專利名稱：電流饋送型變換器的制作方法
技術領域：
本發明涉及變換器，更具體地說，涉及具有準二次特性(semiquadratic properties)的電流饋送型變換器。
背景技術：
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、直流電壓母線或用電負載。根據為了提供電力而連接的PV單元或PV板的數量，來升高或降低電壓，從而給負載提供合適的電壓。在把變換器系統與PV系統連接時，還將PV板的工作點保持在其最大功率點。PV 板有某個工作點，在運行在該點時提取的功率最大。最大功率點跟蹤器(maximum power point tracker, MPPT)根據PV板測量的電流和電壓計算工作點，并且給出用于PV板的輸出電壓或電流的參考值。變換器的控制系統將板的實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不斷計算參考值，并且控制系統借助于此來實現在最大功率點到連續運行而無需考慮運行條件的改變。變換器的拓撲結構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現板的最佳連接。電流饋送型變換器可以在板的從短路狀態到開路狀態的整個UI曲線范圍內運行。 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電壓時才能運行。
發明內容
本發明的一個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構。利用在獨立權力要求中描述了特征的變換器，實現了本發明的目的。在從屬權利要求中公開了本發明的優選實施例。本發明基于利用具有新穎拓撲結構的電流饋送型變換器結構的想法。考慮到變換器的占空比，本發明的變換器具有較寬的變換比，產生準二次電流特性。變換器的拓撲結構可以用于從電源(如光伏板)提取最大功率。該拓撲結構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提供電壓。變換器的拓撲結構的優點之一是，當通過逆變器部分連接到電網時，在變換器的輸入端看不到二倍網頻的功率波動，由此減少了與PV板工作點波動有關的問題。
下面參照附圖，利用優選實施例，對本發明進行更詳細的描述，其中圖1示出了本發明的變換器的主電路；
圖2示出了具有電流和電壓標示的圖1的變換器；圖3示出了變換器在導通時的電路結構；圖4示出了變換器在關斷時的電路結構；圖5示出了電壓和電流的近似波形；圖6示出了變換器在導通一關斷時的電路結構；圖7示出了變換器在關斷一導通時的電路結構；圖8示出了占空比和開關控制信號生成的例子；圖9示出了當dl >d2時的近似波形；圖10示出了當dl<d2時的近似波形；圖11示出了按照一個實施例的變換器的主電路設置；圖12示出了在連網運行時開關頻率被平均的電容器電壓；圖13示出了在連網運行時開關頻率被平均的電感器電流；并且圖14示出了電網變量的波形。
具體實施例方式圖1示出了本發明的電流饋送型準二次降壓-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，連接在第一和第二輸入端1、2之間。另一個電容器(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點3。變換器還包括串聯連接的第一和第三半導體元件SpS3。這個串聯連接被連接在第一輸入端1與正電壓節點3之間。第一半導體元件為受控開關元件如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可以代替開關元件Sp第三半導體元件為受控開關元件。這些半導體元件的極性是這樣的，當導通時，電流可以通過元件， 從正電壓節點流向第一輸入端，由此阻斷來自正電壓節點的電壓。為了簡化描述，將半導體元件S1與&之間的中點表示為第一節點4。串聯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與第一節點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與串聯的第一二極管D1和第二電感器L2相并聯(即，從節點5到節點4)。第二二極管的極性與第一二極管的極性相似，并且，電流可以從第二節點5流向第一節點4。變換器還包括第三電容器C3,它連接在第一輸入端1與第三節點6之間，第三節點 6為第一二極管D1與第二電感器L2之間的連接點。此外，圖1的變換器包括串聯連接的第二和第四半導體元件S2、、。這個串聯連接與第一和第三半導體元件相并聯，并且極性相似。與第一和第三半導體元件一樣，元件&和 、也可以是受控開關。如圖1所示，第四開關可以用二極管D4代替。第三電感器L3的一端連接到第二與第四半導體元件之間的點上，并且這個點也被稱為第四節點7。第三電感器的另一端構成了第一輸出端，并且，第二輸出端具有與第一輸入端1相同的電位。按照本發明，第一和第三半導體元件被設計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，而電壓被這些開關控制為適合于最佳運行的電壓。
圖1中示出的電流饋送型準二次降壓-升壓變換器具有這樣的穩態變換率，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數(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模式下的運行，然后研究在PWM模式下的運行。單PWM模式圖2中示出了本發明的電流饋送型準二次升壓-降壓變換器的功率級，圖中定義了元件以及相關的電流和電壓極性。如上所述，導通時間開關S1和、也可以用二極管D3和
D4代替。在導通期間，開關S2A3以及二極管D2關斷，而開關S1A4以及二極管D1導通，形成圖3中給出的導通時的電路結構。在關斷期間，開關S2、S3以及二極管D2導通，而開關S” S4以及二極管D1關斷，形成圖4中給出的關斷時的電路結構。在導通時間期間，我們可以利用基爾霍夫定律計算uL1 = Uci-Uc3uL2 = -uci-uc2+uc3uL3 = -U0icl = iin"iL1+iL2iC2 = iL2(1)iC3 = iL1-iL2Uim = uci+uc2Uin = ucli0 = iL3在關斷時間期間，我們可以利用基爾霍夫定律計算uL1 = UciuL2 = Uc3uL3 = uci+uc2_u。icl = iin-iL1-iL3iC2 = -iL3(2)iC3 = -iL2Uim = uci+uc2Uin = ucli0 = iL3根據式(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，下標表示等式表示的那個元件的電流或電壓。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。根據這些原理，利用D’ = I-D進行表示，與工作點相關的穩態變量變為
D2Ili = Iin IL2 = DIinZi3 =—
權利要求
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點(3)， 第一和第三半導體元件(S1A3),串聯連接在所述第一輸入端(1)和正電壓節點(3)之間，該串聯連接的中點形成了第一節點G)，第一電感元件(LD、第一二極管(D1)和第二電感元件(L2)的串聯連接，該串聯連接被連接在所述第二輸入端( 和所述第一節點(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)之間的點形成第二節點(5)，并且，所述第一二極管(D1)和所述第二電感元件之間的點形成第三節點 (6)，第二二極管(D2),連接在所述第二節點( 和所述第一節點(4)之間，其接法是允許電流從所述第二節點( 流向所述第一節點G)，第三電容器(C3),連接在所述第一輸入端(1)和所述第三節點(6)之間， 串聯連接的第二和第四半導體元件(S2，S4)與串聯連接的所述第一和第三半導體元件 (S1, S3)并聯，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體元件(S2，S4)之間的第四節點(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) 構成，所述第一和第三半導體元件(S1, S3)被布置為對所述第一和第二輸入端(1, 之間的電壓(Uin)進行控制。
2.如權利要求1所述的變換器，其特征在于，所述第一和第四半導體元件(S1;S4)為二極管或開關元件，所述第二和第三半導體元件(S2，S3)為開關元件。
3.如權利要求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體元件(S1, S2, S3, S4)的裝置。
4.如權利要求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體元件的裝置被布置為根據輸入電流控制所述第一和第二輸入端之間的電壓。
5.如權利要求4所述的變換器，其特征在于，所述變換器包括最大功率點跟蹤裝置，所述最大功率點跟蹤裝置被配置成提供用于輸入電壓的電壓參考。
6.如前述權利要求1到5中任意一項所述的變換器，其特征在于， 所述半導體元件對(S1, &和S2，S4)接受相同的控制。
7.如前述權利要求1到5中任意一項所述的變換器，其特征在于，所述半導體元件對(S1A3和S2A4)接受不同的控制，并且，所述半導體元件&和、被配置成對所述第一和第二電容器(CnC2)的串聯連接的電壓進行控制。
8.如權利要求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提供功率，用于確定網壓極性的裝置(105)，用于產生代表經過整流的網壓的脈沖形狀的信號的裝置(105)，用于確定網壓峰值電壓的裝置(105)，用于控制所述第一和第二電容器電壓之和，使得能夠向電網提供電流的裝置， 用于控制所述半導體元件(S2，S4)，使得來自所述受控逆變器的輸出電流與所述網壓同相的裝置。
9.一種用于控制如前述權利要求1到8中任意一項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)，并且響應于測量的電壓和電壓參考，控制所述半導體元件(S1, S3)。
10.一種用于控制按照權利要求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)，響應于測量的電壓和電壓參考，控制所述半導體元件(S1, S3),測量網壓(ugHd)，對網壓進行整流并改變其大小，測量所述第一和第二電容器的串聯連接的電壓(Uim)，產生用于所述電容器的串聯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|)，根據測量得到的所述電容器的串聯連接的電壓(Uim)，所述用于所述電容器的串聯連接的電壓的參考值(Uiraf)，所述經過整流和改變大小的網壓(k|Ugrid|)以及測量得到的變換器的輸出電流(i|AC|)，來控制所述半導體元件(S2，、)，以便從所述受控逆變器產生相位和波形與網壓相同的輸出電流。
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)，其第二端形成節點(3)；第一和第三半導體元件(S1，S3)，其中點形成第一節點(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)間的點形成第二節點(5)，第一二極管(D1)和第二電感元件間的點形成第三節點(6)；第二二極管(D2)；第三電容器(C3)，連接在第一輸入端(1)與第三節點(6)間；第二和第四半導體元件(S2，S4)與第一和第三半導體元件(S1，S3)并聯；第三電感元件(L3)，其第一端連接到第四節點(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)構成，第一和第三半導體元件(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 優先權日2010年7月12日
發明者圖沃·松蒂奧, 拉里·諾西艾寧 申請人:Abb公司