CN102365813A - 具有两个不对称桥和一个使dc输入与ac输出去耦的空转通路的逆变器 - Google Patents

Abstract

公开了一种双向逆变器，所述逆变器包括DC端子(DC+，DC-)，并可通过电网AC端子(U，V)连接到电网上。这种逆变器包括并联连接到DC端子上的第一子逆变器(S1)和第二子逆变器(S2)，并通过子逆变器AC端子(AC1，AC2，AC1′，AC2′)并联连接到电网AC端子上。每个子逆变器各包括一个全桥和一个可开关的空转通路，两者被配置成驱动在电网AC端子之间沿驱动方向的电流，并被配置成阻塞在电网AC端子之间沿与驱动方向相反的阻塞方向的电流。第一子逆变器的驱动方向是第二子逆变器的阻塞方向。

Description

具有两个不对称桥和一个使DC输入与AC输出去耦的空转通路的逆变器

相关申请的交叉引用

本申请要求2009年3月30日提交的欧洲专利申请EP09004544.4和2009年8月5日提交的欧洲专利申请EP09010097.5的优先权，这两个欧洲专利申请的公开内容通过引用被全部包括在这里。

技术领域

本发明涉及用于直流(DC)与交流(AC)之间的变换的特别是用于光致电压系统的双向逆变器。

背景技术

双向逆变器能够将能量从DC侧传送到AC侧和从AC侧传送到DC侧。这个要求的一个例子是在逆变器的AC侧提供无功功率。在这种情况下，逆变器仅需在电网周期的一部分期间将能量从DC侧传送到AC侧，而在其余时间能量流反向。

对于使用所谓IGBT(绝缘栅双极型场效应管)组件作为半导体开关的逆变器来说，如果一个二极管与每个IGBT逆并联连接，这个要求通常不造成问题。在能量流反向时，电流通过二极管而不是IGBT。然而，如果使用诸如MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)之类的具有内部寄生二极管的其他半导体开关，这些组件内的内部寄生二极管通常会引起一些问题。这些二极管通常只是很不适合于开关操作，因为在整流时它们具有高的反向恢复电荷和硬的电流截止。然而，不可避免的是，在能量流反向时，这些二极管接收电流，正如专门安装成与IGBT逆并联的二极管一样。于是，这些内部寄生二极管可能由于它们的恢复电荷而导致开关损耗，并可能由于硬的电流截止而提供差的EMC特性。因此，如果双向逆变器是用MOSFET或类似的半导体作为开关构成的，就必须使用特殊的电路布置。

从US6,847,196可以得知一种这样的电路。其中使用了具有四个开关和由附加的可饱和扼流圈隔离的电流通路的DC/AC变换器。有四个附加的空转(freewheel)二极管。这种布置减小或阻止了流过开关内部存在的逆并联二极管的电流。然而，这种电路的缺点是，在任何开关状态都不发生DC源与电路布置之间的去耦。因此，如同任何常规的全桥那样，在开关操作只在桥的一半中进行的情况下，在输入侧与输出侧之间就会出现电压突变。如果逆变器的输出侧接到公用电网上并因此接地，输入侧的电位相对于地电位以阶跃式的方式改变。对于作为电源的光致电压产生器来说这是不利的，例如，这是因为由于这些光致电压产生器的结构它们相对于外壳具有高电容，从而会出现不希望有的电容寄生电流和/或危险的接触电压。

如果桥的两半同时开关，用这种电路仅可以避免高频电位突变，然而这降低了电路的效率。或者，可以将一个变压器接在该电路在电网侧的下游。但是在这种情况下总效率也被降低。

德国专利说明书DE102004030912描述了一种包括四个桥开关以及在桥之外而在DC电路内的一个附加的去耦开关的光致电压逆变器。这种电路在适当的效率下解决了高频寄生电流的问题。在空转阶段，空转电流流经的空转通路与光致电压产生器由去耦开关隔开。结果，避免了电位突变和对光致电压产生器与地之间的寄生电容充电，使得相应的高频寄生电流减小。

这种电路的缺点是，对于双向操作最佳的组件不能被用于开关和二极管。由于不同的能量流方向，必须为所有的半导体开关提供逆并联二极管。然而，如果将MOSFET或类似的晶体管用作开关，它们的内部寄生二极管仍接收一些电流，造成已说明的负面效应。

在EP1369985中描述了另一种解决高频寄生电流问题的方案。其中，给具有四个桥开关的常规全桥增添两个在桥输出端之间的可开关的连接通路，从而同样建立一个具有可以与DC侧去耦的浮动电位的空转通路。然而，在这里也必须至少为桥半导体提供逆并联二极管，从而不能无问题地使用像MOSFET那样的某些半导体类型。

因此，希望找到一种简化的双向且无变压器的逆变器布局，特别是用于光致电压产生器的，该逆变器布局可以避免在AC侧与DC侧之间的电位突变，同时提供高的变换效率。

发明内容

公开了一种双向逆变器，这种逆变器包括DC端子，并可通过电网AC端子连接到电网上。所述逆变器包括一个第一子逆变器和一个第二子逆变器，这两个子逆变器并联连接到DC端子上，并由子逆变器AC端子并联连接到电网AC端子上。每个子逆变器各包括一个全桥和一个可开关的空转通路，两者被配置成驱动在电网AC端子之间沿驱动方向的电流，并被配置成阻塞在电网AC端子之间沿与驱动方向相反的阻塞方向的电流。第一子逆变器的驱动方向是第二子逆变器的阻塞方向。可开关的空转通路可以被配置成电位自由的或至少暂时与DC端子去耦的。

在另一个方面，公开了一种双向逆变器，这种逆变器包括两个DC端子、一个第一AC电网端子和一个第二AC电网端子。这种逆变器还包括一个具有一个第一和一个第二AC端子的第一全桥和一个具有另一个第一AC端子和另一个第二AC端子的第二全桥。第一全桥和第二全桥都接到DC端子上。多个耦合电感器将第一全桥和第二全桥的AC端子互连，使得在每个全桥内只允许电流沿单向流动，从而为每个全桥提供一个可开关的电位自由的空转通路，第一全桥和第二全桥各被配置成驱动超过包括在本全桥内的半导体开关的泄漏电流的、沿流出所述第一AC端子和所述另一个第一AC端子和流入所述第二AC端子和所述另一个第二AC端子的方向的电流。

在第三方面，公开了一种双向逆变器，这种逆变器包括DC端子，并可通过第一、第二和第三电网AC端子连接到三相电网上。这种逆变器包括一个第一子逆变器、一个第二子逆变器和一个第三子逆变器，所有子逆变器并联连接到DC端子上。每个子逆变器接到电网AC端子中的两个电网AC端子上，并包括一个全桥和一个可开关的空转通路，两者被配置成驱动在这两个电网AC端子之间沿驱动方向的电流和阻塞在这两个电网AC端子之间沿与驱动方向相反的阻塞方向的电流。第一子逆变器接到第一AC端子和第二AC端子上，第二子逆变器接到第二和第三AC端子上，而第三子逆变器接到第三和第一AC端子上。

附图说明

以下将根据一些实施例并参照附图更详细地说明本发明，在这些附图中：

图1示出了具有两个子逆变器的双向逆变器；

图2至5示出了作为本发明的实施例的单个子逆变器的电路布置；

图6示出了组件减少了的逆变器的电路布置；以及

图7和8示出了具有三个子逆变器的双向逆变器。

具体实施方式

图1示出了具有并联连接到DC端子DC+、DC-上的第一子逆变器S1和第二子逆变器S2的双向逆变器。DC端子DC+、DC-可以接到诸如太阳能电池板、燃料电池、电池之类的DC电源上。子逆变器S1、S2还各包括两个AC端子，分别为AC1、AC2和AC1’、AC2’，被配置成分别驱动在AC端子AC1与AC2之间和在AC1’与AC2’之间沿驱动方向的电流，并被配置成分别阻塞在AC端子AC1与AC2之间和在AC1’与AC2’之间沿与驱动方向相反的阻塞方向的电流。驱动方向由为子逆变器S1、S2所示出的箭头D1、D2标示。子逆变器AC端子AC1、AC2、AC1’、AC2’通过可以是如图中所示的分立电感元件的电感器L1、L2、L1’、L2’与电网AC端子U、V耦合。子逆变器的每个AC端子与电网AC端子中的一个端子耦合，使得子逆变器S1、S2并联连接到电网AC端子U、V上。如图所示，子逆变器S1的第一AC端子AC1与子逆变器S2的第二AC端子AC2’一起连接到电网AC端子U上，而子逆变器S1的第二AC端子AC2与子逆变器S2的第一AC端子AC1’一起连接到电网AC端子V上。在这种配置中，通过电网AC端子U、V提供的电流的任何方向都是子逆变器S1、S2中一个子逆变器的驱动方向而是另一个子逆变器的阻塞方向。结果，在电网AC端子U、V处的交流电交替地通过子逆变器S1、S2中的一个子逆变器受到驱动，其中每个子逆变器驱动交流电的一个方向。

子逆变器S1、S2各包括一个全桥和一个可开关的空转通路，两者被配置成驱动在子逆变器AC端子之间沿驱动方向的电流，并被配置成阻塞在子逆变器AC端子之间沿与驱动方向相反的阻塞方向的电流。可开关的空转通路可以被配置成电位自由的，或者至少暂时与DC端子去耦的，使得从其他布局已知的在逆变器的DC端子处的电位突变可以避免。图2至5示出了子逆变器的一些实施例。一个逆变器可以包括一些相同实施例的子逆变器或者不同实施例的子逆变器。

图2示出了一个具有通常包括呈现为H配置的四个半导体元件的全桥FB的子逆变器。由于子逆变器被配置成驱动只是沿一个方向的电流，因此这些半导体元件中有两个可以用被布置成阻塞沿阻塞方向的电流的二极管D1、D2来代替。其他两个半导体元件用半导体开关T1、T2形成。DC端子DC+通过开关T1接到AC端子AC1上，而DC端子DC-通过开关T2接到AC端子AC2上。DC端子DC-通过二极管D2接到AC端子AC1上，而DC端子DC+通过二极管D1接到AC端子AC2上。AC端子AC1、AC2接到全桥的两个支路上。第三半导体开关T3和第三二极管D3串联连接在AC端子AC1与AC2之间，从而形成了一个可开关的空转通路FP。二极管D3被布置成阻塞沿子逆变器的阻塞方向的电流。

半导体开关T1、T2、T3可以是具有内部寄生二极管的MOSFET开关，如图所示。也可以使用其他类型的开关或不同类型的开关的混合。图3示出了与图2的不同的子逆变器配置，其中空转通路FP的半导体开关T3与二极管D3交换了位置。

图4示出了子逆变器的第三实施例。在这里，全桥FB也是包括两个半导体开关T1、T2和二极管D1、D2，而空转通路FP由布置在AC端子AC1、AC2之间的半导体开关T3和二极管D3形成。一个由开关T2和二极管D1形成的全桥支路可以直接连接到AC端子AC2上，而另一个全桥支路被断开。如图所示，二极管D2可以直接连接到AC端子AC1上，而开关T1可以接到空转通路FP的开关T3与二极管D3之间的中点上，因此DC端子DC+通过开关T1和T3接到AC端子AC1上。这样，在这个(和以下)实施例中，也可以将T3看作是全桥的一部分。

在图5所例示的第四实施例中，由半导体开关T1和二极管D2形成的全桥支路可以直接连接到AC端子AC1，而由开关T2和二极管D1形成的全桥支路被断开。如图所示，二极管D1可以直接连接到AC端子AC2上，而DC端子DC-通过开关T2和T3接到AC端子AC2上。

也可以考虑开关和二极管的其他配置，只要它们能驱动在AC端子AC1与AC2之间沿驱动方向的电流并被配置成阻塞在端子AC1与AC2之间沿与驱动方向相反的阻塞方向的电流。就所示的所有实施例来说，沿驱动方向的电流只沿开关T1、T2、T3的内部寄生二极管的阻塞方向流过开关T1、T2、T3，使得在常规工作中电流流过寄生二极管，因此大大减少甚至阻止了恢复电荷在这些寄生二极管内的积聚。与允许电流双向流过开关的情况相比，这可以导致更为有效地开关诸如MOSFET之类的半导体开关，并改善了逆变器的EMC性能，即使在为每个开关提供一个单独的空转二极管的情况下也是这样。

为了进一步减少双向逆变器内的组件，子逆变器S1、S2还可以共享一些元件，如图6所示。在插入两个如图4所示的子逆变器作为图1的子逆变器S1、S2时可以直接得到这种电路布置，形成第一全桥FB1和第一空转通路FP1以及第二全桥FB2和第二空转通路FP2。在这种情况下，半导体开关T1可以在第一全桥FB1与第二全桥FB2之间共享，形成两个子逆变器的全桥的公共部分。以未示出的类似方式，在组合两个如图5所示的子逆变器时，可以实现具有减少了的组件的双向逆变器。在这种情况下，两个子逆变器可以共享一个公共的半导体开关T2。具有在子逆变器之间共享的组件(其中包括二极管)的双向逆变器的其他配置也可以是可行的。

在本发明的另一方面，可以将提供包括用于不同电流方向的分立子逆变器的思想扩展到三相电网。在这种情况下，如图7所示，双向逆变器包括第一、第二和第三电网AC端子1、2、3和第一、第二和第三子逆变器S1、S2、S3。每个子逆变器包括两个子逆变器AC端子，这些子逆变器AC端子通过相应的电感器L1、L2、L1’、L2’、L1″、L2″接到电网AC端子1、2、3中的两个不同的端子上。例如，第一子逆变器S1接到第一电网AC端子1和第二电网AC端子2上，第二子逆变器S2接到第二电网AC端子2和第三电网AC端子3上，而第三子逆变器S3接到第三电网AC端子3和第一电网AC端子1上。在DC侧，所有子逆变器S1、S2、S3并联连接到DC端子DC+、DC-上。同样，每个子逆变器S1、S2、S3被配置成驱动在AC端子之间沿驱动方向D1、D2、D3的电流，并被配置成阻塞在AC端子之间沿与驱动方向相反的闭塞方向的电流。每个子逆变器S1、S2、S3的驱动方向D1、D2、D3同样用相应箭头标示。图2至5所示的布局可以用于子逆变器S1、S2、S3。也可以设想，可以通过在子逆变器之间共享一些组件来减少组件，如结合图6所说明的。

第一、第二和第三子逆变器的驱动方向D1、D2、D3用指配给这些子逆变器的箭头标示，一致地被定向成沿由通过将子逆变器连接到电网AC端子而形成的闭合通路P。在图7中，通路P从电感器L1沿着子逆变器S1、电感器L2和L1’、子逆变器S2、电感器L2’和L1、子逆变器S3、电感器L2″延伸，再回到电感器L1。沿着通路P，这些子逆变器的所有驱动方向D1、D2、D3具有相同的朝向。在这种情况下，在例如电网AC端子1与电网AC端子2之间沿第一方向的电流由子逆变器S1驱动，而沿向反方向的电流由有效地通过电感器L1’、L2’、L1″和L2″串联在电网AC端子1与2之间的子逆变器S2和S3驱动。类似，在任何两个电网AC端子之间的电流，取决于电流方向，或者由布置在那些电网AC端子之间的单个子逆变器驱动，或者由相应的其他两个子逆变器驱动。值得提到的是，对于连接到二相电网上的逆变器来说，子逆变器S1、S2的驱动方向D1、D2也是一致地被定向成沿着通过将子逆变器连接到电网AC端子上而形成的闭合通路。例如，在图1中，闭合通路从电感器L1沿着子逆变器S1、电感器L2和L1’、子逆变器S2、电感器L2延伸，回到电感器L1，驱动方向D1、D2由指配给子逆变器S1、S2的箭头标示。

图8示出了将子逆变器与电网AC端子耦合的一种变型。在这里，电网AC端子1、2、3分别接到各与子逆变器S1、S2、S3中不同的子逆变器连接的电感器B1、B2、B3上。电感器B1、B2、B3可以是一个公共芯上的线圈，可以添加给或代替分立电感器L1、L2、L1’、L2’、L1″、L2″。容易理解，也可以将耦合电感器L1、L2、L1’、L2’、L1″、L2″做成桥接电感器B1、B2、B3的泄漏电感器。使用添加给或代替分立电感器L1、L2、L1’、L2’、L1″、L2″的电感器B1、B2、B3并不局限于三相电网的双向逆变器，而是也可以用于图1的二相电网逆变器。

在电网AC端子处，可以存在附加的滤波器元件，例如至少一个滤波电感器，这个滤波电感器具有较大的电感值，特别是大于电感器L1、L2、L1’、L2’、L1″、L2″或电感器B1、B2、B3的电感值的至少5倍的电感值。结果，实际的滤波功能可以由该滤波电感器接管，从而只需要每个电网电压杆一个大磁组件。

在基本上不背离本发明的精神和原理的情况下可以对本发明的优选实施例进行许多改变和修改。打算将所有这样的修改和改变包括在如由以下权利要求书确定的本发明的范围内。

Claims (20)

1.一种包括DC端子并且可通过电网AC端子连接到电网上的双向逆变器，所述逆变器包括一个第一子逆变器和一个第二子逆变器，这两个子逆变器并联连接到DC端子上，并由子逆变器AC端子并联连接到电网AC端子上，每个子逆变器包括一个全桥和一个可开关的空转通路，两者被配置成驱动在电网AC端子之间沿驱动方向的电流，并被配置成阻塞在电网AC端子之间沿与驱动方向相反的阻塞方向的电流，其中第一子逆变器的驱动方向是第二子逆变器的阻塞方向。

2.根据权利要求1的逆变器，其中，每个全桥包括两个半导体开关和两个二极管，所述二极管被布置成阻塞沿阻塞方向的电流。

3.根据权利要求1的逆变器，其中，所述全桥各包括多个金属氧化物半导体场效应管MOSFET。

4.根据权利要求1的逆变器，其中，每个空转通路包括串联连接的一个半导体开关和一个二极管，所述二极管被布置成阻塞沿阻塞方向的电流。

5.根据权利要求1的逆变器，其中，每个空转通路包括一个MOSFET。

6.根据权利要求1的逆变器，其中，每个空转通路被配置成至少暂时与DC端子去耦。

7.根据权利要求1的逆变器，其中，所述逆变器包括一个形成第一子逆变器和第二子逆变器的全桥的公共部分的半导体开关。

8.根据权利要求1的逆变器，其中，每个全桥被配置成在逆变器正常工作中阻止电流流过相应半导体开关的寄生二极管。

9.根据权利要求1的逆变器，还包括：布置在第一子逆变器的子逆变器AC端子与电网AC端子之间的第一对电感器；以及布置在第二子逆变器的子逆变器AC端子与电网AC端子之间的第二对桥接电感器。

10.根据权利要求8的逆变器，其中，第一对电感器中的一个电感器和第二对电感器中的一个电感器被设置为在一个公共芯上的线圈。

11.根据权利要求1的逆变器，其中，所述第一子逆变器和第二子逆变器通过公共电感器连接到AC端子上。

12.一种包括两个DC端子、一个第一电网AC端子和一个第二电网AC端子的双向逆变器，所述逆变器包括：

一个包括一个第一AC端子和一个第二AC端子的第一全桥以及一个包括另一个第一AC端子和另一个第二AC端子的第二全桥，这两个全桥都连接到DC端子上；以及

多个耦合电感器，用来将第一全桥和第二全桥的AC端子互连，使得在每个全桥内只允许电流沿单向流动，从而给每个全桥提供一个可开关的电位自由的空转通路，

其中，每个全桥被配置成驱动超过在所述全桥内包含的半导体开关的泄漏电流的、沿流出所述第一AC端子和所述另一个第一AC端子并流入所述第二AC端子和所述另一个第二AC端子的方向的电流。

13.根据权利要求12的逆变器，其中，在第一全桥的AC端子之间的可开关的空转通路驱动从所述第一AC端子向所述第二AC端子的电流而阻塞沿相应的相反方向的电流，以及在第二全桥的AC端子之间的可开关的空转通路驱动从所述另一个第二AC端子向所述另一个第一AC端子的电流而阻塞沿相应的相反方向的电流。

14.根据权利要求12的逆变器，其中，在所述第一AC端子与所述另一个第二AC端子之间的第一连接点直接或通过滤波器元件与第一电网AC端子耦合，而在所述另一个第一AC端子与所述第二AC端子之间的第二连接点直接或通过滤波器元件与第二电网AC端子耦合。

15.根据权利要求14的逆变器，其中，所述多个耦合电感器包括一个配置在所述第一连接点与所述第一AC端子之间的第一耦合电感器、一个配置在所述第一连接点与所述另一个第二AC端子之间的第二耦合电感器、一个配置在所述第二连接点与所述另一个第一AC端子之间的第三耦合电感器和一个配置在所述第二连接点与所述第二AC端子之间的第四耦合电感器。

16.根据权利要求15的逆变器，其中，所述第一连接点和第二连接点通过滤波器元件分别与第一AC输出端子和第二AC输出端子耦合，其中所述滤波器元件包括电感值大于所述耦合电感器的电感值的5倍的滤波电感器。

17.根据权利要求16的逆变器，其中，所述耦合电感器由相应的一个滤波电感器的杂散电感形成。

18.根据权利要求17的逆变器，其中，所述滤波电感器的电感和所述耦合电感器的电感的大小被定成基本上抑制通过第一全桥和第二全桥的半导体开关的相应体二极管的电流。

19.一种包括DC端子并且可通过第一、第二和第三电网AC端子连接到三相电网上的双向逆变器，所述逆变器包括一个第一子逆变器、一个第二子逆变器和一个第三子逆变器，所有子逆变器并联连接到DC端子上，每个子逆变器连接到所述电网AC端子中的两个电网AC端子上，并包括一个全桥和一个可开关的空转通路，两者被配置成驱动在所述电网AC端子中的所述两个电网AC端子之间沿驱动方向的电流，并被配置成阻塞在所述电网AC端子中的所述两个电网AC端子之间沿与驱动方向相反的阻塞方向的电流，其中，所述第一子逆变器连接到第一AC端子和第二AC端子上，所述第二子逆变器连接到第二AC端子和第三AC端子上，而所述第三子逆变器连接到第三AC端子和第一AC端子上。

20.根据权利要求19的逆变器，其中，所述第一、第二和第三子逆变器的驱动方向被一致定向成沿着由所述子逆变器与所述电网AC端子的连接形成的闭合通路。

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