功率转换器电路和方法
【专利摘要】一种功率转换器电路和方法，其中功率转换器电路包括转换器串联电路，其包括数个转换器单元。该转换器串联电路被配置为输出串联电路输出电流。同步电路被配置为生成至少一个同步信号。转换器单元中的至少一个被配置为生成输出电流，使得输出电流的频率或相位中的至少一个依赖于所述同步信号，并且包括具有反相降压升压拓扑结构的转换器级。
【专利说明】功率转换器电路和方法
【技术领域】
[0001] 本发明的实施例涉及一种功率转换器电路，具有功率转换器电路的电源系统，以 及用于操作功率转换器电路的方法。
【背景技术】
[0002] 随着对可持续能源生产的兴趣渐浓，对于使用光伏组件以用于生产电力有关注。 光伏（PV)模块包括多个光伏（PV)电池，其也被称为太阳能电池。因为一个电池的输出电 压是比较低的，PV模块通常包括具有多个串联连接的太阳能电池的一串，诸如50至100个 串联连接的电池，或甚至并联连接的多个这样的串。
[0003] PV模块提供了 DC供电电压，而电网，诸如国家电网，具有AC供电电压。为了将由 PV模块所提供能量供应到电网中，因此，有必要将PV模块的DC电压转换为与电网的AC供 电电压相一致的AC电压。几个概念已知用于将由DC电源提供的DC电压分别转换成AC电 压和交流电流。
[0004] 用于将PV模块的DC电压转换为电网AC电压的第一个方法包括：串联连接多个PV 模块，从而得到比电网AC电压的峰值电压更高的DC电压，以及利用DC/AC转换器将DC电 压转换成AC电压。DC电压的幅度通常在200V到1000V之间。然而，高的DC电压在电弧的 发生方面是至关重要的。
[0005] 根据第二个方法，提供了多个DC/AC转换器，其中每个转换器被连接到PV模块。 各个转换器具有并联连接的AC电压输出，并且每个这些转换器生成AC电压，所述AC电压 与由太阳能电池的串所提供的DC电压的电网AC供电电压一致。由一个PV模块所提供的 DC电压通常具有在20V到100V之间的范围内的幅度，这取决于在一个模块内被串联连接的 电池的数目并取决于用来实施太阳能电池的技术，而电网AC电压的峰值电压为约155V或 325V，取决于国家。然而，由于输入和输出电压之间的巨大差异，这些转换器在效率方面是 不利的。
[0006] 因此，需要一种功率转换器电路，其能够高效率地将相对低的DC供电电压转换成 与电网电压相一致的AC输出信号。
【发明内容】
[0007] 第一个方面涉及一种功率转换器电路。所述功率转换器电路包括至少一个转换器 串联电路，其包括多个转换器单元，以及被配置为生成至少一个同步信号的同步电路，所述 至少一个转换器串联电路被配置为输出串联电路的输出电流，并且所述多个转换器单元中 的至少一个被配置为生成输出电流，使得所述输出电流的频率和相位中至少一个依赖于所 述同步信号，并包括具有反相降压升压拓扑结构的转换器级。
[0008] 第二个方面涉及一种方法。所述方法包括：由同步电路生成至少一个同步信号，由 至少一个包括多个转换器单元的转换器串联电路来输出串联电路输出电流，并由所述多个 转换器单元中的至少一个转换器单元来输出输出电流，使得所述输出电流的频率和相位中 的至少一个依赖于所述同步信号，其中所述多个转换器单元的所述至少一个转换器单元包 括具有反相降压升压拓扑结构的转换器级。
【专利附图】
【附图说明】
[0009] 现在将参考附图来解释实施例。附图用于解释基本原理，因而仅图示了理解基本 原理所必要的方面。附图不是按比例的。在附图中相同的附图标记表示相同的信号和电路 元件。
[0010] 图1示意性地示出了包括串联连接的多个DC/AC转换器单元和电压测量电路；
[0011] 图2包括图2A-2C，示出了不同的光伏阵列的实施例，每一个实施例包括至少一个 太阳能电池；
[0012] 图3示意性地示出了功率转换器电路，所述功率转换器电路包括串联连接的多个 DC/AC转换器单元和包括多个串联连接的测量单元的电压测量电路；
[0013] 图4包括图4A-4D,示出了测量单元的不同实施例；
[0014] 图5示出了图示第一个DC/AC转换器单元的第一实施例的框图，包括DC/AC转换 器和控制电路；
[0015] 图6详细示出了图5中的DC/AC转换器的一个实施例；
[0016] 图7包括图7A-7C，示出了可以在图6的DC/AC转换器中使用的开关的不同实施 例；
[0017] 图8示出了一个DC/AC转换器单元的控制电路的第一实施例；
[0018] 图9详细示出了图8中的控制电路的第一支路；
[0019] 图10示出了一个DC/AC转换器单元的控制电路的第二实施例；
[0020] 图11示出了图示一个转换器单元的第二实施例的框图，包括DC/DC转换器、最大 功率点跟踪器、DC/AC转换器、以及控制电路。
[0021] 图12示出了 DC/DC转换器的实施例，其被实施为升压转换器；
[0022] 图13示意性地示出了图12的DC/DC转换器的控制电路；
[0023] 图14示出了 DC/DC转换器，其被实施为降压转换器；
[0024] 图15示出了一个DC/AC转换器的控制电路的另一实施例；
[0025] 图16示出了 DC/DC转换器的实施例，其被实施为具有两个交错式（interleaved) 升压转换器级；
[0026] 图17示出了图16的DC/DC转换器的控制电路的第一实施例；
[0027] 图18示出了图16的DC/DC转换器的控制电路的第二实施例；
[0028] 图19示出了图示一个DC/AC转换器单元的另一实施例的框图，包括降压转换器和 展开电桥；
[0029] 图20示出了解释图19的DC/AC转换器单元的操作原理的时序图；
[0030] 图21示出了在图19的DC/AC转换器单元中实施的控制器的第一实施例；
[0031] 图22示出了图19的DC/AC转换器单元中实施的控制器的第二实施例；
[0032] 图23示出了具有组织为两个并联连接的串联电路的多个转换器单元的功率转换 器电路的实施例；
[0033] 图24示出了同步电路的另一实施例；
[0034] 图25示出了在图24的同步电路的传输电路的实施例；
[0035] 图26示出了一个转换器单元的又一实施例。
[0036] 图27示出了图26的转换器单元中的信号发生器的第一实施例；
[0037] 图28示出了图27的信号发生器中生成的信号的时序图；
[0038] 图29示出了图26的转换器单元中的信号发生器的第一实施例；
[0039] 图30示意性地示出了功率转换器电路的两种可能的操作模式；
[0040] 图31示出了功率转换器电路的一个实施例，包括操作模式控制器；
[0041] 图32示出了转换器单元的一个实施例，包括操作模式单元；
[0042] 图33示出了从第一操作模式变换到第二操作模式的第一实施例；
[0043] 图34示出了从第一操作模式变换到第二操作模式的第二实施例；
[0044] 图35示出了功率转换器电路的另一个实施例；
[0045] 图36示出了图35的功率转换器电路所实施的转换器单元的实施例。
[0046] 图37示出了转换器单元的又一实施例；
[0047] 图38示出了功率转换器电路的一个实施例，包括连接在具有转换器单元的串联 电路和输出端子之间的展开电路；
[0048] 图39示出了解释图38的功率转换器电路的操作原理；
[0049] 图40示出了展开电路的实施例。
[0050] 图41示出了图38的功率转换器器电路中的转换器单元的第一实施例；
[0051] 图42示出了图38的功率转换器电路中的转换器单元的第二实施例；
[0052] 图43示出了图38的功率转换器电路中的转换器单元的第三实施例；
[0053] 图44示出了包括至少一个变压器的功率转换器电路的第一实施例；
[0054] 图45示出了包括至少一个变压器的功率转换器电路的第二实施例；
[0055] 图46示意性地示出了包括变压器的DC/DC转换器的一个实施例；
[0056] 图47示出了具有双管正激（TTF)的拓扑结构的DC/DC转换器的一个实施例；
[0057] 图48示出了具有相移（PS)的零电压开关（ZVS)的转换器拓扑结构的DC/DC转换 器的一个实施例；
[0058] 图49示出了具有反激转换器拓扑结构的DC/DC转换器的一个实施例；
[0059] 图50示出了具有LLC转换器拓扑结构的DC/DC转换器的一个实施例；
[0060] 图51示出了包括变压器的一个DC/AC转换器的一个实施例；
[0061] 图52示出了具有共用一个变压器的多个DC/DC转换器的功率转换器电路的一个 实施例。
[0062] 图53示出了具有共用一个变压器的多个DC/DC转换器的功率转换器电路的另一 个实施例。
[0063] 图54示出了包括具有反相降压升压拓扑结构的转换器级的转换器单元的一个实 施例；
[0064] 图55不出了图54所不的转换器级在一个操作模式中的输出电流、输出电压、输入 电压的时序图；
[0065] 图56示出了图54中所示的反相降压升压转换器在一个操作模式中的通过电感性 兀件的电流的时序图和开关驱动/[目号的时序图；
[0066] 图57示出了图54所示的转换器级的变形例；
[0067] 图58示出了图58所示的转换器级在一个操作模式中通过电感性元件的电流的时 序图和开关驱动彳目号的时序图；
[0068] 图59示出了包括具有反相降压升压拓扑结构的转换器级的转换器单元的另一实 施例。
【具体实施方式】
[0069] 在下面的详细描述中，参考其中形成附图的一部分，并且在附图中通过示出在其 中可以实践本发明的具体实施例。在这方面，方向性术语，诸如"顶部"、"底部"、"前"、"后"、 "超前"，"拖后"等，被用来参考所描述的附图的方向。因为实施例的部件可以被定位在多个 不同朝向上，所以方向性术语是出于解释的目的而绝不是限制性的。但是要理解的是，可以 利用其他实施例并且可以进行结构或逻辑上的改变而不脱离本发明的精神和范围。因此， 下面的详细解释不应被视为具有限制意义，并且本发明的范围由所附的权利要求限定。但 是要理解的是，除非特别指出之外，本文所描述的各种示例性实施例的特征可以彼此结合。
[0070] 在下文中，本发明的实施例将在具体的情景中进行解释，即在将电功率或由多个 光伏阵列所提供的电压转换成交流电流，特别是供给电网的交流电流的情景中进行解释。 交流电流和交流电网的电压也将分别在下文中被称为AC电流和AC电网电压。然而，这仅 仅是一个示例，本发明的实施例可以在很宽的范围内得到应用，其中直流电压和直流电流 被转换为AC电压和AC电流是必需的。在下文中，直流电压和直流电流也将被分别简称为 DC电压和DC电流。任何类型的DC电源可被用来代替光伏阵列，诸如燃料电池。其甚至可 以使用不同的类型的DC电源，在一个应用中诸如光伏阵列和燃料电池。
[0071] 图1示出了功率转换器电路（功率逆变器电路）4的第一实施例，用于将N个（多 个，至少为两个）DC的输入电压V3p V32、V3n分别转换成一个AC输出电压vl和一个AC输 出电流I0UT。应当注意在这方面，在所有附图中DC电压和DC电流，将用大写字母"V"和 "I"来表示，而AC电压和AC电流将使用小写字母"v"和"i"来表示。功率转换器电路包括 η个（多个，至少为两个）转换器单元（逆变器单元）2i、22、和2n，其中η >2。每个转换器 单元包括具有输入端子;212、222、22η ;和21η的输入，所述输入端子被配置为耦合到 DC电源3i、32、3n。在图1中，除了具有转换器单元2p22、2 n的功率转换器电路1之外，还图 示了 DC电源。这些DC电源3^32 4连同功率转换器电路1形成了 AC电源系统或 AC电源系统。在图1所示的实施例中，DC电源3i、32、3n被实施为光伏（PV)模块。但是，采 用光伏模块作为DC电源仅仅是一个示例。任何其他类型的DC电源，也可以使用例如包括 燃料电池的电源。甚至可以在一个电源系统中采用不同类型的DC电源。
[0072] 每个转换器单元2i、22、2n还包括具有输出端子23^2( ;232、242 ;和23"，2411的输 出。转换器单元2p22、和2n在电源转换器电路1的输出端子11、12的输出之间串联（级 联）连接。对于这一点，第一转换器单兀具有稱合到功率转换器电路1的第一输出端子 11的第一输出端子23i并且级联中的最后一个转换器单元2 n具有耦合到功率转换器电路 1的第二输出端子12的第二输出端子24n。另外，第一输出端子（除了输出端子23i之外） 的每一个被连接到另一转换器单元的一个第二输出端子（除了输出端子24 n之外）。
[0073] 电源转换器电路1的输出端子11、12可以被配置为接收电压vl。例如，输出端子 11、12被配置成连接到电网，使得外部电压VI对应于电网电压，或者更具体地，对应于电网 的一相。在图1中，电网是由电压源100和电源100并联连接的负载Z来表示。电网的电压 源100表示多个在电网中的AC电压源，并且负载Z表示连接到电网中的电源的多个负载。 电网定义了在输出端子11、12之间的AC电压vl。由于此电压VI是由外部源，诸如电网定 义的，该电压将在下文中被称为外部AC电压vl。
[0074] 每个转换器单元2i、22、2n具有在其输出端子23 1、241、232、242、2311、24 11之间的八(：输 出电压％、％、<。通过串联连接的转换器单元2p22、2n的各个AC输出电压％、％、< 的总和对应于当功率转换器电路1在稳定状态下的外部电压vl，也就是
[0075]
【权利要求】
1. 一种功率转换器电路，包括： 转换器串联电路，所述转换器串联电路包括多个转换器单元，所述转换器串联电路被 配置为输出串联电路输出电流；和 同步电路，所述同步电路被配置为生成至少一个同步信号； 其中所述多个转换器单元中的至少一个转换器单元被配置为生成输出电流，使得所述 输出电流的频率或相位中的至少一个依赖于所述同步信号，并且包括具有反相降压升压拓 扑结构的转换器级。
2. 根据权利要求1所述的功率转换器电路，其中，所述多个转换器单元的每一个转换 器单元包括被配置为耦合到电源的输入。
3. 根据权利要求1所述的功率转换器电路， 其中，所述功率转换器电路被配置为接收外部电压；并且 其中，所述同步电路被配置为依赖于所述外部电压的电压水平而生成所述同步信号。
4. 根据权利要求1所述的功率转换器电路，其中，所述同步电路被配置为生成所述同 步信号，使得在所述外部电压和所述同步信号之间具有相位差。
5. 根据权利要求1所述的功率转换器电路， 其中，所述功率转换器电路被配置为接收外部交流电压，以及 其中，所述同步电路被配置为依赖于所述外部交流电压而生成所述同步信号作为经整 流的交流信号。
6. 根据权利要求5所述的功率转换器电路，还包括耦合到所述转换器串联电路并被配 置为将所述串联电路输出电流转换成交流输出电流的展开电路。
7. 根据权利要求1所述的功率转换器电路，其中，所述同步电路包括： 串联电路，所述串联电路带有多个耦合到所述转换器串联电路的测量单元， 其中，每个测量单元被配置为输出一个同步信号，并且 其中每个转换器单元被配置成接收由所述多个测量单元所输出的所述同步信号中的 一个同步信号。
8. 根据权利要求7所述的功率转换器电路，其中，由所述多个测量单元中的每一个测 量单元所提供的所述同步信号是跨所述测量单元两端的电压或者是其一部分。
9. 根据权利要求1所述的功率转换器电路，其中，所述转换器单元包括配置成接收直 流电压并输出所述输出电流的第一转换器，并且包括具有所述反相降压升压拓扑结构的所 述转换器级。
10. 根据权利要求9所述的功率转换器电路， 其中，所述第一转换器被配置为生成依赖于第一参考信号的所述输出电流，并且 其中，所述第一参考信号依赖于所述至少一个同步信号和所述输出电流。
11. 根据权利要求10所述的功率转换器电路，其中，所述转换器单元还包括被配置为 生成依赖于所述至少一个同步信号和所述输出电流的所述第一参考信号的控制电路。
12. 根据权利要求11所述的功率转换器电路，其中，所述第一转换器被配置为接收输 入电压，并且其中所述控制电路被配置为根据所述输入电压生成所述第一参考信号。
13. 根据权利要求9所述的功率转换器电路，其中，所述第一转换器包括： 被配置成接收所述直流电压并输出经整流的交流电流的所述转换器级； 被配置成接收所述经整流的交流电流并输出所述输出电流的展开电路。
14. 根据权利要求13的功率转换器电路，其中所述转换器级被配置为生成具有依赖于 所述同步信号的频率和相位的所述经整流的交流电流。
15. 根据权利要求9所述的功率转换器电路，其中，所述至少一个转换器单元还包括： 被配置用于耦合到电源的输入； 耦合在所述至少一个转换器单元的所述输入和所述第一转换器之间的第二转换器。
16. 根据权利要求15所述的功率转换器电路，其中，所述第二转换器被配置为在所述 输入处根据第二参考信号调节输入信号。
17. 根据权利要求16所述的功率转换器电路，其中所述输入信号是输入电压和输入电 流中的一个。
18. 根据权利要求16所述的功率转换器电路，还包括被配置为根据输入电压和所述第 二转换器的输入电流来生成所述第二参考信号的最大功率点跟踪器。
19. 根据权利要求16所述的功率转换器电路，其中，所述第二转换器包括从以下组中 选出的拓扑结构： 降压转换器拓扑结构； 升压转换器拓扑结构； 降压-升压转换器；和 升压-降压转换器。
20. 根据权利要求16所述的功率转换器电路，其中第二转换器包括并联连接的至少两 个转换器级。
21. 根据权利要求1所述的功率转换器电路， 其中，所述至少一个转换器单元包括输出电容器，所述输出电容器耦合在输出端子之 间，并且 其中，所述输出电流是流入所述输出电容器和所述输出端子的其中一个输出端子公共 的电路节点的电流。
22. 根据权利要求1所述的功率转换器电路，其中转换器单元包括被配置成从所述同 步信号生成连续的同步信号并且生成所述输出电流的信号发生器，从而使得所述输出电流 的频率和相位至少其中一个依赖于所述连续的同步信号。
23. 根据权利要求22所述的功率转换器电路， 其中，所述同步信号是交流信号，并且 其中，所述信号发生器被配置为在给定的时间段接收所述同步信号，以检测同步信号 的频率和相位，并根据所检测到的所述频率和相位来生成所述连续的同步信号。
24. 根据权利要求22所述的功率转换器电路， 其中，所述同步信号是包括多个信号脉冲的脉冲信号，并且 其中，所述信号发生器被配置为生成具有依赖于所述脉冲信号的所述频率和所述相位 的频率和相位的所述连续的同步信号。
25. -种方法，包括： 由同步电路生成至少一个同步信号； 由至少一个包括多个转换器单元的转换器串联电路输出串联电路的输出电流；以及 由所述多个转换器单元的至少一个转换器单元输出输出电流，使得所述输出电流的频 率和相位中的至少一个依赖于所述同步信号， 其中所述多个转换器单元中的所述至少一个转换器单元包括具有反相降压升压拓扑 结构的转换器级。
【文档编号】H02M7/42GK104283445SQ201410331307
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年7月11日 优先权日:2013年7月12日
【发明者】G·德伯伊, A·康瑙格顿, K·K·梁 申请人:英飞凌科技奥地利有限公司