電容器裝置以及電壓變換器裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種用于電壓變換器的輸入電路或中間電路的電容器裝置(arrangement)，以及涉及一種電壓變換器和一種用于電壓變換器的操作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電壓變換器用于將一個(gè)輸入電壓轉(zhuǎn)換為一個(gè)輸出電壓。在這種情況下，輸入和輸出電壓在其幅值和在其電壓類型(也就是說(shuō)，DC電壓(DC-直流)或AC電壓(AC-交流))方面都可以不同。因此，在本申請(qǐng)的上下文中的電壓變換器應(yīng)該被理解為具體地是指DC電壓變換器，在下文中也被指定為DC/DC變換器，以及逆變橋，在下文中也被指定為DC/AC變換器。例如在光伏設(shè)施、燃料電池系統(tǒng)中使用的或在本地供電系統(tǒng)中用于電池饋電備用電力設(shè)施的逆變器具有作為輸出級(jí)的至少一個(gè)DC/AC變換器，在該DC/AC變換器的上游，可以將一個(gè)DC/DC變換器作為輸入級(jí)進(jìn)行連接。在逆變器中，連接到上游的這種DC/DC變換器通常用來(lái)在該逆變器的輸入端增加電壓變化范圍。通過(guò)舉例，當(dāng)在光伏設(shè)施中使用逆變器時(shí)，如果該光伏設(shè)施的光伏模塊的操作點(diǎn)以一種依賴于日照和負(fù)載的方式變化，則存在于該逆變器的輸入電壓改變。
[0003]在許多使用情況中，為電壓變換器饋電的電源的電壓不是恒定的。通過(guò)舉例，如果該光伏設(shè)施的光伏模塊的操作點(diǎn)以一種依賴于日照和負(fù)載的方式變化，該電壓在光伏設(shè)施中改變。在電池饋電備用電力設(shè)施中，電池電壓作為電壓變換器的輸入電壓依賴于所傳輸?shù)呢?fù)載和電池的荷電狀態(tài)。燃料電池的電池電壓作為電壓變換器的輸入電壓同樣精確地在低負(fù)載范圍內(nèi)以一種特殊的程度變化。一個(gè)附加的因素是在許多情況下人們希望能夠?qū)⒉煌愋偷腜V模塊、燃料電池或電池連接到電壓變換器上，這樣使得該變換器的最大可能的輸入電壓范圍使得最大可能的靈活性成為可能。
[0004]電壓變換器通常不連續(xù)地加載連接到其輸入端的電源。例如，這是由一個(gè)非連續(xù)的功率流在所輸出的AC電流的情況下引起的，或者是由在該電壓變換器中的功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的脈沖式切換引起的。為了將在該電源處發(fā)生的電壓降(由于電流以一種非連續(xù)方式被牽引)最小化，并且因此使得從該電源牽引的一個(gè)高平均功率成為可能，通常在電壓變換器的輸入端提供一個(gè)電容器裝置。在最簡(jiǎn)單的情況下，所述電容器裝置由一個(gè)與該電壓變換器的輸入端并聯(lián)連接的電容器組成。在一種裝置包括多個(gè)電壓變換器的情況下，如果這種電容器裝置被定位在兩個(gè)電壓變換器之間，其通常被指定為一個(gè)中間電路電容器裝置。在本申請(qǐng)的上下文中，獨(dú)立于該電容器裝置的位置，以一種概括的方式，在下文中，該電容器裝置被設(shè)置在其中的電路被指定為中間電路(按常規(guī)術(shù)語(yǔ))。該電容器裝置的電容是基于在非連續(xù)電流牽引(電壓紋波)期間能夠提供容差的最大電壓降的幅值、操作參數(shù)、電壓變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及具體地用于最大能量轉(zhuǎn)換的最小電壓而選擇的。在光伏領(lǐng)域中的逆變器的情況下，具有一個(gè)幾毫法拉電容的輸入或中間電路電容器對(duì)于電壓變換器而言不是不尋常的。同時(shí)，應(yīng)用到電容器裝置上的電壓在1000伏特或者更大的范圍內(nèi)。具有這種電容和介電強(qiáng)度的電容器大且重。此外，電容器是昂貴的并且在某種情況下只可供用于一個(gè)不充分的程度。對(duì)于一個(gè)期望的電容，如果具有所需的介電強(qiáng)度的電容器是不能得到的，將具有更低介電強(qiáng)度的兩個(gè)電容器串聯(lián)連接是已知的。理想地，存在于由這兩個(gè)電容器形成的該串聯(lián)電路中的電壓的一半然后在各種情況下存在于這兩個(gè)電容器處。然而，由于部件公差，不同的電容器在其特性(例如，就其內(nèi)電阻和其泄漏電流而言)方面不同。其結(jié)果是，在操作期間，在這兩個(gè)串聯(lián)連接的電容器處可以建立不同的電壓，該操作減少了可以被整體使用的電壓范圍。為了匹配電壓，將在這兩個(gè)電容器之間的中心抽頭經(jīng)由一個(gè)電阻電橋或經(jīng)由一個(gè)具有有源切換元件的電橋引入到準(zhǔn)確地位于在該電容器裝置的連接處的電勢(shì)之間的一個(gè)電勢(shì)上是已知的。然而，在由電容器形成的該串聯(lián)電路的情況下，該電容器裝置的總電容減少到僅僅是電容器之一的電容的一半的一個(gè)值。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]因此，本實(shí)用新型的一個(gè)目的是限定一種用于可以在寬電壓范圍內(nèi)操作并且可以提供具有小電壓波動(dòng)的非連續(xù)功率流(即使流入到該輸入側(cè)上的功率是基本上恒定的)的電壓變換器的輸入電路、輸出電路或中間電路的電容器裝置。一個(gè)進(jìn)一步的目的是限定一種包括這種電容器裝置的電壓變換器裝置以及一種用于這種電壓變換器的操作方法。
[0006]根據(jù)本實(shí)用新型，可以通過(guò)一種用于電壓變換器的輸入電路或中間電路的電容器裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目的，該電容器裝置包括至少兩個(gè)電容器，其中設(shè)置了切換構(gòu)件，借助于切換構(gòu)件，該至少兩個(gè)電容器以一種在一個(gè)第一操作狀態(tài)中并聯(lián)連接而在第二操作狀態(tài)中串聯(lián)連接的方式連接到連接節(jié)點(diǎn)。在電容器的情況下，能含量作為電壓的平方增加。因此，當(dāng)從一個(gè)具有一個(gè)給定電容的電容器牽引功率時(shí)，電壓降的幅值在更高電壓處比在更低電壓處小。相反地，為了防止電壓下降超出一個(gè)特定量，這意味著在中間電路中在更高電壓處僅僅需要比在更低電壓處更小的電容。本實(shí)用新型利用這種洞察力借助于提供的切換構(gòu)件憑借電容器裝置是由兩個(gè)電容器并聯(lián)連接地或可替代地串聯(lián)連接地連接形成的這一事實(shí)。當(dāng)這兩個(gè)電容器是并聯(lián)連接的時(shí)(具有相應(yīng)地更低最大輸入電壓)，可以在該第一操作狀態(tài)中提供這兩個(gè)電容器的電容的和。在第二操作狀態(tài)中，該電容是更低的，但是實(shí)現(xiàn)了例如在光伏模塊的空載操作期間所需的高介電強(qiáng)度。因此本實(shí)用新型采用介電強(qiáng)度和高電容不是同時(shí)所需的這一事實(shí)。
[0007]半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)IGBT或MOSFET可以被作為切換構(gòu)件使用。優(yōu)選地，可以基于存在于連接節(jié)點(diǎn)處的電壓來(lái)通過(guò)控制單元切換切換構(gòu)件。
[0008]在該電容器裝置的一個(gè)進(jìn)一步的有利配置中，通過(guò)在一個(gè)第三操作狀態(tài)中電荷被阻止流入該至少兩個(gè)電容器這樣一種方式來(lái)設(shè)置和體現(xiàn)該切換構(gòu)件。在這個(gè)第三操作狀態(tài)中，在這兩個(gè)電容器串聯(lián)連接的情況下，該電容器裝置因此可以被暴露于仍然超過(guò)該最大電壓的電壓。如果電容器不再進(jìn)行充電，所述電容器也不再有效地為輸入電路或中間電路提供一個(gè)電容。然而，盡管在該輸入電路或中間電路中存在一個(gè)高電壓，如果沒(méi)有或僅有小電流流動(dòng)，第三操作狀態(tài)可以被有利地使用。憑借在該電壓范圍中從輸入電路或中間電路將電容有效地去耦這一事實(shí)，電容可以被設(shè)計(jì)用于一個(gè)比該最大電壓更小的電壓，而不會(huì)損害電壓變換器的功能性或包括電源和電壓變換器的系統(tǒng)的功能性。
[0009]根據(jù)本實(shí)用新型的一種包括用于光伏設(shè)施的DC/DC變換器和/或DC/AC變換器的電壓變換器裝置的特征在于在輸入電路、輸出電路或中間電路中的一個(gè)這種類型的電容器裝置。該電壓變換器裝置所產(chǎn)生的優(yōu)勢(shì)對(duì)應(yīng)于結(jié)合該電容器裝置所提到的優(yōu)勢(shì)。
[0010]在該電壓變換器裝置的一個(gè)有利配置中，一個(gè)DC/DC變換器被分配給該電容器裝置的電容器中的一個(gè)對(duì)應(yīng)的電容器。特別優(yōu)選地，在這種情況下，被分配給電容器的DC/DC變換器中的每一個(gè)在各種情況下具有兩個(gè)串聯(lián)連接的半導(dǎo)體切換元件，其中這兩個(gè)串聯(lián)連接的半導(dǎo)體切換元件中的至少一個(gè)是有源可切換的。以此方式，可以在該電壓變換器裝置中使用具有一個(gè)更低介電強(qiáng)度的半導(dǎo)體切換元件。在該電容器裝置的情況下，關(guān)于電容器的所需介電強(qiáng)度，根據(jù)本實(shí)用新型提供的優(yōu)勢(shì)因此也被應(yīng)用于在電壓變換器裝置中的半導(dǎo)體切換元件。
[0011]一種用于操作這種類型的電壓變換器裝置的方法通過(guò)基于一個(gè)存在于該電容器裝置的連接節(jié)點(diǎn)處的電壓這個(gè)事實(shí)進(jìn)行區(qū)分，該至少兩個(gè)電容器或者在一個(gè)第一操作狀態(tài)中并聯(lián)互連或者在一個(gè)第二操作狀態(tài)中串聯(lián)互連。該操作方法所產(chǎn)生的優(yōu)勢(shì)對(duì)應(yīng)于所提到的與該電容器裝置有關(guān)的優(yōu)勢(shì)。
[0012]根據(jù)該操作方法的一個(gè)有利配置，如果存在于連接節(jié)點(diǎn)處的電壓小于一個(gè)預(yù)定義的第一閾值電壓，則采用該第一操作狀態(tài)。如果所述電壓大于該第一閾值電壓，則采用該第二操作狀態(tài)。根據(jù)一個(gè)進(jìn)一步的有利配置，可以用一個(gè)切換滯后來(lái)提供操作狀態(tài)的改變，在該滯后中該操作狀態(tài)被維持在一個(gè)在該第一閾值電壓附近的滯后帶中并且僅當(dāng)該帶在左邊時(shí)操作狀態(tài)的改變被初始化(如果適當(dāng))。這使得可以避免由于該第一閾值電壓僅被輕微地或瞬時(shí)地超過(guò)或未達(dá)到而產(chǎn)生的不必要改變。
[0013]在該操作方法的一個(gè)進(jìn)一步的有利配置中，提供了一個(gè)第三操作狀態(tài)，在該操作狀態(tài)中通過(guò)沒(méi)有發(fā)生電荷流入電容器這樣一種方式將該至少兩個(gè)電容器從該輸入電路或中間電路上去耦。優(yōu)選地，在這種情況下，如果存在于連接節(jié)點(diǎn)處的電壓小于一個(gè)預(yù)定義的第一閾值電壓，則米用該第一操作狀態(tài)，如果所述電壓大于該第一閾值電壓并且小于一個(gè)第二閾值電壓，則采用該第二操作狀態(tài)，以及如果所述電壓大于該第二閾值電壓，則采用該第三操作狀態(tài)，其中該第二閾值電壓大于該第一閾值電壓。
[0014]本實(shí)用新型提供了一種電容器裝置，其用于電壓變換器的輸入電路或中間電路，所述電容器裝置包括至少兩個(gè)電容器和兩個(gè)連接節(jié)點(diǎn)，設(shè)置了切換構(gòu)件，借助于該切換構(gòu)件，該至少兩個(gè)電容器在第一操作狀態(tài)中并聯(lián)連接到該連接節(jié)點(diǎn)，而在第二操作狀態(tài)中串聯(lián)連接到該連接節(jié)點(diǎn)，其中，設(shè)置了控制單元，該控制單元被設(shè)計(jì)成用于基于存在于該連接節(jié)點(diǎn)處的電壓來(lái)切換該切換構(gòu)