CN117063382A - 用于pv应用的部分谐振转换器 - Google Patents
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Abstract
本文提供了一种部分谐振转换器，包括：部分谐振链路，其由与变压器的初级绕组侧上的第一电容器和所述变压器的次级绕组侧上的第二电容器并联的磁化链路电感器形成；一对串联开关，其跨所述磁化链路电感器和所述第一电容器耦合；和多个正向导通双向阻断开关，其在操作期间将输入源和输出负载连接到所述磁化链路电感器。
Description
技术领域
本公开的实施例总体上涉及电源转换，特别涉及部分谐振电源转换器。
背景技术
DC-AC电源转换器在各种电源应用中发挥着不可或缺的作用，例如将来自可再生能源的DC转换为符合电网要求的AC。这些电源转换器的拓扑是根据各种考虑因素设计的，包含成本和效率。例如，提高转换器的功率密度可以有助于降低最终生产成本。
因此，在本领域中需要改进的电源转换器拓扑。
发明内容
根据本公开的至少一些方面，本文提供了一种部分谐振转换器，包括：部分谐振链路，其由与变压器的初级绕组侧上的第一电容器和所述变压器的次级绕组侧上的第二电容器并联的磁化链路电感器形成；一对串联开关，其跨所述磁化链路电感器和所述第一电容器耦合；和多个正向导通双向阻断开关，其在操作期间将输入源和输出负载连接到所述磁化链路电感器。
根据本公开的至少一些方面，本文提供了一种部分谐振转换器，包括：部分谐振链路，其由与变压器的初级绕组侧上的第一电容器和所述变压器的次级绕组侧上的第二电容器并联的磁化链路电感器形成；一对串联开关，其跨所述磁化链路电感器和所述第一电容器耦合；和多个正向导通双向阻断开关，其在降压-升压操作模式期间将输入源和输出负载连接到所述磁化链路电感器。
本公开的这些和其它特征和优点可以通过阅读本公开的以下详细描述以及附图来理解，在附图中，相似的附图标记始终指代相似的部分。
附图说明
为了能够详细了解本公开的上述特征，可以参考实施例对上面简要概述的本公开进行更具体的描述，其中一些实施例在附图中示出。然而，应注意的是，附图仅示出了本公开的典型实施例，因此不应被认为是对其范围的限制，因为本公开可以允许其它等效的实施例。
图1是根据本公开的一个或多个实施例的电源转换器的框图；
图2是根据本公开的一个或多个实施例的控制器的框图；
图3是根据本公开的一个或多个实施例的电源转换器的框图；
图4是根据本公开的一个或多个实施例的控制器的框图；
图5是根据本公开的一个或多个实施例的电源转换器的框图；并且
图6是根据本公开的一个或多个实施例的控制器的框图。
具体实施方式
图1是根据本公开的一个或多个实施例的电源转换器100的框图。此图仅描述了无数可能的系统配置中的一种变型。本公开可以在各种发电环境和系统中发挥作用。
电源转换器100是具有电隔离的部分谐振DC转单相AC转换器。电源转换器100包括输入开关桥，所述输入开关桥包括两个背对背金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)(或双向导通单向阻断)S00和S0(在其它实施例中，其可以是宽带隙装置)。S0漏极和电感器Li的第一端子各自耦合到电容器Ci的第一端子；电感器Li的第二端子和电容器Ci的第二端子分别耦合到诸如光伏(PV)模块102的DC输入的正端子和负端子。部分谐振链路120由高频变压器(HFT)110的小磁化电感LM以及非常小的AC电容器CL1和CL2形成(假设变压器110的漏电感—在图1中表示为LS—可忽略不计)。在一些实施例中，CL2可以是反射电容。磁化电感LM(以及任何漏电感Ls)和AC电容器CL1各自跨开关S00、S0和电容器Ci的串联组合耦合。
变压器110的次级绕组跨输出桥耦合，所述输出桥将输出负载连接到电感链路。输出桥包括四个正向导通双向阻断(FCBB)开关。在一些实施例中，例如图1中描绘的实施例，每个FCBB开关可以由开关和二极管(在图1中，形成相对应的FCBB开关FCBBS1、FCBBS2、FCBBS3、FCBBS4的开关S1、S2、S3、S4和相对应的二极管D1、D2、D3、D4)的串联组合构成；在其它实施例中，正向导通双向阻断开关可以由背对背开关(或AC开关)或具有双向能力的开关构成。开关FCBBS2和FCBBS4彼此串联耦合，并且开关FCBBS1和FCBBS3彼此串联耦合；这些串联组合跨变压器110的次级绕组耦合。变压器110具有1:n的匝数比，并且电容器CL2也跨变压器次级绕组存在。
输出电容器CO的第一端子耦合到开关FCBBS1的漏极和输出电感器LO的第一端子；输出电容器CO的第二端子耦合到开关FCBBS2的漏极。输出端子(即，输入Lo的第二端子和电容器CO的第二端子)可以耦合到任何合适的系统或装置，例如单相AC电源线。开关S00、S0和FCBBS1-FCBBS4中的每一个的栅极端子耦合到用于可操作地控制开关的控制器130。
电源转换器100在降压-升压操作模式下工作，并且完全通过链路电感器传输电力，所述链路电感器在每个周期被充电和放电。电源转换器100具有比进行类似功能的常规四象限感应链路转换器(例如，通用电源转换器)更低的总开关数。与利用四象限链路操作的这些常规转换器(其中链路电流可以为正和为负)相比，电源转换器100将链路电流限制到一个方向，从而允许电源转换器100具有更少数量的开关和更简单的控制算法。此外，与固态变压器(SST)应用中使用的拓扑相比，电源转换器100不利用变压器110周围的任何开关。电源转换器100的拓扑相对于诸如四象限感应链路转换器和SST转换器的常规拓扑提高了转换器的功率密度，从而能够实现比常规拓扑更低的最终生产成本。
在一个或多个实施例中，变压器匝数比1:n可以是1:9，电感LS可以忽略不计，并且电源转换器组件可以具有以下大约值：CL1＝1nF；CL2＝CL1/n2＝0.01234nF(其中n＝9)；Co＝1.8uF；Lo＝30uH；Ci＝13.2mH，LM＝1.8uH，并且LS＝2nH。
图2是根据本公开的一个或多个实施例的控制器130的框图。控制器130包括配套电路204和存储器206，所述配套电路和存储器中的每一个耦合到中央处理单元(CPU)202。CPU 202可以包括一个或多个常规可用的微处理器或微控制器；可替代地，CPU 202可以包含一个或多个专用集成电路(ASIC)。在其它实施例中，CPU 202可以是包括用于存储控制器固件的内部存储器的微控制器，当执行所述控制器固件时，所述微控制器提供本文描述的控制器功能。
配套电路204是用于提升CPU 202的功能的公知电路。此类电路包含但不限于高速缓存、电源、时钟电路、总线、输入/输出(I/O)电路等。控制器130可以使用通用计算机来实施，当执行特定软件时，所述通用计算机变成用于进行本公开的各个实施例的专用计算机。
存储器206可以包括随机存取存储器、只读存储器、可移动磁盘存储器、闪速存储器以及这些类型的存储器的各种组合。存储器206有时被称为主存储器，并且可以部分地用作高速缓存存储器或缓冲存储器。如有必要，存储器206通常存储控制器130的操作系统(OS)208，所述操作系统可以由CPU能力支持。在一些实施例中，OS208可以是多种市售操作系统中的一种，例如但不限于LINUX、实时操作系统(RTOS)等。
存储器206可以存储各种形式的应用软件，例如用于在由控制器130执行时控制电源转换器100的操作的转换器控制模块210。存储器206可以进一步存储最大功率点跟踪(MPPT)模块212，所述模块在由控制器130执行时确定用于将PV模块102偏置在其最大功率点(MPP)的操作点。
存储器206可以另外存储用于存储与电源转换器100的操作相关的数据的数据库214。
图3是根据本公开的一个或多个实施例的电源转换器300的框图。此图仅描述了无数可能的系统配置中的一种变型。本公开可以在各种发电环境和系统中发挥作用。
电源转换器300是具有电隔离的部分谐振DC转三相AC转换器。类似于电源转换器100，电源转换器300包括输入开关桥，所述输入开关桥包括两个背靠背MOSFET(或双向导通单向阻断)S00和S0(在其它实施例中，其可以是宽带隙装置)，其中S0漏极耦合到电感器Li的第一端子和电容器Ci的第一端子。电感器Li的第二端子和电容器Ci的第二端子分别耦合到诸如PV模块102的DC输入的正端子和负端子。部分谐振链路320由非常小的AC电容器CL1和CL2(在一些实施例中，其可以是反射电容)以及HFT 310的小磁化电感LM形成(假设变压器310的漏电感—在图3中表示为LS—可忽略不计)。电容器CL1进一步跨开关S00、S0和电容器Ci的串联组合耦合。
变压器310的次级绕组跨输出桥耦合，所述输出桥将输出负载连接到电感链路。输出桥包括六个正向导通双向阻断(FCBB)输出开关FCBBS1-FCBBS6。在一些实施例中，例如图3中描绘的实施例，每个正向导通双向阻断开关可以由开关和二极管(在图3中，形成相对应的正向导通双向阻断开关FCBBS1、FCBBS2、FCBBS3、FCBBS4、FCBBS5、FCBBS6的开关S1、S2、S3、S4、S5、S6和相对应的二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6)的串联组合构成；在其它实施例中，正向导通双向阻断开关可以由背对背开关(或AC开关)或具有双向能力的开关构成。开关FCBBS1和FCBBS4彼此串联耦合，开关FCBBS2和FCBBS5彼此串联耦合，并且开关FCBBS3和FCBBS6彼此串联耦合；这些串联组合各自跨变压器310的次级绕组耦合。变压器310具有1:n的匝数比，并且电容器CL2也跨变压器次级绕组存在。
输出电容器Coca耦合在开关FCBBS1和FCBBS3的漏极端子之间；耦合到输出电感器Loa的第一端子；输出电容器Cobc耦合在开关FCBBS2和FCBBS3的漏极端子之间；并且输出电容器Coab耦合在开关FCBBS1和FCBBS2的漏极端子之间。输出电感器Loa耦合在开关FCBBS1的漏极端子和第一输出端子a之间；输出电感器Lob耦合在开关FCBBS2的漏极端子和第二输出端子b之间；并且输出电感器Loc耦合在开关FCBBS3的漏极端子和第三输出端子c之间。输出端子a、b和c可以耦合到任何合适的系统或装置，例如三相AC电源线。开关S00、S0和FCBBS1-FCBBS6中的每一个的栅极端子耦合到用于可操作地控制开关的控制器330。
电源转换器300在降压-升压操作模式下工作，并且完全通过链路电感器传输电力，所述链路电感器在每个周期被充电和放电。电源转换器300具有比进行类似功能的常规四象限感应链路转换器(例如，通用电源转换器)更低的总开关数。与利用四象限链路操作的这些常规转换器(其中链路电流可以为正和为负)相比，电源转换器300将链路电流限制到一个方向，从而允许电源转换器300具有更少数量的开关和更简单的控制算法。此外，与SST应用中使用的拓扑相比，电源转换器300不利用变压器310周围的任何开关。此外，与常规拓扑相比，电源转换器300的拓扑消除了对电解电容器的需要，采用了仅具有一个处理器的更简单的应用控制；可以以1为增量安装；消除了与功率增加时的双频纹波相关的高成本；并且能够在开发诸如三相水泵或三相电机驱动应用的多输入/多输出产品时实现灵活性。电源转换器300的拓扑相对于诸如通用电源转换器和SST转换器的常规拓扑提高了转换器的功率密度，从而能够实现比常规拓扑更低的最终生产成本。
在一个或多个实施例中，变压器匝数比1:n可以是1:9，电感LS可以忽略不计，并且电源转换器组件可以具有以下大约值：CL1＝2nF；CL2＝CL1/n2＝0.125nF(其中n＝9)；Li＝33uH；Ci＝50uF，LM＝3.2uH，LS＝2nH，Coa＝2uF，Cob＝2uF，Coc＝2uF，Loa＝100uH，Lob＝100uH，Loc＝100uH。
图4是根据本公开的一个或多个实施例的控制器330的框图。类似于控制器130，控制器330包括配套电路304和存储器306，所述配套电路和存储器中的每一个耦合到CPU302，存储器306存储各种形式的应用软件，例如用于在由控制器330执行时控制电源转换器300的操作的转换器控制模块410。
图5是根据本公开的一个或多个实施例的电源转换器500的框图。此图仅描述了无数可能的系统配置中的一种变型。本公开可以在各种发电环境和系统中发挥作用。
电源转换器500是具有电隔离和抑制双频纹波的部分谐振DC转单相AC转换器。电源转换器500包括电源转换器100的拓扑以及额外的桥(称为纹波桥)，所述桥跨正向导通双向阻断开关FCBBS1–FCBBS4的输出桥耦合以处理双频纹波。纹波桥包括以桥配置耦合的正向导通双向阻断开关FCBBS5–FCBBS8(在图5中，形成相对应的正向导通双向阻断开关FCBBS5、FCBBS6、FCBBS7、FCBBS8的开关S5、S6、S7、S8和相对应的二极管D5、D6、D7、D8)，其中小电容器Crp耦合在每个桥臂的中点之间。
如同电源转换器100和300一样，电源转换器500仅在降压-升压操作模式下工作，并且完全通过链路电感器传输电力，并且具有比进行类似功能的四象限感应链路常规转换器更低的开关数，所述链路电感器在每个周期被充电和放电。此外，与没有抑制双频纹波的常规单相DC-AC拓扑相比，电源转换器500的拓扑消除了对庞大的电解电容器的需要，消除了与功率增加时的双频纹波相关的高成本；并且能够在开发多输入/多输出产品时实现灵活性。
在一个或多个实施例中，变压器匝数比1:n可以是1:9，电感LS可以忽略不计，并且电源转换器组件可以具有以下大约值：CL1＝1nF；CL2＝CL1/n2＝0.01234nF(其中n＝9)；Co＝1.8uF；Lo＝30uH；Li＝100uH；Ci＝24uF，Crp＝10uF；LM＝1.8uH，Ls＝2nH。
图6是根据本公开的一个或多个实施例的控制器530的框图。类似于控制器130和330，控制器530包括配套电路604和存储器606，所述配套电路和存储器中的每一个耦合到CPU 602。存储器606存储各种形式的应用软件，例如用于在由控制器530执行时控制电源转换器500的操作的转换器控制模块610。
尽管上文针对本公开的实施例，但是在不脱离本公开的基本范围的情况下，可以设计出本公开的其它和另外的实施例。
Claims (20)
1.一种部分谐振转换器，包括：
部分谐振链路，其由与变压器的初级绕组侧上的第一电容器和所述变压器的次级绕组侧上的第二电容器并联的磁化链路电感器形成；
一对串联开关，其跨所述磁化链路电感器和所述第一电容器耦合；和
多个正向导通双向阻断开关，其在操作期间将输入源和输出负载连接到所述磁化链路电感器。
2.根据权利要求1所述的部分谐振转换器，其中，所述变压器是高频变压器。
3.根据权利要求1所述的部分谐振转换器，其中，所述磁化链路电感器在降压-升压操作模式的每个周期中被充电和放电。
4.根据权利要求1所述的部分谐振转换器，其中，所述磁化链路电感器具有1.8μH的电感，所述第一电容器具有约1nF的电容，其中，所述第二电容器具有约0.01234nF的电容并且等于CL2＝CL1/n2(其中，n＝9)。
5.根据权利要求1所述的部分谐振转换器，其中，所述多个正向导通双向阻断开关包括以下之一：
包括四个开关和四个相对应的二极管的开关和二极管的串联组合；或
包括六个开关和六个相对应的二极管的开关和二极管的串联组合。
6.根据权利要求5所述的部分谐振转换器，其中，当所述多个正向导通双向阻断开关包括四个开关和四个相对应的二极管时：
输出电容器的第一端子耦合到第一开关的漏极端子和输出电感器的第一端子；
所述输出电容器的第二端子耦合到第二开关的漏极端子；
所述输出电感器的第二端子和所述输出电容器的第二端子各自耦合到单相AC电源线；并且
所述一对串联开关和所述四个开关的栅极端子耦合到用于对其进行操作控制的控制器。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的部分谐振转换器，其中，所述输出电容器具有约1.8μF的电容。
8.根据权利要求6所述的部分谐振转换器，进一步包括跨所述四个开关耦合并被配置成管理双频纹波的纹波桥。
9.根据权利要求1至6或8中任一项所述的部分谐振转换器，其中，所述纹波桥包括以桥配置耦合的四个开关和四个相对应的二极管，并且其中，具有约10μF的电容的电容器耦合在每个桥臂的中点之间。
10.根据权利要求5所述的部分谐振转换器，其中，当所述多个正向导通双向阻断开关包括六个开关和六个相对应的二极管时：
第一输出电容器耦合在第一开关的漏极端子和第三开关的漏极端子之间并耦合到输出电感器的第一端子；
第二输出电容器耦合在第二开关的漏极端子和所述第三开关的所述漏极端子之间；
第三输出电容器耦合在所述第一开关的所述漏极端子和所述第二开关的所述漏极端子之间；
第一输出电感器耦合在所述第一开关的所述漏极端子和第一输出端子之间；
第二输出电感器耦合在所述第二开关的所述漏极端子和第二输出端子之间；
第三输出电感器耦合在所述第三开关的所述漏极端子和第三输出端子之间；
所述第一输出端子、第二输出端子和第三输出端子耦合到三相AC电源线；并且
所述一对串联开关和所述六个开关中的每一个的栅极端子耦合到用于对其进行操作控制的控制器。
11.根据权利要求1至6或10中任一项所述的部分谐振转换器，其中，所述第一输出电容器、所述第二输出电容器和所述第三输出电容器各自具有约1.8μF的电容。
12.根据权利要求1至6中任一项所述的部分谐振转换器，其中，所述输入源是光伏模块，并且所述输出负载是单相AC电源线或三相AC电源线中的一个。
13.一种部分谐振转换器，包括：
部分谐振链路，其由与变压器的初级绕组侧上的第一电容器和所述变压器的次级绕组侧上的第二电容器并联的磁化链路电感器形成；
一对串联开关，其跨所述磁化链路电感器和所述第一电容器耦合；和
多个正向导通双向阻断开关，其仅在降压-升压操作模式期间将输入源和输出负载连接到所述磁化链路电感器。
14.根据权利要求13所述的部分谐振转换器，其中，所述变压器是高频变压器。
15.根据权利要求13所述的部分谐振转换器，其中，所述磁化链路电感器具有1.8μH的电感，所述第一电容器具有约1nF的电容，其中，所述第二电容器具有约0.01234nF的电容并且等于CL2＝CL1/n2(其中，n＝9)。
16.根据权利要求13所述的部分谐振转换器，其中，所述多个正向导通双向阻断开关包括以下之一：
包括四个开关和四个相对应的二极管的开关和二极管的串联组合；或
包括六个开关和六个相对应的二极管的开关和二极管的串联组合。
17.根据权利要求16所述的部分谐振转换器，其中，当所述多个正向导通双向阻断开关包括四个开关和四个相对应的二极管时：
输出电容器的第一端子耦合到第一开关的漏极端子和输出电感器的第一端子；
所述输出电容器的第二端子耦合到第二开关的漏极端子；
所述输出电感器的第二端子和所述输出电容器的第二端子各自耦合到单相AC电源线；并且
所述一对串联开关和所述四个开关的栅极端子耦合到用于对其进行操作控制的控制器。
18.根据权利要求13至17中任一项所述的部分谐振转换器，其中，所述输出电容器具有约1.8μF的电容。
19.根据权利要求17所述的部分谐振转换器，进一步包括跨所述四个开关耦合并被配置成管理双频纹波的纹波桥。
20.根据权利要求13至17或19中任一项所述的部分谐振转换器，其中，所述纹波桥包括以桥配置耦合的四个开关和四个相对应的二极管，并且其中，具有约10μF的电容的电容器耦合在每个桥臂的中点之间。
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