多相功率转换器电路和方法
【专利摘要】提供一种多相功率转换器电路和方法。一种多相功率转换器电路包括至少两个单相功率转转器电路。每个单相功率转换器电路包括具有多个转换器单元的至少一个转换器串联电路。转换器串联电路被配置成输出串联电路输出电流。同步电路被配置成生成至少一个同步信号。转换器单元中的至少一个转换器单元被配置成生成输出电流，使得输出电流的频率和相位中的至少一个取决于同步信号。
【专利说明】多相功率转换器电路和方法
【技术领域】
[0001] 本发明的实施例涉及功率转换器电路、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] 随着对可持续能量产生的逐渐增加的兴趣，集中在用于产生电能的光伏模块。光 伏（PV)模块包括还称为太阳能电池的多个光伏（PV)电池。因为一个电池的输出电压相对 低，所以PV模块通常包括具有多个串联连接的太阳能电池的串，串联连接的太阳能电池诸 如串联连接的在50至100之间个电池、或者甚至并联连接的若干这样的串。
[0003] PV模块提供DC电源电压，而诸如国家电网的电网具有AC供应电压。为了将由PV 模块提供的能量按原样供应到电网，因此有必要将PV模块的DC电压转换成与电网的AC供 应电压一致的AC电压。已知将由DC电源提供的DC电压分别转换成AC电压和AC电流的 若干原理。
[0004] 用于将PV模块DC电压转换成电网AC电压的第一方法包括：串联连接的若干PV 模块，以获得高于电网AC电压的峰值电压的DC电压；以及使用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和1000V之间。然而，高DC电压在电弧的出现方 面是决定性的。
[0005] 根据第二方法，提供了多个DC/AC转换器，其中，这些转换器中的每一个连接到PV 模块。各个转换器使其AC电压输出并联连接，并且这些转换器中的每一个从通过太阳能电 池串所提供的DC电压生成与电网AC供应电压一致的AC电压。一个PV模块所提供的DC电 压通常根据在一个模块内串联连接的电池的数目并且根据用于实现太阳能电池的技术而 具有在20V和100V之间的范围中的幅度，同时电网AC电压的峰值电压根据国家是约155V 或325V。然而，由于在输入电压和输出电压之间的大的差异而导致这些转换器在效率方面 存在缺点。
[0006] 因此，需要一种能够有效地将相对低的DC供应电压转换成与电网电压一致的AC 输出信号的功率转换器电路。
【发明内容】
[0007] 第一方面涉及具有至少两个单相功率转换器电路的多相功率转换器电路。每个单 相功率转换器电路包括至少一个转换器串以及同步电路。至少一个转换器串联电路包括多 个转换器单元，并且被配置成输出串联电路输出电流。同步电路被配置成生成至少一个同 步信号。多个转换器单元中的至少一个被配置成生成输出电流，使得输出电流的频率和相 位中的至少一个取决于同步信号。
[0008] 第二方面涉及一种方法。该方法包括：由同步电路生成至少一个同步信号；通过 多相转换器中的至少两个单相转换器中的每一个的至少一个转换器串联电路输出串联电 路输出电流，其中，至少一个转换器串联电路包括多个转换器单元；以及通过多个转换器单 元中的至少一个对输出电流进行输出，使得输出电流的频率和相位中的至少一个取决于同 步信号。
【专利附图】
【附图说明】
[0009] 现在将参考附图来解释示例。附图用于图示基本原理，使得图示仅用于理解基本 原理所需要的各方面。附图没有按比例。在附图中，相同的附图标记表示相同的信号和电 路组件：
[0010] 图1示意性地图示了包括串联连接的多个DC/AC转换器单元和电压测量电路的功 率转换器电路；
[0011] 图2包括图2A-2C，图示了每一个都包括至少一个太阳能电池的光伏阵列的不同 实施例；
[0012] 图3示意性地图示了包括串联连接的多个DC/AC转换器单元的功率转换器电路和 包括串联连接的多个测量单元的电压测量电路；
[0013] 图4包括图4A-4D，图示了测量单元的不同实施例；
[0014] 图5示出了图示包括DC/AC转换器和控制电路的一个DC/AC转换器单元的第一实 施例的框图；
[0015] 图6具体详细图示图5的DC/AC转换器的实施例；
[0016] 图7包括图7A至图7C，图示了可以在图6的DC/AC转换器中使用的开关的不同实 施例；
[0017] 图8图示了一个DC/AC转换器单元的控制电路的第一实施例；
[0018] 图9具体详细图示了图8的控制电路的第一分支；
[0019] 图10图示了一个DC/AC转换器单元的控制电路的第二实施例；
[0020] 图11示出了包括DC/DC转换器、最大功率点跟踪器、DC/AC转换器和控制电路的 一个转换器单元的第二实施例的框图；
[0021] 图12图示了实现为升压转换器的DC/DC转换器的实施例；
[0022] 图13示意性地图示了图12的DC/DC转换器的控制电路；
[0023] 图14图示了实现为降压转换器的DC/DC转换器的实施例；
[0024] 图15图示了一个DC/AC转换器的控制电路的另一实施例；
[0025] 图16图示了实现有两个交错的升压转换器级的DC/DC转换器的实施例；
[0026] 图17图示了用于图16的DC/DC转换器的控制电路的第一实施例；
[0027] 图18图示了用于图16的DC/DC转换器的控制电路的第二实施例；
[0028] 图19图示了包括降压转换器和展开桥（unfolding bridge)的一个DC/AC转换器 单元的另一实施例的框图；
[0029] 图20示出了图示图19的DC/AC转换器单元的操作原理的时序图；
[0030] 图21图示了图19的DC/AC转换器单元中实现的控制器的第一实施例；
[0031] 图22图示了图19的DC/AC转换器单元中实现的控制器的第二实施例；
[0032] 图23图示了具有以并联连接的两个串联电路组织的多个转换器单元的功率转换 器电路的实施例；
[0033] 图24图示了同步电路的另一实施例；
[0034] 图25图示了图24的同步电路中的传输电路的实施例；
[0035] 图26图示了一个转换器单元的另一实施例；
[0036] 图27图示了图26的转换器单元中的信号生成器的第一实施例；
[0037] 图28图示了图27的信号生成器中发生的信号的时序图；
[0038] 图29图示了图26的转换器单元中的信号生成器的第一实施例；
[0039] 图30示意性地图示了功率转换器电路的两个可能的操作模式；
[0040] 图31图示了包括操作模式控制器的功率转换器电路的实施例；
[0041] 图32图示了包括操作模式单元的转换器单元的实施例；
[0042] 图33图示了从第一操作模式变换成第二操作模式的第一实施例；
[0043] 图34图示了从第一操作模式变换成第二操作模式的第二实施例；
[0044] 图35图示了功率转换器电路的另一实施例；
[0045] 图36图示了图35的功率转换器电路中实现的转换器单元的实施例；
[0046] 图37图示了转换器单元的另一实施例；
[0047] 图38图示了包括在具有转换器单元的串联电路和输出端子之间连接的展开电路 的功率转换器电路的实施例；
[0048] 图39示出了图38的功率转换器电路的操作原理的时序图；
[0049] 图40图示了展开电路的实施例；
[0050] 图41图示了图38的功率转换器电路中的转换器单元的第一实施例；
[0051] 图42图示了图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图示了图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图示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图示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示意性地图示了包括变压器的DC/DC转换器的一个实施例；
[0056] 图47图示了具有双管正激（TTF)拓扑的DC/DC转换器的实施例；
[0057] 图48图示了具有相移（PS)零电压切换（ZVS)转换器拓扑的DC/DC转换器的实施 例；
[0058] 图49图示了具有反激转换器拓扑的DC/DC转换器的实施例；
[0059] 图50图示了具有LLC转换器拓扑的DC/DC转换器的实施例；
[0060] 图51图示了包括变压器的DC/AC转换器的一个实施例；
[0061] 图52图示了具有共享一个变压器的多个DC/DC转换器的功率转换器电路的一个 实施例；
[0062] 图53图示了具有共享一个变压器的多个DC/DC转换器的功率转换器电路的另一 实施例；
[0063] 图54图示了包括具有逆变降压升压拓扑的转换器级的转换器单元的一个实施 例；
[0064] 图55不出了处于一个操作模式中的图54中不出的转换器级的输入电压、输出电 压和输出电流的时序图；
[0065] 图56示出了处于一个操作模式中的图54中示出的逆变降压升压转换器中的通过 电感性兀件的电流和开关驱动彳目号的时序图；
[0066] 图57图示了图54中示出的转换器级的修改；
[0067] 图58示出了处于一个操作模式中的图58中示出的转换器级中的通过电感性元件 的电流和开关驱动/[目号的时序图；
[0068] 图59图示了包括具有逆变降压升压拓扑的转换器级的转换器单元的另一实施 例；
[0069] 图60图示了具有三个单相功率转换器电路的3相功率转换器电路的一个实施 例；
[0070] 图61图示了具有三个单相功率转换器电路的3相功率转换器电路的另一实施 例；
[0071] 图62示意性地示出了图60中示出的3相功率转换器电路的输出电流的时序图；
[0072] 图63图示了具有三个单相功率转换器电路的3相功率转换器电路的另一实施 例；
[0073] 图64示意性地图示了耦合到一个电源的三个不同的单相功率转换器电路的三个 功率转换器单元；
[0074] 图65示出了图64中示出的三个功率转换器单元中的一个功率转换器单元的一个 实施例；
[0075] 图66示出了图65中示出的功率转换器单元的一个特征；
[0076] 图67示出了图65中示出的功率转换器单元的一个特征；
[0077] 图68示出了图64中示出的三个功率转换器单元的中的一个的另一实施例；
[0078] 图69示意性地图示了耦合到一个电源的三个不同的单相功率转换器电路的三个 功率转换器单元；
[0079] 图70示出了图69中示出的一个转换器级的一个实施例；
[0080] 图71图示了可以在3相功率转换器电路中使用的连接电路的一个实施例；以及
[0081] 图72图示了可以在3相功率转换器电路中使用的连接电路的另一实施例。
【具体实施方式】
[0082] 在下面的详细描述中，参考了附图，附图形成其一部分，并且在附图中通过图示的 方式示出了可以实践本发明的具体实施例。在这方面，诸如"顶"、"底"、"前"、"后"、"头"、 "尾"等方向术语参考所描述的附图的方位使用。因为实施例的组件能够在多个不同方位上 进行定位，所以方向术语用于说明的目的而不是限制性的目的。应当理解，在不脱离本发明 的精神和范围的情况下，可以利用其他实施例并且可以进行结构或逻辑上的改变。因此，不 在限制的意义上作出下面的详细说明，并且本发明的范围由所附的权利要求来限定。应当 理解，本文所描述的各种示例性实施例的特征可以彼此结合，除非具体指出。
[0083] 在下文中，将在特定的内容中解释本发明的实施例，该内容即在将由多个光伏阵 列提供的电力或电压转换成交流电流，具体地要被供应到电网的交流电流的上下文中。交 流电流和交流电网电压在下面分别还被称为AC电流和AC电网电压。然而，这仅仅是示例， 本发明的实施例可以用于大范围的应用，其中需要将直流电压和直流电流转换为AC电压 和AC电流。在下文中，直流电压和直流电流分别也被称为DC电压和DC电流。作为光伏阵 列的替代，可以使用任何类型的DC电源，诸如燃料电池。甚至能够在一个应用中采用不同 的类型的DC电源，诸如光伏阵列和燃料电池。
[0084] 图1图示了用于将多个η个（至少两个）DC输入电压V3i、V32、V3 n分别转换成一 个AC输出电压vl和一个AC输出电流iTOT的功率转换器电路（功率逆变器电路）4的第一 实施例。应当注意，在这连接中贯穿附图，将使用大写字母"V"和"I"来表示DC电压和DC 电流，而将使用小写字母"v"和"i"来表示AC电压和AC电流。功率转换器电路包括多个 η个（至少两个）转换器单元（逆变器单元）2l、22、2n，其中n>2。这些转换器单元中的每 一个包括具有输入端子;21 2、222的输入端；并且21"、2211被配置成耦合到DC功率源 3i、3 2、3n。在图1中，除了具有转换器单元2p22、2n的功率转换器电路1之外，还图示了 DC 功率源3i、32、3n。这些DC功率源3i、32、3n与功率转换器电路1 一起形成AC功率供应系统 或AC电流供应系统。在图1中图示的实施例中，DC功率源3i、32、3 n被实现为光伏（PV)模 块。然而，采用的PV模块的DC功率源仅仅是示例。还可以使用诸如包括燃料电池的电源 的任何其他类型的DC电源。甚至可能在一个功率源系统中采用不同类型的DC功率源。
[0085] 转换器单元2p22、2n中的每一个进一步包括具有输出端子23^2( ;232、242 ;和 2311、2411的输出。转换器单元21、2 2、211在功率转换器电路1的具有输出端子11、12的输出之 间串联连接（级联）。为此，第一转换器单元具有耦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。此外，第一输出端子（除了输出端子23J 之外的每一个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24n)。
[0086] 功率转换器电路1的输出端子11、12可以被配置成接收电压vl。例如，输出端子 11、12被配置成连接到电网，使得外部电压vl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，电网由电压源100和与电源100并联连接的负载Z来表示。电网的电 压源100代表电网中的多个AC电压源，并且负载Z表示电网中连接到电源的多个负载。电 网限定了在输出端子11、12之间的AC电压vl。因为该电压vl通过诸如电网的外部源来限 定，所以在下文中该电压将被称为外部AC电压vl。
[0087] 转换器单元2i、22、2n中的每一个在其输出端子231、24 1、232、242、23"、2411之间具有 AC输出电压。通过使转换器单元2p22、2n串联连接，转换器单元2p22、2 n的单 个的AC输出电压￥2^22、4的总和对应于在功率转换器单元1处于稳定状态时的外部电 压vl,即
【权利要求】
1. 一种包括多个单相功率转转器电路的多相功率转换器电路，其中，每个单相功率转 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 配置成输出串联电路输出电流；以及 同步电路，所述同步电路被配置成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成生成输出电流，使得所 述输出电流的频率或相位取决于所述同步信号。
2. 根据权利要求1所述的多相功率转换器电路，其中，所述多个转换器单元中的每一 个转换器单元包括被配置成耦合到电源的输入。
3. 根据权利要求2所述的多相功率转换器电路， 其中，存在转换器单元组，所述转换器单元组包括所述单相功率转换器电路中的每一 个单相功率转换器电路中的一个转换器单元，并且 其中，所述转换器单元组中的所述转换器单元被配置成耦合到一个公共电源。
4. 根据权利要求3所述的多相功率转换器电路， 其中，所述转换器单元组的所述转换器单元中的每一个转换器单元包括被配置成输出 所述输出电流的第一转换器，并且 其中，所述转换器单元组包括耦合在所述公共电源和所述第一转换器之间的第二转换 器。
5. 根据权利要求4所述的多相功率转换器电路，其中，所述转换器单元组的每个转换 器单元包括耦合在所述公共电源和所述第一转换器之间的所述第二转换器。
6. 根据权利要求5所述的多相功率转换器电路，其中，所述转换器单元组的所述转换 器单元中的一个转换器单元的所述第二转换器被配置成调整从所述电源接收到的输入电 压和输入电流中的至少一个。
7. 根据权利要求4所述的多相功率转换器电路，其中，所述转换器单元组仅包括耦合 在所述公共电源和所述转换器单元组的所述转换器单元中的每一个转换器单元中的所述 第一转换器之间的第二转换器。
8. 根据权利要求4所述的多相功率转换器电路，其中，所述第二转换器包括隔离拓扑。
9. 根据权利要求4所述的多相功率转换器电路，其中，所述第二转换器包括变压器。
10. 根据权利要求1所述的多相功率转换器电路， 其中，每个单相功率转换器电路被配置成接收外部电压；并且 其中，所述同步电路被配置成根据所述外部电压的电压电平来生成所述同步信号。
11. 根据权利要求10所述的多相功率转换器电路，其中，所述同步电路被配置成生成 所述同步信号，使得在所述外部电压和所述同步信号之间存在相位差。
12. 根据权利要求1所述的多相功率转换器电路， 其中，每个单相功率转换器电路被配置成接收外部交流电压，并且 其中，所述同步电路被配置成根据所述外部交流电压来生成所述同步信号为整流的交 流号。
13. 根据权利要求12所述的多相功率转换器电路，其中，每个单相功率转换器电路进 一步包括： 展开电路，所述展开电路被耦合到所述转换器串联电路，并且被配置成将所述串联电 路输出电流转换成交流输出电流。
14. 根据权利要求1所述的多相功率转换器电路，其中，所述同步电路包括具有耦合到 所述转换器串联电路的多个测量单元的串联电路， 其中，每个测量单元被配置成输出一个同步信号，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输出的所述同步信号中的一 个同步信号。
15. 根据权利要求14所述的多相功率转换器电路，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的电压或是其一部分。
16. 根据权利要求1所述的多相功率转换器电路，其中，所述转换器单元包括被配置成 接收直流电压并且输出所述输出电流的第一转换器。
17. 根据权利要求16所述的多相功率转换器电路， 其中，所述第一转换器被配置成根据第一基准信号来生成所述输出电流，并且 其中，所述第一基准信号取决于所述至少一个同步信号和所述输出电流。
18. 根据权利要求17所述的多相功率转换器电路，其中，所述转换器单元进一步包括 控制电路，所述控制电路被配置成根据所述至少一个同步信号和所述输出电流来生成所述 第一基准信号。
19. 根据权利要求18所述的多相功率转换器电路，其中，所述第一转换器被配置成接 收输入电压，并且 其中，所述控制电路被配置成根据所述输入电压来生成所述第一基准信号。
20. 根据权利要求16所述的多相功率转换器电路，其中，所述第一转换器包括： 转换器级，所述转换器级被配置成接收所述直流电压并且输出整流的交流电流；以及 展开电路，所述展开电路被配置成接收所述整流的交流电流并且输出所述输出电流。
21. 根据权利要求20所述的多相功率转换器电路，其中，所述转换器级包括隔离拓扑。
22. 根据权利要求20所述的多相功率转换器电路，其中，所述转换器级包括从由以下 项组成的组中选择的拓扑： 反激转换器拓扑； 双管正激（TTF)转换器拓扑； 串联谐振转换器拓扑； 相移零电压切换（PS ZVS)转换器拓扑； LLC转换器拓扑；以及 双向离子变频器拓扑。
23. 根据权利要求20所述的多相功率转换器电路，其中，所述转换器级被配置成生成 具有取决于所述同步信号的频率和相位的所述整流的交流电流。
24. 根据权利要求20所述的多相功率转换器电路，其中，所述转换器单元进一步包括： 输入，所述输入被配置成耦合到电源；以及 第二转换器，所述第二转换器被耦合在所述转换器单元中的一个转换器单元的输入和 所述第一转换器之间。
25. 根据权利要求24所述的多相功率转换器电路，其中，所述第二转换器被配置成根 据第二基准信号来调整所述输入处的输入信号。
26. 根据权利要求25所述的多相功率转换器电路，其中，所述输入信号是输入电压和 输入电流中的一个。
27. 根据权利要求25所述的多相功率转换器电路，进一步包括： 最大功率点跟踪器，所述最大功率点跟踪器被配置成根据所述第二转换器的输入电压 和输入电流来生成所述第二基准信号。
28. 根据权利要求25所述的多相功率转换器电路，其中，所述第一转换器包括从由以 下项组成的组中选择的拓扑： 降压转换器拓扑； 升压转换器拓扑； 降压-升压转换器； 升压-降压转换器；以及 反相降压-升压拓扑。
29. 根据权利要求25所述的多相功率转换器电路，其中，所述第二转换器包括从由以 下项组成的组中选择的拓扑： 反激转换器拓扑； 双管正激（TTF)转换器拓扑； 串联谐振转换器拓扑； 相移零电压切换（PS ZVS)转换器拓扑； LLC转换器拓扑；以及 双向离子变频器拓扑。
30. 根据权利要求25所述的多相功率转换器电路，其中，所述第二转换器包括并联连 接的至少两个转换器级。
31. 根据权利要求1所述的多相功率转换器电路， 其中，所述转换器单元包括耦合在输出端子之间的输出电容器，并且 其中，所述输出电流是进入对于所述输出电容器和所述输出端子中的一个输出端子为 公共的电路节点的电流。
32. 根据权利要求1所述的多相功率转换器电路，其中，所述转换器单元包括信号生成 器，所述信号生成器被配置成从所述同步信号生成连续同步信号，并且生成所述输出电流 使得所述输出电流的频率和相位中的至少一个取决于所述连续同步信号。
33. 根据权利要求32所述的多相功率转换器电路， 其中，所述同步信号是交流信号， 其中，所述信号生成器被配置成接收给定时间段中的所述同步信号、检测所述同步信 号的频率和相位、并且根据所检测的频率和相位来生成所述连续同步信号。
34. 根据权利要求32所述的多相功率转换器电路， 其中，所述同步信号是包括多个信号脉冲的脉冲信号， 其中，所述信号生成器被配置成生成所述连续同步信号，所述连续同步信号具有取决 于所述脉冲信号的所述频率和所述相位的频率和相位。
35. 一种方法，包括： 由同步电路生成至少一个同步信号； 由多相转换器中的至少两个单相转换器电路中的每一个单相转换器电路的至少一个 转换器串联电路来输出串联电路输出电流，其中，所述至少一个转换器串联电路包括多个 转换器单元；以及 由所述多个转换器单元中的至少一个转换器单元来对输出电流进行输出，使得所述输 出电流的频率和相位中的至少一个取决于所述同步信号。
【文档编号】H02S40/32GK104283449SQ201410332366
【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 申请人:英飞凌科技奥地利有限公司