根据所述第一电力开关的开闭而转换的电力；

第一电容器，充放来自所述第一电感器的电力；以及

第一二极管，根据所述电力开关的开闭提供电力传输路径。

13.根据权利要求9所述的逆变器，其中，所述第二降压升压单元进一步包括：

第二电感器，充放根据所述第二电力开关的开闭而转换的电力；

第二电容器，充放来自所述第二电感器的电力；以及

第二二极管，根据所述电力开关的开闭提供电力传输路径。

14.根据权利要求9所述的逆变器，其中，所述旁路单元具有电连接在所述输入电源的一端和另一端之间的至少一个电容器，所述输入电源被输入至所述至少一个电容器。

15.根据权利要求12所述的逆变器，其中，所述第一电力开关包括连接至所述输入电源的一端的漏极、连接至所述第一电感器的一端和所述第一二极管的负极的源极以及接收控制信号的栅极，所述输入电源被输入至所述漏极，且所述第一电容器连接至所述第一电感器的另一端以及所述第一二极管的正极。

16.根据权利要求13所述的逆变器，其中，所述第二电力开关包括连接至所述输入电源的另一端的源极、连接至所述第二电感器的一端和所述第二二极管的正极的漏极以及接收控制信号的栅极，所述输入电源被输入至所述源极，且所述第二电容器连接至所述第二电感器的另一端以及所述第二二极管的负极。

17.根据权利要求9所述的逆变器，其中，所述逆变器单元分别转换第一至第三电力，以输出AC电力。

18.根据权利要求9所述的逆变器，其中，所述逆变器单元转换第一至第三电力的电压电平的和，以输出AC电力。

19.一种太阳能供电装置，包括：

多级转换器，包括：第一降压升压单元，具有开闭来自太阳能电池的输入电源的第一电力开关，并且输出具有根据所述第一电力开关的开闭而变化的电压电平的第一电力；旁路单元，输出具有所述输入电源的电压电平的第二电力；以及第二降压升压单元，具有开闭所述输入电源的第二电力开关，并且输出具有根据所述第二电力开关的开闭而变化的电压电平的第三电力；以及

逆变器单元，转换从所述多级转换器单元输出的电力，以输出AC电力。

20.根据权利要求19所述的太阳能供电装置，其中，所述第一降压升压单元的第一电力的电压电平和所述第二降压升压单元的第三电力的电压电平被独立地改变。

21.根据权利要求19所述的太阳能供电装置，其中，所述第一电力的电压电平根据所述第一电力开关的周期而变化，且所述第三电力的电压电平根据所述第二电力开关的周期而变化。

22.根据权利要求19所述的太阳能供电装置，其中，所述第一降压升压单元进一步包括：

第一电感器，充放根据所述第一电力开关的开闭而转换的电力；

第一电容器，充放来自所述第一电感器的电力；以及

第一二极管，根据所述电力开关的开闭提供电力传输路径。

23.根据权利要求19所述的太阳能供电装置，其中，所述第二降压升压单元进一步包括：

第二电感器，充放根据所述第二电力开关的开闭而转换的电力；

第二电容器，充放来自所述第二电感器的电力；以及

第二二极管，根据所述电力开关的开闭提供电力传输路径。

24.根据权利要求19所述的太阳能供电装置，其中，所述旁路单元具有电连接在所述输入电源的一端和另一端之间的至少一个电容器，所述输入电源被输入至所述至少一个电容器。

25.根据权利要求22所述的太阳能供电装置，其中，所述第一电力开关包括连接至所述输入电源的一端的漏极、连接至所述第一电感器的一端和所述第一二极管的负极的源极以及接收控制信号的栅极，所述输入电源被输入至所述漏极，且所述第一电容器连接至所述第一电感器的另一端以及所述第一二极管的正极。

26.根据权利要求23所述的太阳能供电装置，其中，所述第二电力开关包括连接至所述输入电源的另一端的源极、连接至所述第二电感器的一端和所述第二二极管的正极的漏极以及接收控制信号的栅极，所述输入电源被输入至所述源极，且所述第二电容器连接至所述第二电感器的另一端以及所述第二二极管的负极。

27.根据权利要求19所述的太阳能供电装置，其中，所述逆变器单元分别转换第一至第三电力，以输出AC电力。

28.根据权利要求19所述的太阳能供电装置，其中，所述逆变器单元分别转换第一至第三电力的电压电平的和，以输出AC电力。

29.根据权利要求19所述的太阳能供电装置，进一步包括控制所述多级转换器和所述逆变器单元的转换的控制单元。

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