用于功率轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于功率轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)和方法。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，逆變器電路包括直流（DC）到DC功率轉(zhuǎn)換器，其被配置為經(jīng)由第一輸入端子和第二輸入端子從裝置接收輸入能量，其中所述DC到DC功率轉(zhuǎn)換器被配置為將所述輸入能量的第一部分轉(zhuǎn)換為DC能量。所述逆變器電路還包括逆變器級，其被耦合到所述DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的輸出，并且被連接到所述DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第一輸入端子和所述DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第二輸入端子，其中所述逆變器級被配置為將所述輸入能量的第二部分轉(zhuǎn)換為第一輸出能量。
【專利說明】用于功率轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一般涉及電路，并且尤其涉及用于功率轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)和方法。

【背景技術(shù)】
[0002]光伏系統(tǒng)使用光伏面板將太陽光轉(zhuǎn)換成電力。光伏系統(tǒng)可以包含一個(gè)或多個(gè)逆變器，也被稱為直流(DC)到交流(AC)功率轉(zhuǎn)換器。由光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的電力可以被存儲、直接使用、饋送到電網(wǎng)中或與其他發(fā)電機(jī)結(jié)合。
[0003]光伏系統(tǒng)中所使用的逆變器可以包括獨(dú)立逆變器、并網(wǎng)逆變器和電池備用逆變器。獨(dú)立逆變器被用于隔離系統(tǒng)中，其中逆變器從由光伏系統(tǒng)充電的電池汲取DC能量。電池備用逆變器被設(shè)計(jì)為從電池汲取能量、管理電池充電以及將過量的能量輸出到電網(wǎng)。一些逆變器使用最大功率點(diǎn)追蹤(MPPT)來將最大功率從DC輸入轉(zhuǎn)換成AC輸出。
[0004]電網(wǎng)連接逆變器以在電網(wǎng)頻率下同步到電網(wǎng)的正弦形式供應(yīng)AC功率，其中電壓以電網(wǎng)電壓為上限。如果電網(wǎng)電壓被關(guān)斷，則將AC輸出從電網(wǎng)斷開連接以提供孤島效應(yīng)(ant1-1slanding)保護(hù)。因此，電網(wǎng)連接逆變器并不在設(shè)施停電期間提供備用電源。孤島(island)在功率被饋送到電網(wǎng)的小區(qū)段時(shí)存在，并且可能對認(rèn)為這些區(qū)域未被供電的工人來說呈現(xiàn)危險(xiǎn)。而且，在沒有電網(wǎng)信號對其同步的情況下，逆變器的功率輸出可能從由連接到孤島的客戶設(shè)備所需的容限漂移。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，逆變器電路包括直流(DC)到DC功率轉(zhuǎn)換器，其被配置為經(jīng)由第一輸入端子和第二輸入端子從裝置接收輸入能量，并且被配置為將輸入能量的第一部分轉(zhuǎn)換為DC能量。逆變器電路進(jìn)一步包括逆變器級，其被耦合到DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的輸出，并且被連接到DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第一輸入端子和DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第二輸入端子。逆變器級被配置為將輸入能量的第二部分轉(zhuǎn)換為第一輸出能量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]為了更完整地理解本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在對結(jié)合附圖進(jìn)行的以下描述做出參考，其中:
圖1圖示了功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的實(shí)施例；
圖2圖示了母線電壓的電壓對比時(shí)間的曲線圖；
圖3圖示了實(shí)施例功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的框圖；
圖4圖示了母線電壓的電壓對比時(shí)間的曲線圖；
圖5圖示了實(shí)施例功率轉(zhuǎn)換器電路的示意圖；
圖6圖不了另一實(shí)施例功率轉(zhuǎn)換器電路的不意圖；
圖7圖示了附加實(shí)施例功率轉(zhuǎn)換器電路的示意圖；
圖8圖不了另一實(shí)施例功率轉(zhuǎn)換器電路的不意圖； 圖9圖示了對于實(shí)施例功率轉(zhuǎn)換器電路的電壓和電流對比時(shí)間的曲線圖；
圖10圖示了實(shí)施例方法的框圖；
圖11圖示了對于實(shí)施例功率轉(zhuǎn)換器電路的仿真示意圖；以及圖12圖示了對于仿真的功率轉(zhuǎn)換器電路的電壓和電流對比時(shí)間的曲線圖。
[0007]除非另有指示，否則不同附圖中對應(yīng)的數(shù)字和符號通常指代對應(yīng)的部分。附圖被繪制為清楚地圖示優(yōu)選實(shí)施例的相關(guān)方面，并且不一定是按比例繪制的。為了更清楚地圖示某些實(shí)施例中，指示相同結(jié)構(gòu)、材料或過程步驟的變化的字母可以在圖號之后。

【具體實(shí)施方式】
[0008]下面詳細(xì)討論當(dāng)前優(yōu)選實(shí)施例的制造和使用。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明提供了可以被體現(xiàn)在各種各樣的具體情境中的很多可適用的發(fā)明性概念。所討論的具體實(shí)施例僅僅說明了制造和使用本發(fā)明的說具體方式，并且不限制本發(fā)明的范圍。
[0009]將相對于特定情境中的優(yōu)選實(shí)施例，即用于功率轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)和方法，來描述本發(fā)明。然而，本發(fā)明也可以適用于其他類型的電路、系統(tǒng)和方法，例如其他電源電路、系統(tǒng)和方法。
[0010]實(shí)施例功率轉(zhuǎn)換器將DC輸入電壓轉(zhuǎn)換成AC輸出電壓。功率轉(zhuǎn)換器包括DC到DC功率轉(zhuǎn)換器和將DC電壓轉(zhuǎn)換為AC電壓的兩個(gè)逆變器。一個(gè)逆變器將DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的輸出電壓轉(zhuǎn)換為AC輸出電壓,而另一個(gè)逆變器將輸入DC電壓的一部分轉(zhuǎn)換為AC輸出電壓。在一些實(shí)施例中，其他逆變器也將DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的輸出電壓的一部分轉(zhuǎn)換為AC輸出電壓。
[0011]圖1示出了功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)100，其可以被用來將功率從光伏面板101傳輸?shù)诫娋W(wǎng)106。光伏面板(PV) 101通過將太陽能轉(zhuǎn)換為電能來產(chǎn)生直流(DC)輸出，包括正輸出電壓(Vpv_pos)和負(fù)輸出電壓(Vpv_neg)。漏電容108將正電壓耦合到接地112，而漏電容110將負(fù)輸出電壓耦合到接地112。正輸出電壓和負(fù)輸出電壓被耦合到逆變器104，其將DC輸出電壓轉(zhuǎn)換成被耦合到電網(wǎng)106的交流(AC)電壓。
[0012]漏電容108和漏電容110表示從光伏電池的端子到接地的寄生電容。該漏電容可以存在于例如，從光伏電池的端子到光伏電池的接地框架或底座。在另一示例中，在其中逆變器104為單相逆變器并且光伏面板101的負(fù)相輸出被接地的情況下，漏電容可能存在。將光伏電池的底座接地保證了系統(tǒng)的安全性、降低了電磁干擾(EMI)，并且減輕了共模電流。然而，對接地的高開關(guān)頻率可能引起高的漏電流，這可能引起用于薄膜光伏面板的透明導(dǎo)電氧化物(TCO)層的劣化，從而降低了面板的壽命。此外，由用于背接觸晶體光伏面板的正母線電壓所引起的表面極化效應(yīng)可能進(jìn)一步使光伏面板劣化。
[0013]圖2圖示了對于電壓轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)100的電壓對比時(shí)間的曲線圖。曲線122表示光伏面板101的正輸出電壓的電壓對比時(shí)間，而曲線124表不光伏面板101的負(fù)輸出電壓的電壓對比時(shí)間。接地電壓隨開關(guān)頻率具有顯著變化。
[0014]圖3圖示了實(shí)施例功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)140。光伏面板102通過經(jīng)由光電效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)換為電能來產(chǎn)生正輸出電壓和負(fù)輸出電壓，該光伏面板102可以是光伏電池的組件。在一些示例中，光伏電池包含基于晶片的晶體硅電池或薄填充碲化鎘電池或硅電池。陽光引起了置于光伏電池內(nèi)的pn結(jié)內(nèi)的電子-空穴對的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致了產(chǎn)生DC電壓的電流積累。
[0015]正輸出電壓和負(fù)輸出電壓被耦合到DC到DC功率轉(zhuǎn)換器142?？梢允褂瞄_關(guān)模式電源(諸如升壓轉(zhuǎn)換器、降壓轉(zhuǎn)換器、或其他DC至DC轉(zhuǎn)換器類型，諸如LLC轉(zhuǎn)換器或相移全橋轉(zhuǎn)換器)來實(shí)現(xiàn)DC到DC功率轉(zhuǎn)換器142。DC到DC功率轉(zhuǎn)換器142具有比其輸入電壓更大的輸出電壓。
[0016]DC到DC功率轉(zhuǎn)換器142的輸出被耦合到逆變器級144和逆變器級148。逆變器級144將DC電壓的一部分轉(zhuǎn)換為AC電壓，其被饋送到電網(wǎng)模塊146。類似地，逆變器級148將DC電壓的一部分轉(zhuǎn)換為AC電壓，其被饋送到電網(wǎng)模塊146。另外，逆變器級148將來自光伏面板102的輸出電壓的一部分轉(zhuǎn)換為被饋送到電網(wǎng)模塊146的AC電壓。因而，由光伏面板102輸出的能量被傳輸?shù)诫娋W(wǎng)模塊146。
[0017]另一方面，圖4圖示了對于圖3中所圖示的功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)140的電壓對比功率接地(power earth)的曲線圖。曲線122示出了光伏面板102的正輸出電壓的電壓對比功率接地，而曲線134示出了光伏面板102的負(fù)輸出電壓對比功率接地。在功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)140中，漏電流是較低的，因?yàn)樘峁┙o輸出的大部分電流在低頻率下被切換。圖4中的曲線圖描繪了其中電路未要求無功功率的示例。當(dāng)需要無功功率時(shí)，開關(guān)損耗可能稍微增加。
[0018]圖5圖示了功率轉(zhuǎn)換器電路150，其可以例如被用來實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)140。光伏面板102被耦合到DC到DC功率轉(zhuǎn)換器143。高頻噪聲的濾波是由電容器152 (Cpv)所提供的，該電容器152被f禹合在光伏面板102的正輸出和負(fù)輸出之間。光伏面板102的正輸出被耦合到電感器154 (Lbst)，其抵抗電流中的瞬時(shí)變化。晶體管158 (Qbstl)被耦合在光伏面板102的電感器154和負(fù)輸出之間。并且，晶體管156 (Qbst2)被稱合在晶體管158和DC到DC功率轉(zhuǎn)換器143的正DC輸出之間。晶體管156被操作為實(shí)現(xiàn)同步整流，以增加DC到DC功率轉(zhuǎn)換器143的效率。在一個(gè)示例中，晶體管156和晶體管158是η溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(M0SFET)。替代地，晶體管156和158可以是ρ溝道M0SFET，或者可以使用其他類型的晶體管。電容器160 (Cdc)被耦合在DC到DC功率轉(zhuǎn)換器143的DC輸出和光伏面板102的負(fù)輸出電壓之間。DC到DC功率轉(zhuǎn)換器143由晶體管158的占空比所控制，該晶體管158相對于晶體管156以互補(bǔ)方式被切換。當(dāng)晶體管158被關(guān)閉時(shí)，電流流過電感器154，且能量被存儲在電感器154中。當(dāng)晶體管158被開通時(shí)，流過電感器154的電流被降低，并且電流流過晶體管156來對電容器160充電。來自光伏面板102的輸出功率的僅一部分被DC到DC功率轉(zhuǎn)換器143所傳輸。
[0019]DC到DC功率轉(zhuǎn)換器143的輸出被耦合到將DC輸入轉(zhuǎn)換為AC輸出的逆變器級145。逆變器級145為二級電橋。晶體管162 (Q5)和晶體管164 (Q6)被串聯(lián)配置在DC到DC功率轉(zhuǎn)換器143的正DC輸出和負(fù)輸出電壓之間。在一個(gè)示例中，晶體管162和晶體管164被實(shí)現(xiàn)為M0SFET。晶體管162和晶體管164利用相反的占空比進(jìn)行操作，因此一個(gè)晶體管始終是開通的，而另一個(gè)晶體管是關(guān)閉的。
[0020]逆變器級145的AC輸出被耦合到電網(wǎng)模塊147。電網(wǎng)模塊147包含電網(wǎng)106(Ug)和電感器178 (Lf)0因此，由逆變器級145輸出的AC功率被輸出到電網(wǎng)106。
[0021]逆變器級149直接轉(zhuǎn)換由光伏面板102所輸出的能量的一部分而繞過DC到DC功率轉(zhuǎn)換器143。在一個(gè)實(shí)施例中，使用中性點(diǎn)鉗位式三級電橋來實(shí)現(xiàn)逆變器級149，并且將逆變器級149耦合到DC到DC功率轉(zhuǎn)換器143的DC輸出并耦合到電網(wǎng)模塊147。另外，逆變器級149被耦合到光伏面板102的輸出。晶體管166 (Q1)、晶體管170 (Q2)、晶體管172(Q3)、晶體管176 (Q4)被串聯(lián)配置在DC到DC功率轉(zhuǎn)換器143的輸出之間。在一個(gè)實(shí)施例中，晶體管166、170、172和176為MOSFET。晶體管170和晶體管172之間的中點(diǎn)被耦合到電網(wǎng)模塊147。并且，將二極管174 (D2)從晶體管172和晶體管176之間的中點(diǎn)耦合到光伏面板102的正輸出。類似地，二極管168被耦合在光伏面板102的正輸出和晶體管166與晶體管170之間的中點(diǎn)之間。鉗位二極管(二極管168和二極管174)的中點(diǎn)被連接到光伏面板102的正輸出電壓。
[0022]逆變器級149將光伏面板102的輸出電壓和/或DC到DC功率轉(zhuǎn)換器143的輸出電壓轉(zhuǎn)換為輸出到電網(wǎng)106的AC輸出。當(dāng)電網(wǎng)106的電壓為正且小于光伏面板102的輸出時(shí)，逆變器級149直接轉(zhuǎn)換由光伏面板102所輸出的功率而繞過DC到DC功率轉(zhuǎn)換器143。晶體管166關(guān)斷,而晶體管170為主開關(guān)晶體管。當(dāng)晶體管170關(guān)斷時(shí)，晶體管172和晶體管176的體二極管形成續(xù)流(freewheeling)路徑。
[0023]圖6圖示了功率轉(zhuǎn)換器電路180，其包括光伏面板102、逆變器級145、逆變器級149以及電網(wǎng)模塊147，其類似于功率轉(zhuǎn)換器電路150中的那些部分，除了已經(jīng)用DC到DC功率轉(zhuǎn)換器141中的二極管182替換了 DC到DC功率轉(zhuǎn)換器143中的晶體管156。光伏面板102的正輸出被耦合到電感器154 (Lbst)，并且晶體管158 (Qbstl)被耦合在電感器154和光伏面板102的負(fù)輸出之間。并且，二極管182被耦合在晶體管158和DC到DC功率轉(zhuǎn)換器143的正DC輸出之間。DC到DC功率轉(zhuǎn)換器143由晶體管158的占空比所控制。當(dāng)晶體管158被關(guān)閉時(shí)，電流流過電感器154，并且能量被存儲在電感器154中。當(dāng)晶體管158被開通時(shí)，流過電感器154的電流被降低，并且電流流過二極管182來對電容器160充電。
[0024]圖7圖示了功率轉(zhuǎn)換器電路190，其包括光伏面板102、逆變器級145以及電網(wǎng)模塊147，其類似于功率轉(zhuǎn)換器電路150中的那些部分。在一個(gè)示例中，DC到DC功率轉(zhuǎn)換器197類似于功率轉(zhuǎn)換器電路150中的DC到DC功率轉(zhuǎn)換器143。在另一個(gè)示例中，DC到DC功率轉(zhuǎn)換器197類似于功率轉(zhuǎn)換器電路180中的DC到DC功率轉(zhuǎn)換器141。DC到DC功率轉(zhuǎn)換器197將由光伏面板102所輸出的功率的一部分轉(zhuǎn)換為DC輸出功率。并且，逆變器級145將由DC到DC功率轉(zhuǎn)換器197所輸出的功率的一部分轉(zhuǎn)換為輸出到電網(wǎng)模塊147的AC輸出。
[0025]逆變器級199被耦合到DC到DC功率轉(zhuǎn)換器197的DC輸出。晶體管192和晶體管194被串聯(lián)耦合在DC到DC功率轉(zhuǎn)換器197的輸出之間。在一個(gè)示例中，晶體管192和晶體管194為M0SFET。晶體管192和晶體管194、AC輸出之間的中點(diǎn)被耦合到電網(wǎng)模塊147。晶體管198 (Q8)和晶體管196 (Q7)被串聯(lián)耦合在逆變器級199的AC輸出和光伏面板102的正輸出之間。因而，逆變器級199將光伏面板102的輸出的一部分的直接轉(zhuǎn)換為AC輸出。逆變器級199包含比逆變器級149少兩個(gè)的二極管。
[0026]當(dāng)電網(wǎng)106的電壓為正且小于光伏面板102的電壓時(shí)，晶體管164接通并被箝位到DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的負(fù)DC輸出電壓，并且晶體管192起到主開關(guān)晶體管的作用，而晶體管162和198關(guān)斷。當(dāng)晶體管196關(guān)斷時(shí)，晶體管194的體二極管充當(dāng)續(xù)流路徑。繞過DC到DC功率轉(zhuǎn)換器197，直接從光伏面板102汲取功率。
[0027]當(dāng)電網(wǎng)106的電壓為正且大于光伏面板102的電壓時(shí)，晶體管164保持接通，并且晶體管196為主開關(guān)晶體管。晶體管196從DC輸出電壓和光伏面板輸出電壓產(chǎn)生兩個(gè)電壓電平。從光伏面板102直接汲取部分功率，以及從光伏面板102通過DC到DC功率轉(zhuǎn)換器143汲取部分功率。
[0028]當(dāng)電網(wǎng)電壓為負(fù)且大于光伏面板輸出電壓減去DC輸出電壓時(shí)，晶體管162保持接通，且晶體管198為主開關(guān)晶體管。當(dāng)電網(wǎng)電壓為負(fù)且小于光伏面板輸出電壓減去DC輸出電壓時(shí)，晶體管162保持接通，且晶體管194為主開關(guān)晶體管。
[0029]圖8圖示了功率轉(zhuǎn)換器電路210。光伏面板102、逆變器級145以及電網(wǎng)模塊147類似于功率轉(zhuǎn)換器電路150中的那些部分。在一個(gè)示例中，DC到DC功率轉(zhuǎn)換器213類似于功率轉(zhuǎn)換器電路150中的DC到DC功率轉(zhuǎn)換器143。在另一個(gè)示例中，DC到DC功率轉(zhuǎn)換器213類似于功率轉(zhuǎn)換器電路180中的DC到DC功率轉(zhuǎn)換器141。DC到DC功率轉(zhuǎn)換器142將由光伏面板102輸出的功率的一部分轉(zhuǎn)換為DC輸出。然后，逆變器級145將DC輸出功率的一部分轉(zhuǎn)換為AC功率，其被饋送到電網(wǎng)模塊147。
[0030]類似于逆變器級199，逆變器級211包含串聯(lián)耦合到DC輸出的晶體管192和晶體管194。晶體管192、晶體管194以及逆變器級211的AC輸出經(jīng)由節(jié)點(diǎn)a被耦合到電網(wǎng)模塊147。雙向開關(guān)215被耦合在逆變器級211的AC輸出和光伏面板102的輸出之間，并包含晶體管212和二極管214、216、218和220。在某些情況下，逆變器級211的轉(zhuǎn)換效率低于逆變器級199或逆變器級149的轉(zhuǎn)換效率，因?yàn)榇嬖诟郊拥亩O管，其導(dǎo)致了更高的導(dǎo)通損耗。然而，逆變器級211包含比逆變器級199和逆變器級149更少的晶體管。使用控制信號激活晶體管212，該控制信號是用于激活圖5中所示實(shí)施例中晶體管Q2和Q3的控制信號的邏輯和(AND)。
[0031]圖9圖示了對于電壓轉(zhuǎn)換器電路150的電壓和電流對比時(shí)間的曲線圖。曲線242表示電網(wǎng)106的正弦電壓(Ug)，曲線241表示光伏面板102的DC輸出電壓(Vpv)，曲線240表示DC到DC功率轉(zhuǎn)換器143的DC輸出電壓(Vdc)，曲線245表示跨越DC到DC功率轉(zhuǎn)換器143的負(fù)DC電壓(-Vdc)，以及曲線243表示DC輸出電壓和從光伏面板102輸出的電壓之間的差的負(fù)值-(Vdc-Vpv)。此外，曲線244表示跨越晶體管166的電壓，曲線246示出了跨越晶體管170的電壓，曲線248表示跨越晶體管172的電壓，曲線250示出了跨越晶體管176的電壓，曲線252表示跨越晶體管162的電壓，以及曲線254表示跨越晶體管164的電壓，以及曲線256表示通過電網(wǎng)模塊147的電流(If)，而曲線258示出了跨越整個(gè)電網(wǎng)模塊147的電壓。
[0032]相對于光伏面板輸出電壓和DC輸出電壓基于電網(wǎng)電壓來將電路操作劃分成多個(gè)區(qū)域。在區(qū)域247中，由曲線242表示的電網(wǎng)電壓為正且小于由曲線241表示的來自光伏面板的電壓。由曲線244表示的晶體管166以及由曲線252表示的晶體管162是關(guān)斷的，而由曲線254表示的晶體管164是接通的并被鉗位到DC到DC功率轉(zhuǎn)換器142的負(fù)DC輸出電壓。主開關(guān)晶體管170和晶體管176在區(qū)域247中進(jìn)行切換。當(dāng)晶體管170關(guān)斷時(shí)，由曲線248表示的晶體管172的體二極管形成續(xù)流路徑。該區(qū)域中，直接從光伏面板102汲取功率，且DC到DC功率轉(zhuǎn)換器143消耗非常少的有功功率。
[0033]然后，在區(qū)域249中，電網(wǎng)的電壓為正且大于光伏面板的輸出電壓，并且一直增力口。在區(qū)域251中，電網(wǎng)106的電壓為正且大于光伏面板102的輸出電壓,但一直減少。在區(qū)域249和251中，由曲線246表示的晶體管170的控制電壓保持接通，且由曲線244表示的晶體管166是主開關(guān)晶體管。由曲線248表示的晶體管172也在區(qū)域249中進(jìn)行切換。晶體管166從DC輸出電壓和光伏面板輸出電壓產(chǎn)生兩個(gè)電壓電平。從光伏面板102直接汲取部分功率，以及從光伏面板102通過DC到DC功率轉(zhuǎn)換器143汲取部分功率。
[0034]在區(qū)域253中，電網(wǎng)電壓為正且小于光伏面板輸出電壓。如區(qū)域247中的那樣，由曲線246表示的晶體管170的控制電壓是主開關(guān)晶體管，而由曲線244表示的晶體管166是關(guān)斷的，并且由曲線250表示的晶體管176在區(qū)域253中進(jìn)行切換。當(dāng)晶體管170關(guān)斷時(shí)，由曲線248表示的晶體管172的體二極管形成續(xù)流路徑，DC到DC功率轉(zhuǎn)換器143在區(qū)域253中消耗非常少的有功功率，因?yàn)楣β适侵苯訌墓夥姘?02汲取的。
[0035]在區(qū)域255中，電網(wǎng)電壓為負(fù)且大于光伏面板輸出電壓減去DC輸出電壓。由曲線252表示的晶體管162的控制電壓保持接通，而由曲線248表示的晶體管172的控制電壓是主開關(guān)晶體管，并且由曲線244表示的晶體管166在區(qū)域255中進(jìn)行切換。當(dāng)晶體管172關(guān)斷時(shí)，由曲線246表示的晶體管170的體二極管形成續(xù)流路徑，并提供了零電壓矢量。由曲線254表示的晶體管164保持關(guān)斷。而且，在區(qū)域257中，電網(wǎng)電壓為負(fù)且小于光伏面板輸出電壓減去DC輸出電壓。由曲線250表示的晶體管176是主開關(guān)晶體管，且由曲線248表示的晶體管172保持接通，而由曲線246表示的晶體管170在區(qū)域257中進(jìn)行切換。
[0036]如區(qū)域255中的那樣,在區(qū)域259中，電網(wǎng)電壓為負(fù)且大于光伏面板輸出電壓減去DC輸出電壓。由曲線248表示的晶體管172的控制電壓是主開關(guān)晶體管，而由曲線250表示的晶體管176保持接通，且由曲線244表示的晶體管166在區(qū)域259中進(jìn)行切換。
[0037]當(dāng)需要無功功率時(shí)，晶體管166和170與晶體管172和176互補(bǔ)地進(jìn)行切換。在該情況下，開關(guān)損耗稍微高于不需要無功功率時(shí)的情況。
[0038]圖10圖示了功率轉(zhuǎn)換方法的流程圖390。最初，在步驟392中，接收能量。在一個(gè)示例中，從以DC輸出電壓形式將太陽能轉(zhuǎn)化成電能的光伏面板接收能量。然后，在步驟394中，將所接收的能量由DC到DC功率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為更高的DC電壓，可以使用升壓轉(zhuǎn)換器、降壓轉(zhuǎn)換器或另一種轉(zhuǎn)換器類型來實(shí)現(xiàn)該DC到DC功率轉(zhuǎn)換器。接下來，在步驟396中，將由DC到DC功率轉(zhuǎn)換器輸出的DC由第一逆變器轉(zhuǎn)換為AC電壓。在一個(gè)示例中，第一逆變器為二級電橋。由第一逆變器產(chǎn)生的AC電壓被輸出到電網(wǎng)。
[0039]在步驟398中，第二逆變器將DC電壓能量轉(zhuǎn)換為AC電壓。在一個(gè)示例中，在一個(gè)區(qū)域的操作期間，僅將所接收的能量直接轉(zhuǎn)換為AC電壓，而沒有使用DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的輸出。在另一區(qū)域的操作期間，所接收能量的部分以及由DC到DC功率轉(zhuǎn)換器所轉(zhuǎn)換的能量的部分均被轉(zhuǎn)換為AC輸出電壓。在一個(gè)示例中，第二逆變器為中性點(diǎn)鉗位式三級電橋。由第二逆變器輸出的AC電壓被耦合到電網(wǎng)。
[0040]圖11圖示了功率轉(zhuǎn)換器電路150的仿真示意圖260。圖12圖示了對于仿真示意圖260的結(jié)果的電壓和電流對比時(shí)間的曲線圖。曲線374示出了由DC到DC功率轉(zhuǎn)換器142產(chǎn)生的DC輸出電壓，以及曲線372示出了光伏面板102的輸出電壓。曲線376示出了電網(wǎng)106的電壓，以及曲線378示出了電網(wǎng)模塊147的電流。并且，曲線380示出了電網(wǎng)模塊146的電壓。
[0041]實(shí)施例逆變器電路包括DC到DC功率轉(zhuǎn)換器，其被配置為經(jīng)由第一輸入端子和第二輸入端子從裝置接收輸入能量，其中DC到DC功率轉(zhuǎn)換器被配置為將輸入能量的第一部分轉(zhuǎn)換為DC能量。逆變器電路還包括逆變器級，其被耦合到DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的輸出，并被連接到DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第一輸入端子和DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第二輸入端子，其中該逆變器級被配置為將輸入能量的第二部分轉(zhuǎn)換為第一輸出能量。在一個(gè)示例中，該逆變器級進(jìn)一步被配置為將DC能量的第三部分轉(zhuǎn)換為第二輸出能量。
[0042]在另一示例中，DC到DC功率轉(zhuǎn)換器包括第一電感，其被耦合到DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第一輸入端子，以及第一電容器，其被稱合在DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第一輸入端子和DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第二輸入端子之間。DC到DC功率轉(zhuǎn)換器還包括第一晶體管，其被耦合在DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第二輸入端子和第一電感器之間，以及第二晶體管，其被耦合到第一電感器和第一晶體管。
[0043]在附加示例中，DC到DC功率轉(zhuǎn)換器包括第一電感器，其被耦合到DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第一輸入端子，以及第一電容器，其被稱合在DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第一輸入端子和DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第二輸入端子之間。DC到DC功率轉(zhuǎn)換器還包括第一晶體管，其被耦合在DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第二輸入端子和第一電感器之間，以及第一二極管，其被耦合到第一電感器和第一晶體管。在另一實(shí)施例中，逆變器級被直接連接到DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第一輸入端子和DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第二輸入端子，且逆變器級被配置為將輸入能量的第二部分直接轉(zhuǎn)換為第一輸出能量。在一個(gè)實(shí)施例中，逆變器級為中性點(diǎn)鉗位式三級電橋。該逆變器級可以被進(jìn)一步配置為耦合到AC功率源。在另一示例中，該裝置包括光伏面板。
[0044]在一個(gè)示例中，逆變器電路包括DC到DC功率轉(zhuǎn)換器，其被配置為經(jīng)由第一輸入端子和第二輸入端子從裝置接收輸入能量，以及將輸入能量的第一部分轉(zhuǎn)換為DC能量。此夕卜，該逆變器電路包括第一逆變器級，其被耦合到DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第一輸出和DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第二輸入端子，以及第一電網(wǎng)端子。逆變器電路還包括第二逆變器級，其被耦合到DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第一輸出、DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第二輸入端子、和DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第二電網(wǎng)端子，其中第二逆變器級被連接到DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第一輸入端子和DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第二輸入端子。
[0045]在另一示例中，DC到DC功率轉(zhuǎn)換器為升壓轉(zhuǎn)換器和/或第一逆變器為二級電橋。第一逆變器級可以包括第一晶體管，其被耦合在DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第一輸出和第一電網(wǎng)端子之間，以及第二晶體管，其被耦合在第一電網(wǎng)端子和DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第二輸入端子之間。在附加示例中，第一逆變器被配置為在工頻(line-frequency)切換下進(jìn)行操作。
[0046]在另一示例中，第二逆變器級包括第一晶體管，其被耦合在DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第一輸出和第二節(jié)點(diǎn)之間，以及第二晶體管，其被耦合到第二節(jié)點(diǎn)和第二電網(wǎng)端子之間。第二逆變器級還包括第三晶體管，其被耦合在第二電網(wǎng)端子和第三節(jié)點(diǎn)之間，以及第四晶體管，其被耦合在第三節(jié)點(diǎn)和DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第二輸入端子之間。另外，第二逆變器級包括第一二極管，其被耦合在第二節(jié)點(diǎn)和DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第一輸入端子之間，以及第二二極管，其被耦合在第三節(jié)點(diǎn)和DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第一輸入端子之間。
[0047]在附加示例中，第二逆變器級包括第一晶體管，其被耦合在DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第一輸出和第二電網(wǎng)端子之間，以及第二晶體管，其被耦合在第二電網(wǎng)端子和DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第二輸入端子之間。而且，第二逆變器級包括第三晶體管，其被耦合在第二電網(wǎng)端子和第二節(jié)點(diǎn)之間，以及第四晶體管，其被耦合在第二節(jié)點(diǎn)和DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第一輸入端子之間。
[0048]在另一示例中，第二逆變器級包括第一晶體管，其被耦合在DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第一輸出和第二電網(wǎng)端子之間，以及第二晶體管，其被耦合在第二電網(wǎng)端子和DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第二輸入端子之間。第二逆變器級還包括第一二極管，其被耦合在第二電網(wǎng)端子和第二節(jié)點(diǎn)之間，以及第二二極管管，其被耦合在第二節(jié)點(diǎn)和DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第一輸入端子之間。另外，第二逆變器級包括第三二極管，其被耦合在第二電網(wǎng)端子和第三節(jié)點(diǎn)之間，以及第三晶體管，其被耦合在第二節(jié)點(diǎn)和第三節(jié)點(diǎn)之間。而且，第二逆變器級包括第四二極管，其被耦合在DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第一輸入端子和第三節(jié)點(diǎn)之間。在附加的示例中，第一電網(wǎng)端子和第二電網(wǎng)端子被配置為耦合到AC功率源。在另一示例中，裝置是光伏面板。
[0049]在一個(gè)示例中，轉(zhuǎn)換光伏能量的方法包括:從光伏面板接收輸入能量，并由DC到DC功率轉(zhuǎn)換器將輸入能量的第一部分轉(zhuǎn)換為第一轉(zhuǎn)換能量，其中第一轉(zhuǎn)換能量包括比輸入能量更少的能量。另外，該方法包括:由第一逆變器級將輸入能量的第二部分轉(zhuǎn)換為第二轉(zhuǎn)換能量。該方法還可以包括由第一逆變器級將第一轉(zhuǎn)換能量的第三部分轉(zhuǎn)換為第三轉(zhuǎn)換能量。此外，該方法可以包括由第二逆變器級將第二轉(zhuǎn)換能量的第四部分轉(zhuǎn)換為第四轉(zhuǎn)換的倉tfi。
[0050]在一個(gè)實(shí)施例中，由DC到DC功率轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換所接收的能量的僅一部分，使得DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的功率損耗少于轉(zhuǎn)換全部輸入功率的功率損耗。在一個(gè)示例中，第一逆變器的開關(guān)損耗相比于導(dǎo)通損耗是可忽略。第二逆變器的效率非常高，因?yàn)樵谀承?shí)施例中一次僅有一個(gè)有效開關(guān)進(jìn)行操作。實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)包括處理降壓和/或升壓模式中輸入電壓上的廣泛變化的能力。而且，實(shí)施例在處理輸入電壓的廣泛變化的同時(shí)具有良好的效率。實(shí)施例的附加優(yōu)點(diǎn)包括在低頻率下操作實(shí)施例的逆變器的DC側(cè)，這降低了漏電流。在一個(gè)示例中，因?yàn)槭褂昧穗妷恒Q位類型的調(diào)制，所以開關(guān)電壓應(yīng)力是較低的。在另一示例中，升壓轉(zhuǎn)換器僅將光伏功率的一部分傳輸?shù)紻C鏈路。在附加實(shí)施例中，第二逆變器級被直接連接到DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第一輸入端子和DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第二輸入端子。
[0051]雖然已經(jīng)參照說明性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但該描述并不旨在以限制意義被解釋。說明性實(shí)施例以及本發(fā)明的其他實(shí)施例的各種修改和組合，在參考該描述時(shí)將對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的。因此，所旨在的是，所附權(quán)利要求涵蓋了任何這樣的修改或?qū)嵤├?br> 【權(quán)利要求】
1.一種逆變器電路，包括: 直流(DC)到DC功率轉(zhuǎn)換器，其被配置為經(jīng)由第一輸入端子和第二輸入端子從裝置接收輸入能量，其中所述DC到DC功率轉(zhuǎn)換器被配置為將所述輸入能量的第一部分轉(zhuǎn)換為DC能量；以及 逆變器級，其被耦合到所述DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的輸出，并且被連接到所述DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第一輸入端子和所述DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第二輸入端子，其中所述逆變器級被配置為將所述輸入能量的第二部分轉(zhuǎn)換為第一輸出能量。
2.如權(quán)利要求1所述的逆變器電路，其中所述逆變器級進(jìn)一步被配置為將DC能量的第三部分轉(zhuǎn)換為第二輸出能量。
3.如權(quán)利要求1所述的逆變器電路，其中所述DC到DC功率轉(zhuǎn)換器包括: 第一電感器，其被耦合到所述DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第一輸入端子； 第一電容器，其被耦合在所述DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第一輸入端子和所述DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第二輸入端子之間； 第一晶體管，其被耦合在所述DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第二輸入端子和所述第一電感器之間，以及 第二晶體管，其被耦合到所述第一電感器和所述第一晶體管。
4.如權(quán)利要求1所述的逆變器電路，其中所述DC到DC功率轉(zhuǎn)換器包括: 第一電感器，其被耦合到所述DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第一輸入端子； 第一電容器，其被耦合在所述DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第一輸入端子和所述DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第二輸入端子之間； 第一晶體管，其被耦合在所述DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第二輸入端子和所述第一電感器之間，以及 第一二極管，其被耦合到所述第一電感器和所述第一晶體管。
5.如權(quán)利要求1所述的逆變器電路，其中所述逆變器級被直接連接到所述DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第一輸入端子和所述DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第二輸入端子，并且所述逆變器級被配置為將所述輸入能量的第二部分直接轉(zhuǎn)換為所述第一輸出能量。
6.如權(quán)利要求1所述的逆變器電路，其中所述逆變器級被配置為耦合到交流(AC)功率源。
7.如權(quán)利要求1所述的逆變器電路，其中所述裝置包括光伏面板。
8.一種逆變器電路，包括: 直流(DC)到DC功率轉(zhuǎn)換器，其被配置為經(jīng)由第一輸入端子和第二輸入端子從裝置接收輸入能量，以及將所述輸入能量的第一部分轉(zhuǎn)換為DC能量； 第一逆變器級，其被耦合到所述DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第一輸出、所述DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第二輸入端子、和第一電網(wǎng)端子；以及 第二逆變器級，其被耦合到所述DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第一輸出、所述DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第二輸入端子、和所述DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第二電網(wǎng)端子，其中所述第二逆變器級被連接到所述DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第一輸入端子和所述DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第二輸入端子。
9.如權(quán)利要求8所述的逆變器電路，其中所述第二逆變器級被直接連接到所述DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第一輸入端子和所述DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第二輸入端子。
10.如權(quán)利要求8所述的逆變器電路，其中所述第一逆變器是二級電橋。
11.如權(quán)利要求10所述的逆變器電路，其中所述第一逆變器級包括: 第一晶體管，其被耦合在所述DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第一輸出和所述第一電網(wǎng)端子之間；以及 第二晶體管，其被耦合在所述第一電網(wǎng)端子和所述DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第二輸入端子之間。
12.如權(quán)利要求8所述的逆變器電路，其中所述第一逆變器被配置為在工頻切換下進(jìn)行操作。
13.如權(quán)利要求8所述的逆變器電路，其中所述第二逆變器級包括: 第一晶體管，其被耦合在所述DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第一輸出和第二節(jié)點(diǎn)之間； 第二晶體管，其被耦合在所述第二節(jié)點(diǎn)和所述第二電網(wǎng)端子之間； 第三晶體管，其被耦合在所述第二電網(wǎng)端子和第三節(jié)點(diǎn)之間； 第四晶體管，其被耦合在所述第三節(jié)點(diǎn)和所述DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第二輸入端子之間； 第一二極管，其被耦合在所述第二節(jié)點(diǎn)和所述DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第一輸入端子之間；以及 第二二極管，其被耦合在所述第三節(jié)點(diǎn)和所述DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第一輸入端子之間。
14.如權(quán)利要求8所述的逆變器電路，其中所述第二逆變器級包括: 第一晶體管，其被耦合在所述DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第一輸出和所述第二電網(wǎng)端子之間； 第二晶體管，其被耦合在所述第二電網(wǎng)端子和所述DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第二輸入端子之間； 第三晶體管，其被耦合在所述第二電網(wǎng)端子和第二節(jié)點(diǎn)之間；以及 第四晶體管，其被耦合在所述第二節(jié)點(diǎn)和所述DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第一輸入端子之間。
15.如權(quán)利要求8所述的逆變器電路，其中所述第二逆變器級包括: 第一晶體管，其被耦合在所述DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第一輸出和所述第二電網(wǎng)端子之間； 第二晶體管，其被耦合在所述第二電網(wǎng)端子和所述DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第二輸入端子之間； 第一二極管，其被耦合在所述第二電網(wǎng)端子和第二節(jié)點(diǎn)之間； 第二二極管，其被耦合在所述第二節(jié)點(diǎn)和所述DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第一輸入端子之間； 第三二極管，其被耦合在所述第二電網(wǎng)端子和第三節(jié)點(diǎn)之間； 第三晶體管，其被耦合在所述第二節(jié)點(diǎn)和所述第三節(jié)點(diǎn)之間；以及 第四二極管，其被耦合在所述DC到DC功率轉(zhuǎn)換器的第一輸入端子和所述第三節(jié)點(diǎn)之間。
16.如權(quán)利要求8所述的逆變器電路，其中所述第一電網(wǎng)端子和所述第二電網(wǎng)端子被配置為耦合到交流(AC)功率源。
17.如權(quán)利要求8所述的逆變器電路，其中所述裝置是光伏面板。
18.一種轉(zhuǎn)換光伏能量的方法，所述方法包括: 從光伏面板接收輸入能量； 由DC到DC功率轉(zhuǎn)換器將所述輸入能量的第一部分轉(zhuǎn)換為第一轉(zhuǎn)換能量，其中所述第一轉(zhuǎn)換能量包括比所述輸入能量更少的能量；以及 由第一逆變器級將所述輸入能量的第二部分轉(zhuǎn)換為第二轉(zhuǎn)換能量。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，進(jìn)一步包括由所述第一逆變器級將所述第一轉(zhuǎn)換能量的第三部分轉(zhuǎn)換為第三轉(zhuǎn)換能量。
20.如權(quán)利要求18所述的方法，進(jìn)一步包括由第二逆變器級將所述第二轉(zhuǎn)換能量的第四部分轉(zhuǎn)換為第四轉(zhuǎn)換能量。
【文檔編號】H02M7/487GK104348377SQ201410375510
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年8月1日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月2日
【發(fā)明者】唐燚, 余偉福 申請人:英飛凌科技奧地利有限公司