專利名稱：電流饋送型變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及變換器，更具體地說，涉及具有準(zhǔn)二次特性(semiquadratic properties)的電流饋送型變換器。
背景技術(shù)：
變換器是用于將電能從一種形式變換為另一種形式的常見電氣設(shè)備。變換器通常用于提高或降低電壓或電流，以便使電源電壓適合負(fù)載電壓。變換器還用于連接光伏(photovoltaic，PV)板，從而提供來自光伏板的可用電力。這種電力可以被直接提供給交流電網(wǎng)、直流電壓母線或用電負(fù)載。根據(jù)為了提供電力而連接的PV單元或PV板的數(shù)量，來升高或降低電壓，從而給負(fù)載提供合適的電壓。在把變換器系統(tǒng)與PV系統(tǒng)連接時(shí)，還將PV板的工作點(diǎn)保持在其最大功率點(diǎn)。PV 板有某個(gè)工作點(diǎn)，在運(yùn)行在該點(diǎn)時(shí)提取的功率最大。最大功率點(diǎn)跟蹤器(maximum power point tracker, MPPT)根據(jù)PV板測量的電流和電壓計(jì)算工作點(diǎn)，并且給出用于PV板的輸出電壓或電流的參考值。變換器的控制系統(tǒng)將板的實(shí)際輸出值控制為參考值，并且，由此獲得來自板的最大可用功率。MPPT不斷計(jì)算參考值，并且控制系統(tǒng)借助于此來實(shí)現(xiàn)在最大功率點(diǎn)到連續(xù)運(yùn)行而無需考慮運(yùn)行條件的改變。變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以粗略地劃分為電流饋送型和電壓饋送型變換器。在電壓饋送型變換器中，電源將電壓提供給變換器的輸入端，而在電流饋送型變換器中，電源將電流提供給變換器的輸入端。由于PV板的恒電流特性，利用電流饋送型變換器可以實(shí)現(xiàn)板的最佳連接。電流饋送型變換器可以在板的從短路狀態(tài)到開路狀態(tài)的整個(gè)UI曲線范圍內(nèi)運(yùn)行。 而在電壓饋送型變換器中，只有在電壓等于或高于最大功率點(diǎn)電壓時(shí)才能運(yùn)行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種損耗低、輸入電壓范圍寬的電流饋送型變換器結(jié)構(gòu)。利用在獨(dú)立權(quán)力要求中描述了特征的變換器，實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的目的。在從屬權(quán)利要求中公開了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。本發(fā)明基于利用具有新穎拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電流饋送型變換器結(jié)構(gòu)的想法?？紤]到變換器的占空比，本發(fā)明的變換器具有較寬的變換比，產(chǎn)生準(zhǔn)二次電流特性。變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以用于從電源(如光伏板)提取最大功率。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以用于向直流母線提供電壓， 或者，與后端逆變器一起向交流電網(wǎng)提供電壓。變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)之一是，當(dāng)通過逆變器部分連接到電網(wǎng)時(shí)，在變換器的輸入端看不到二倍網(wǎng)頻的功率波動(dòng)，由此減少了與PV板工作點(diǎn)波動(dòng)有關(guān)的問題。


下面參照附圖，利用優(yōu)選實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述，其中圖1示出了本發(fā)明的變換器的主電路；
圖2示出了具有電流和電壓標(biāo)示的圖1的變換器；圖3示出了變換器在導(dǎo)通時(shí)的電路結(jié)構(gòu)；圖4示出了變換器在關(guān)斷時(shí)的電路結(jié)構(gòu)；圖5示出了電壓和電流的近似波形；圖6示出了變換器在導(dǎo)通一關(guān)斷時(shí)的電路結(jié)構(gòu)；圖7示出了變換器在關(guān)斷一導(dǎo)通時(shí)的電路結(jié)構(gòu)；圖8示出了占空比和開關(guān)控制信號生成的例子；圖9示出了當(dāng)dl >d2時(shí)的近似波形；圖10示出了當(dāng)dl<d2時(shí)的近似波形；圖11示出了按照一個(gè)實(shí)施例的變換器的主電路設(shè)置；圖12示出了在連網(wǎng)運(yùn)行時(shí)開關(guān)頻率被平均的電容器電壓；圖13示出了在連網(wǎng)運(yùn)行時(shí)開關(guān)頻率被平均的電感器電流；并且圖14示出了電網(wǎng)變量的波形。
具體實(shí)施例方式圖1示出了本發(fā)明的電流饋送型準(zhǔn)二次降壓-升壓(buck-boost)變換器的電路圖。在圖1中，電流源與電容器C1并聯(lián)，連接在第一和第二輸入端1、2之間。另一個(gè)電容器(2的一端連接到第二輸入端，而電容器C2的另一端形成了正電壓節(jié)點(diǎn)3。變換器還包括串聯(lián)連接的第一和第三半導(dǎo)體元件SpS3。這個(gè)串聯(lián)連接被連接在第一輸入端1與正電壓節(jié)點(diǎn)3之間。第一半導(dǎo)體元件為受控開關(guān)元件如FET元件或二極管。 圖1中用虛線示出了二極管D3，并且，如上所述，二極管D3可以代替開關(guān)元件Sp第三半導(dǎo)體元件為受控開關(guān)元件。這些半導(dǎo)體元件的極性是這樣的，當(dāng)導(dǎo)通時(shí)，電流可以通過元件， 從正電壓節(jié)點(diǎn)流向第一輸入端，由此阻斷來自正電壓節(jié)點(diǎn)的電壓。為了簡化描述，將半導(dǎo)體元件S1與&之間的中點(diǎn)表示為第一節(jié)點(diǎn)4。串聯(lián)連接的第一電感元件L1、第一二極管D1和第二電感元件L2連接在第二輸入端 2與第一節(jié)點(diǎn)4之間。該二極管允許來自第二輸入端2方向的電流通過。第二二極管D2與串聯(lián)的第一二極管D1和第二電感器L2相并聯(lián)(即，從節(jié)點(diǎn)5到節(jié)點(diǎn)4)。第二二極管的極性與第一二極管的極性相似，并且，電流可以從第二節(jié)點(diǎn)5流向第一節(jié)點(diǎn)4。變換器還包括第三電容器C3,它連接在第一輸入端1與第三節(jié)點(diǎn)6之間，第三節(jié)點(diǎn) 6為第一二極管D1與第二電感器L2之間的連接點(diǎn)。此外，圖1的變換器包括串聯(lián)連接的第二和第四半導(dǎo)體元件S2、、。這個(gè)串聯(lián)連接與第一和第三半導(dǎo)體元件相并聯(lián)，并且極性相似。與第一和第三半導(dǎo)體元件一樣，元件&和 、也可以是受控開關(guān)。如圖1所示，第四開關(guān)可以用二極管D4代替。第三電感器L3的一端連接到第二與第四半導(dǎo)體元件之間的點(diǎn)上，并且這個(gè)點(diǎn)也被稱為第四節(jié)點(diǎn)7。第三電感器的另一端構(gòu)成了第一輸出端，并且，第二輸出端具有與第一輸入端1相同的電位。按照本發(fā)明，第一和第三半導(dǎo)體元件被設(shè)計(jì)為對第一與第二輸入端1和2之間的電壓Uin即輸入電壓進(jìn)行控制。由于變換器為電流饋送型變換器，因此變換器的輸入電流取決于電源，而電壓被這些開關(guān)控制為適合于最佳運(yùn)行的電壓。
圖1中示出的電流饋送型準(zhǔn)二次降壓-升壓變換器具有這樣的穩(wěn)態(tài)變換率，即通過把輸入電流(Iin)乘以占空比的平方并除以占空比的補(bǔ)數(shù)(即，M(D) =D2/D’)來反映輸出電流(I。)，并且，輸出電壓(U。)以相同的變換率反映到輸入電壓(Uin)。該變換器為降壓型變換器(SnS3)與升壓型變換器( , )的組合，它們可以被分開控制(雙PWM模式)，也可以被同時(shí)控制(單PWM模式)。在下文中，首先研究變換器在單PWM模式下的運(yùn)行，然后研究在PWM模式下的運(yùn)行。單PWM模式圖2中示出了本發(fā)明的電流饋送型準(zhǔn)二次升壓-降壓變換器的功率級，圖中定義了元件以及相關(guān)的電流和電壓極性。如上所述，導(dǎo)通時(shí)間開關(guān)S1和、也可以用二極管D3和
D4代替。在導(dǎo)通期間，開關(guān)S2A3以及二極管D2關(guān)斷，而開關(guān)S1A4以及二極管D1導(dǎo)通，形成圖3中給出的導(dǎo)通時(shí)的電路結(jié)構(gòu)。在關(guān)斷期間，開關(guān)S2、S3以及二極管D2導(dǎo)通，而開關(guān)S” S4以及二極管D1關(guān)斷，形成圖4中給出的關(guān)斷時(shí)的電路結(jié)構(gòu)。在導(dǎo)通時(shí)間期間，我們可以利用基爾霍夫定律計(jì)算uL1 = Uci-Uc3uL2 = -uci-uc2+uc3uL3 = -U0icl = iin"iL1+iL2iC2 = iL2(1)iC3 = iL1-iL2Uim = uci+uc2Uin = ucli0 = iL3在關(guān)斷時(shí)間期間，我們可以利用基爾霍夫定律計(jì)算uL1 = UciuL2 = Uc3uL3 = uci+uc2_u。icl = iin-iL1-iL3iC2 = -iL3(2)iC3 = -iL2Uim = uci+uc2Uin = ucli0 = iL3根據(jù)式(1)和0)，電感器兩邊的平均電壓、流過電容器的平均電流、平均輸入電壓、中間電壓UiJ S卩，電容器C1和C2的串聯(lián)連接上的電壓)以及輸出電流成為<uL1> = <uci>-d<uc3><uL2> = <uc3>-d<uci>-d<uc2><uL3> = (1-d) <ucl>+(l-d) <uC2>-<u。><icl> = <iin>-<iL1>+d<iL2>+ (d-1) <iL3>
<iC2> = d<iL2>+(d-l)<iL3>(3)〈i。3〉^ = d<iL1>-<iL2
<uim> = <UC1>+<UC2>
<uin>^ = <UC1>
<i0>=<iL3>在以上各等式組中，下標(biāo)表示等式表示的那個(gè)元件的電流或電壓。為了保持磁鏈以及電荷平衡，電感器兩邊的平均電壓以及流過電容器的平均電流必須為零。根據(jù)這些原理，利用D’ = I-D進(jìn)行表示，與工作點(diǎn)相關(guān)的穩(wěn)態(tài)變量變?yōu)?br> D2Ili = Iin IL2 = DIinZi3 =—權(quán)利要求
1.一種變換器電路，包括第一和第二輸入端(1，幻，用于接收來自電流源的輸入電流； 第一電容器(C1),連接在所述第一和第二輸入端之間，其特征在于所述變換器還包括 第二電容器(C2)，其第一端連接到所述第二輸入端O)，其第二端形成正電壓節(jié)點(diǎn)(3)， 第一和第三半導(dǎo)體元件(S1A3),串聯(lián)連接在所述第一輸入端(1)和正電壓節(jié)點(diǎn)(3)之間，該串聯(lián)連接的中點(diǎn)形成了第一節(jié)點(diǎn)G)，第一電感元件(LD、第一二極管(D1)和第二電感元件(L2)的串聯(lián)連接，該串聯(lián)連接被連接在所述第二輸入端( 和所述第一節(jié)點(diǎn)(4)之間，所述第一二極管的極性是允許來自所述第二輸入端方向的電流通過；所述第一電感元件(L1)和所述第一二極管(D1)之間的點(diǎn)形成第二節(jié)點(diǎn)(5)，并且，所述第一二極管(D1)和所述第二電感元件之間的點(diǎn)形成第三節(jié)點(diǎn) (6)，第二二極管(D2),連接在所述第二節(jié)點(diǎn)( 和所述第一節(jié)點(diǎn)(4)之間，其接法是允許電流從所述第二節(jié)點(diǎn)( 流向所述第一節(jié)點(diǎn)G)，第三電容器(C3),連接在所述第一輸入端(1)和所述第三節(jié)點(diǎn)(6)之間， 串聯(lián)連接的第二和第四半導(dǎo)體元件(S2，S4)與串聯(lián)連接的所述第一和第三半導(dǎo)體元件 (S1, S3)并聯(lián)，第三電感元件(L3),其第一端連接至形成在所述第二和第四半導(dǎo)體元件(S2，S4)之間的第四節(jié)點(diǎn)(7)，其第二端形成第一輸出端(8)，而第二輸出端(9)由所述第一輸入端(1) 構(gòu)成，所述第一和第三半導(dǎo)體元件(S1, S3)被布置為對所述第一和第二輸入端(1, 之間的電壓(Uin)進(jìn)行控制。
2.如權(quán)利要求1所述的變換器，其特征在于，所述第一和第四半導(dǎo)體元件(S1;S4)為二極管或開關(guān)元件，所述第二和第三半導(dǎo)體元件(S2，S3)為開關(guān)元件。
3.如權(quán)利要求1或2所述的變換器，其特征在于，所述變換器還包括用于控制所述半導(dǎo)體元件(S1, S2, S3, S4)的裝置。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的變換器，其特征在于，所述用于控制所述第一和第三半導(dǎo)體元件的裝置被布置為根據(jù)輸入電流控制所述第一和第二輸入端之間的電壓。
5.如權(quán)利要求4所述的變換器，其特征在于，所述變換器包括最大功率點(diǎn)跟蹤裝置，所述最大功率點(diǎn)跟蹤裝置被配置成提供用于輸入電壓的電壓參考。
6.如前述權(quán)利要求1到5中任意一項(xiàng)所述的變換器，其特征在于， 所述半導(dǎo)體元件對(S1, &和S2，S4)接受相同的控制。
7.如前述權(quán)利要求1到5中任意一項(xiàng)所述的變換器，其特征在于，所述半導(dǎo)體元件對(S1A3和S2A4)接受不同的控制，并且，所述半導(dǎo)體元件&和、被配置成對所述第一和第二電容器(CnC2)的串聯(lián)連接的電壓進(jìn)行控制。
8.如權(quán)利要求7所述的變換器，其特征在于，所述變換器還包括受控逆變器(S5，S6, S7, &)，該受控逆變器連接在所述變換器的輸出端，用于向單相交流電網(wǎng)提供功率，用于確定網(wǎng)壓極性的裝置(105)，用于產(chǎn)生代表經(jīng)過整流的網(wǎng)壓的脈沖形狀的信號的裝置(105)，用于確定網(wǎng)壓峰值電壓的裝置(105)，用于控制所述第一和第二電容器電壓之和，使得能夠向電網(wǎng)提供電流的裝置， 用于控制所述半導(dǎo)體元件(S2，S4)，使得來自所述受控逆變器的輸出電流與所述網(wǎng)壓同相的裝置。
9.一種用于控制如前述權(quán)利要求1到8中任意一項(xiàng)所述的變換器的方法，其特征在于， 所述方法包括測量輸入電流(iin)和輸入電壓(Uin)，生成用于輸入電壓的電壓參考(Uiiraf)，并且響應(yīng)于測量的電壓和電壓參考，控制所述半導(dǎo)體元件(S1, S3)。
10.一種用于控制按照權(quán)利要求8的變換器的方法，其特征在于，所述方法包括 測量輸入電流(iin)和輸入電壓(Uin)，生成用于輸入電壓的電壓參考(uin_ref)，響應(yīng)于測量的電壓和電壓參考，控制所述半導(dǎo)體元件(S1, S3),測量網(wǎng)壓(ugHd)，對網(wǎng)壓進(jìn)行整流并改變其大小，測量所述第一和第二電容器的串聯(lián)連接的電壓(Uim)，產(chǎn)生用于所述電容器的串聯(lián)連接的電壓的參考值(Uinrtrf)，測量所述變換器的輸出端的電流(i|AC|)，根據(jù)測量得到的所述電容器的串聯(lián)連接的電壓(Uim)，所述用于所述電容器的串聯(lián)連接的電壓的參考值(Uiraf)，所述經(jīng)過整流和改變大小的網(wǎng)壓(k|Ugrid|)以及測量得到的變換器的輸出電流(i|AC|)，來控制所述半導(dǎo)體元件(S2，、)，以便從所述受控逆變器產(chǎn)生相位和波形與網(wǎng)壓相同的輸出電流。
全文摘要
公開了一種電流饋送型變換器。包括第一和第二輸入端(1，2)；第一電容器(C1)，連接在第一和第二輸入端間；第二電容器(C2)，其第一端連接到第二輸入端(2)，其第二端形成節(jié)點(diǎn)(3)；第一和第三半導(dǎo)體元件(S1，S3)，其中點(diǎn)形成第一節(jié)點(diǎn)(4)；第一電感元件(L1)、第一二極管(D1)和第二電感元件(L2)；第一電感元件(L1)與第一二極管(D1)間的點(diǎn)形成第二節(jié)點(diǎn)(5)，第一二極管(D1)和第二電感元件間的點(diǎn)形成第三節(jié)點(diǎn)(6)；第二二極管(D2)；第三電容器(C3)，連接在第一輸入端(1)與第三節(jié)點(diǎn)(6)間；第二和第四半導(dǎo)體元件(S2，S4)與第一和第三半導(dǎo)體元件(S1，S3)并聯(lián)；第三電感元件(L3)，其第一端連接到第四節(jié)點(diǎn)(7)，其第二端形成第一輸出端(8)，第二輸出端(9)由第一輸入端(1)構(gòu)成，第一和第三半導(dǎo)體元件(S1，S3)控制電壓(uin)。
文檔編號H02M3/155GK102332821SQ20111019968
公開日2012年1月25日 申請日期2011年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月12日
發(fā)明者圖沃·松蒂奧, 拉里·諾西艾寧 申請人:Abb公司