專利名稱：具有退耦開關(guān)元件的逆變器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于將能量生成模塊的恒定的輸出信號轉(zhuǎn)換成交變信號的逆變器裝置。
背景技術(shù)：
為了對例如以太陽能方式生成的能量進行逆變，通常采用逆變器、尤其是可以單相或三相地構(gòu)造的太陽能逆變器。例如在圖1中示出單相逆變的基本電路，在該基本電路中，為了逆變使用具有四個開關(guān)101的H橋。該H橋連接在太陽能電池103后面，平行于該太陽能電池103布置有電容105。借助于可分別成對地連接的開關(guān)101將太陽能電池103 的恒定的輸出信號進行逆變和轉(zhuǎn)換成交變信號，該交變信號經(jīng)過分別布置在兩個串聯(lián)的開關(guān)101之間的分接點被例如輸送給能量分配網(wǎng)絡(luò)107，該能量分配網(wǎng)絡(luò)107的輸送線路由電感109表示。在圖2A至2D中表明了交變信號的形成。在圖2A中示出有關(guān)電壓203的變化曲線的額定電流Iire的變化曲線201。圖2B示出要分別成對地閉合的開關(guān)101的狀態(tài)。圖 2C示出與橋電壓207的變化曲線相比較的網(wǎng)絡(luò)電壓205的變化曲線。在圖2D中示出額定電流209和實際電流211的變化曲線。圖3示出來自圖1的太陽能逆變器的實施方案，在該實施方案中，開關(guān)301連接在 H橋前面。在圖4中示出所屬的信號變化曲線，其中圖4A示出電流401和電壓403的變化曲線。在圖4B中示出開關(guān)301以及分別成對地閉合的開關(guān)101的狀態(tài)。如從圖4B中可以看出的那樣，在分別閉合的開關(guān)對的情況下多次轉(zhuǎn)換開關(guān)301，這對于結(jié)果得到的電壓的變化曲線是決定性的。圖4C示出結(jié)果得到的電壓變化曲線405以及橋電壓407。在圖4D中示出額定電流409以及輸出電流411。圖5示出來自圖1的逆變器，該逆變器的輸出側(cè)連接了分別具有開關(guān)501和503 以及二極管505和507的兩個串聯(lián)電路的并聯(lián)電路。在開關(guān)501和503閉合的情況下，二極管505和507是反并聯(lián)的。通過連接在H橋后面的該并聯(lián)電路實現(xiàn)了 HERIC拓撲，在該 HERIC拓撲中阻止了輸出側(cè)的能量擺動。在圖6中示出所屬的信號變化曲線，其中圖6A示出電流601的變化曲線和電壓 603的變化曲線。圖6B示出可分別成對地操作的開關(guān)101的閉合狀態(tài)，以及在下方的圖表中示出開關(guān)501和503的成對的狀態(tài)。在圖6C中示出橋輸出電壓605以及額定電壓607 的變化曲線。圖6D示出額定電流609和橋輸出電流611的變化曲線。圖7示出一種逆變器，該逆變器實施為三相的并且為了逆變具有帶有六個開關(guān)元件701至711的橋電路。平行于該橋電路布置了太陽能電池713和儲能器715。在分別相繼連接的開關(guān)元件701和703或705和707或709和711之間布置有分接點，經(jīng)過這些分接點可以分接出相應(yīng)的相電壓。這些分接點例如與三相的能量分配網(wǎng)絡(luò)連接，該能量分配網(wǎng)絡(luò)的輸送線路由電感717、719和721表征。圖8示出一種逆變器，該逆 變器與在圖7中所示出的逆變器不同地分別具有分配給相應(yīng)的相的開關(guān)821、823和825，這些開關(guān)可用于短接相應(yīng)的相。圖9示出一種逆變器，該逆變器與在圖8中所示出的逆變器不同地具有由兩個分布式的電容器901和903所組成的充電電容。這些電容器之間的節(jié)點向外引出并且用作為參考電位接頭 ，由此可以實現(xiàn)“浮動的”地。然而，上述布局具有以下的缺點，即在轉(zhuǎn)換相應(yīng)的開關(guān)時能量被返回饋入到電容器和太陽能電池中，由此降低了逆變的效率。另外的損耗源是內(nèi)部的半導(dǎo)體阻抗。除此之夕卜，在轉(zhuǎn)換開關(guān)時尤其是在較高的節(jié)拍頻率下產(chǎn)生附加的開關(guān)損耗，該開關(guān)損耗現(xiàn)今僅能通過短接相應(yīng)的橋拓撲最小化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明基于以下的認識可以提高在使用具有至少一個開關(guān)的逆變橋情況下所執(zhí)行的逆變的效率，其方式是在轉(zhuǎn)換至少一個開關(guān)的時刻從每一個能量源斷開逆變橋。因此可以無能量地轉(zhuǎn)換至少一個開關(guān)，由此可以避免瞬態(tài)的開關(guān)電流。直接在轉(zhuǎn)換至少一個開關(guān)之后將逆變器電路重新與能量源連接。由此也避免了能量源、例如太陽能電池以及必要時與此并聯(lián)的充電電容器的再充電。本發(fā)明涉及一種用于將能量生成模塊、例如具有至少一個太陽能電池的太陽能電池模塊的恒定的輸出信號轉(zhuǎn)換成交變信號的逆變器裝置，具有用于從能量生成模塊接收恒定的輸出信號的輸入門；連接在所述輸入門后面并且設(shè)置用于通過轉(zhuǎn)換至少一個逆變器開關(guān)元件來生成交變信號逆變器電路；和布置在輸入門和逆變器電路之間的退耦開關(guān)元件，其中能直接在轉(zhuǎn)換所述至少一個逆變器開關(guān)元件之前轉(zhuǎn)換退耦開關(guān)元件，以便所述至少一個逆變器開關(guān)元件在轉(zhuǎn)換逆變器開關(guān)元件的轉(zhuǎn)換時刻從輸入門退耦。由此實現(xiàn)無能量地切換逆變器開關(guān)元件。根據(jù)一個實施形式，也可以直接在轉(zhuǎn)換所述至少一個逆變器開關(guān)元件之后轉(zhuǎn)換退耦開關(guān)元件，以便所述至少一個逆變器開關(guān)元件直接在轉(zhuǎn)換之后與輸入門耦合。以此方式對例如在閉合的狀態(tài)下的至少一個逆變器開關(guān)元件施加可以是電壓信號或電流信號的恒定的輸出信號。根據(jù)一個實施形式，所述退耦開關(guān)元件能直接在轉(zhuǎn)換、尤其是閉合所述至少一個逆變器開關(guān)元件之前斷開和/或能直接在轉(zhuǎn)換、尤其是閉合所述逆變器開關(guān)元件之后閉合。由此例如實現(xiàn)了，只有當退耦開關(guān)元件斷開時，才斷開或閉合至少一個逆變器開關(guān)元件，使得可以有利地實現(xiàn)無能量的切換。根據(jù)一個實施形式，所述退耦開關(guān)元件能在所述至少一個逆變器開關(guān)元件轉(zhuǎn)換到第一開關(guān)狀態(tài)之前轉(zhuǎn)換、尤其是斷開，并且能在所述至少一開逆變器開關(guān)元件轉(zhuǎn)換到第二開關(guān)狀態(tài)之后轉(zhuǎn)換、尤其是閉合，其中退耦開關(guān)元件保持在第一狀態(tài)下的持續(xù)時間與所述至少一個逆變器開關(guān)元件的開關(guān)周期持續(xù)時間有關(guān)。如果至少一個逆變器開關(guān)元件例如周期性地以一周期持續(xù)時間切換，則退耦開關(guān)元件在第一開關(guān)狀態(tài)下的逗留持續(xù)時間以及因此在其期間內(nèi)切換至少一個逆變器開關(guān)元件的窗可以例如為上述周期持續(xù)時間的0. 1%、 1%、1. 5%或2%。至少一個逆變器開關(guān)元件的轉(zhuǎn)換時刻因此例如可以實現(xiàn)在上述時間窗的中心，使得可以簡單地操控開關(guān)元件。根據(jù)一個實施形式，所述逆變器裝置包括用于控制所述退耦開關(guān)元件和所述至少一個逆變器開關(guān)元件的控制設(shè)備，該控制設(shè)備被構(gòu)造為在為了轉(zhuǎn)換逆變器開關(guān)元件而操控該逆變器開關(guān)元件之前和/或之后操控退耦開關(guān)元件。由于通過同一個控制設(shè)備來控制兩個上述的開關(guān)元件，因此可以以特別簡單的方式執(zhí)行上述開關(guān)元件的時間控制。根據(jù) 一個實施形式，所述退耦開關(guān)元件和所述至少一個逆變器開關(guān)元件是開關(guān)、 尤其是晶體管開關(guān)，由此可以以有利的方式簡單地實現(xiàn)開關(guān)元件。根據(jù)一個實施形式，所述逆變器電路是橋電路、例如H橋電路或B6橋電路，具有多個逆變器開關(guān)元件、尤其是具有4個或6個逆變器開關(guān)元件。在此，優(yōu)選在轉(zhuǎn)換每一個逆變器開關(guān)元件之前和/或之后例如斷開退耦開關(guān)元件，使得既可以單相地也可以多相地、例如三相地高效運行逆變器電路。根據(jù)一個實施形式，在輸入門和逆變器電路之間連接有在流通方向上運行的二極管、例如與退耦開關(guān)元件串聯(lián)的二極管。由此以有利的方式防止了通向輸入門的返回的電流，該電流例如可能導(dǎo)致充電電容的再充電。根據(jù)一個實施形式，平行于輸入門可切換地、尤其是借助于開關(guān)布置有儲能器。因此可以以有利的方式同樣在至少一個逆變器開關(guān)的轉(zhuǎn)換時刻使儲能器脫離，由此可以防止儲能器的再充電。根據(jù)一種實施形式，所述儲能器包括例如兩個相繼布置的電容器，其中在兩個相繼布置的電容器之間的節(jié)點被引出作為參考電位接頭、尤其是作為地接頭。由此可以以有利的方式實現(xiàn)“浮動的”地。根據(jù)一個方面，本發(fā)明涉及一種能量生成裝置，其具有能量生成模塊、尤其是具有至少一個太陽能電池的太陽能電池模塊，和與能量生成模塊并聯(lián)的根據(jù)本發(fā)明的逆變器裝置。根據(jù)一個實施形式，開關(guān)元件、例如晶體管開關(guān)與能量生成模塊串聯(lián)并且被設(shè)置用于接通或關(guān)斷能量生成模塊，由此通過在至少一個逆變器開關(guān)元件的轉(zhuǎn)換時刻關(guān)斷能量生成模塊可以以有利的方式阻止該能量生成模塊的再充電。根據(jù)一個實施形式，本發(fā)明涉及一種用于借助于包括至少一個逆變器開關(guān)元件的逆變器電路將能量生成模塊、例如具有至少一個太陽能電池的太陽能電池模塊的恒定的輸出信號轉(zhuǎn)換成交變信號的方法，具有如下步驟轉(zhuǎn)換至少一個逆變器開關(guān)元件，以便基于恒定的輸出信號通過轉(zhuǎn)換至少一個逆變器開關(guān)元件來獲得交變信號；和借助直接在轉(zhuǎn)換至少一個逆變器開關(guān)元件之前所轉(zhuǎn)換的、尤其是所斷開的退耦開關(guān)元件來中斷所述恒定的輸出信號向逆變器電路的輸送。另外的方法步驟直接從根據(jù)本發(fā)明的逆變器裝置的功能性中得出。


參照附圖來闡述另外的實施例。其中 圖1示出一種逆變器裝置；
圖2示出信號變化曲線； 圖3示出一種逆變器； 圖4示出信號變化曲線； 圖5示出一種逆變器裝置；圖6示出信號變化曲線； 圖7示出一種逆變器裝置； 圖8示出一種逆變器裝置； 圖9示出一種逆變器裝置； 圖10示出一種逆變器裝置； 圖11示出一種逆變器裝置； 圖12示出一種逆變器裝置；和圖13示出轉(zhuǎn)換時間圖表。
具體實施例方式圖10示出具有輸入 門的逆變器裝置，該輸入門具有接頭1001和1003。在輸入門后面連接有具有分別相繼布置的開關(guān)1005、1007、1009、1011、1013和1015的逆變器電路。 在輸入門和逆變器電路之間布置有退耦開關(guān)元件1017、例如晶體管開關(guān)。并聯(lián)于該輸入門并且在接頭1001和1003之間布置有儲能器1019和能量生成模塊1021。能量生成模塊1021例如可以通過相繼連接的恒定電壓源來描述，并且例如可以是具有至少一個太陽能電池的太陽能裝置。在分別串聯(lián)的開關(guān)1005和1007、1009和1011、1013和1015之間分別布置有分接
點，以便將逆變器裝置連接到連接在該逆變器裝置后面的能量分配網(wǎng)絡(luò)上，該能量分配網(wǎng)絡(luò)的輸送線路例如由電感1023來描述。在運行中，為了轉(zhuǎn)換由能量生成模塊1021所生成的恒定的輸出信號、例如電壓信號或電流信號，閉合例如開關(guān)1005和1011，由此實現(xiàn)具有電感1023和1025的電流路徑。 優(yōu)選同步地閉合這些開關(guān)，其中直接在閉合開關(guān)1005和1015之前斷開退耦開關(guān)元件1017 并且直接在此之后重新閉合該退耦開關(guān)元件1017。如果重新斷開開關(guān)1005和1015，則直接在此之前斷開退耦開關(guān)元件1017并且直接在此之后重新閉合該退耦開關(guān)元件1017，使得可以執(zhí)行另一開關(guān)循環(huán)。退耦開關(guān)元件1017因此僅僅用于在逆變器裝置的轉(zhuǎn)換時刻將該逆變器裝置的開關(guān)退耦，以便阻止去往儲能器1019的脈沖式的和返回的開關(guān)電流。由于短時地在相應(yīng)的可成對切換的開關(guān)的轉(zhuǎn)換時刻之前短時地斷開退耦開關(guān)元件1017，事實上可能影響結(jié)果得到的交變信號的相或頻率。但是，該影響可以例如借助于調(diào)到預(yù)先確定的相位值或頻率值的調(diào)節(jié)回線來調(diào)整，其方式是例如較快地或較慢地切換逆變器電路的開關(guān)。在圖11中示出一種逆變器裝置，該逆變器裝置與圖10中所示出的逆變器裝置不同地具有布置在接頭1001和1003之間的儲能器，該儲能器具有相繼連接的分布式的電容器1101和1103。在分布式的電容器1101和1103之間例如布置有分接點1105，該分接點作為參考電位接頭引出并且例如用作為能量分配網(wǎng)絡(luò)的地接頭。由此以有利的方式實現(xiàn)了浮動的地。在圖12中示出一種能量生成裝置，該能量生成裝置與圖11中所示出的逆變器裝置不同地包括開關(guān)1201、1203和1205，這些開關(guān)將在分別相繼連接的開關(guān)1005、1007或 1009、1011或1013和1015之間的相應(yīng)的接頭與參考電位接頭1101連接。由此以有利的方式實現(xiàn)相應(yīng)相的短接。圖13示出具有逆變器電路的開關(guān)1009至1015之一的開關(guān)狀態(tài)1301的時間變化曲線的時間圖表。從例如斷開狀態(tài)1303開始，開關(guān)過渡到開關(guān)狀態(tài)1305并且例如閉合。在開關(guān)狀態(tài)1305之后，逆變器裝置的開關(guān)重新過渡到開關(guān)狀態(tài)1303并且例如斷開。在 下方的圖表中示出退耦開關(guān)元件1017的與此相對應(yīng)的變化曲線1307。從開關(guān)狀態(tài)1303開始，退耦開關(guān)元件1017直接在轉(zhuǎn)換逆變器電路的開關(guān)之前過渡到開關(guān)狀態(tài) 1305并且例如斷開。因此，在逆變器電路的開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)1303和1305之間的過渡沿不與退耦開關(guān)元件1017的過渡沿重合。直接在逆變器電路的開關(guān)元件轉(zhuǎn)換到開關(guān)狀態(tài)1305 之后，退耦開關(guān)元件1017過渡到開關(guān)狀態(tài)1305并且例如閉合。通過在逆變器電路的相應(yīng)開關(guān)的轉(zhuǎn)換時刻之前和之后退耦開關(guān)元件1017短時地過渡到開關(guān)狀態(tài)1305，定義一種轉(zhuǎn)換時間窗，該轉(zhuǎn)換時間窗的時間長度例如可以持續(xù)逆變器電路的相應(yīng)開關(guān)的開關(guān)周期的0. 1% 至1%。根據(jù)本發(fā)明的方案可以有利地用于太陽能電池設(shè)備、風(fēng)力發(fā)電設(shè)備、三相交流電機或通風(fēng)機電機中的恒定信號的逆變。
權(quán)利要求
1.用于將能量生成模塊、尤其是太陽能電池模塊的恒定的輸出信號轉(zhuǎn)換成交變信號的逆變器裝置，具有用于接收恒定的輸出信號的輸入門(1001，1003)；逆變器電路(1005，1007，1009，1011)，該逆變器電路(1005，1007，1009，1011)連接在所述輸入門(1001，1003)后面并且設(shè)置用于通過轉(zhuǎn)換至少一個逆變器開關(guān)元件(1005， 1007，1009，1011)來生成交變信號；和退耦開關(guān)元件(1007)，該退耦開關(guān)元件(1007)布置在輸入門和逆變器電路(1005， 1007，1009，1011)之間，其中能直接在轉(zhuǎn)換所述至少一個逆變器開關(guān)元件(1005，1007， 1009，1011)之前轉(zhuǎn)換退耦開關(guān)元件，以便所述至少一個逆變器開關(guān)元件(1005，1007，1009， 1011)在轉(zhuǎn)換時刻從輸入門退耦。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的逆變器裝置，其中能直接在轉(zhuǎn)換所述至少一個逆變器開關(guān)元件(1005，1007，1009，1011)之后轉(zhuǎn)換退耦開關(guān)元件，以便所述至少一個逆變器開關(guān)元件 (1005，1007，1009，1011)直接在轉(zhuǎn)換之后與輸入門耦合。
3.根據(jù)以上權(quán)利要求之一的逆變器裝置，其中所述退耦開關(guān)元件能直接在轉(zhuǎn)換、尤其是閉合所述至少一個逆變器開關(guān)元件(1005，1007，1009，1011)之前斷開，或者能直接在轉(zhuǎn)換、尤其是閉合所述逆變器開關(guān)元件(1005，1007，1009，1011)之后閉合。
4.根據(jù)以上權(quán)利要求之一的逆變器裝置，其中所述退耦開關(guān)元件能在所述至少一個逆變器開關(guān)元件(1005，1007，1009，1011)轉(zhuǎn)換到第一開關(guān)狀態(tài)之前轉(zhuǎn)換、尤其是斷開，并且能在所述至少一開逆變器開關(guān)元件(1005，1007，1009，1011)轉(zhuǎn)換到第二開關(guān)狀態(tài)之后轉(zhuǎn)換、 尤其是閉合，其中退耦開關(guān)元件保持在第一狀態(tài)下的持續(xù)時間與所述至少一個逆變器開關(guān)元件(1005，1007，1009，1011)的開關(guān)周期持續(xù)時間有關(guān)。
5.根據(jù)以上權(quán)利要求之一的逆變器裝置，其中設(shè)置和構(gòu)造用于控制所述退耦開關(guān)元件 (1007)和所述至少一個逆變器開關(guān)元件(1005，1007，1009，1011)的控制設(shè)備，以在為了轉(zhuǎn)換逆變器開關(guān)元件而操控該逆變器開關(guān)元件之前或之后操控退耦開關(guān)元件(1007)。
6.根據(jù)以上權(quán)利要求之一的逆變器裝置，其中所述退耦開關(guān)元件(1007)和所述至少一個逆變器開關(guān)元件(1005，1007，1009，1011)是開關(guān)、尤其是晶體管開關(guān)。
7.根據(jù)以上權(quán)利要求之一的逆變器裝置，其中所述逆變器電路(1005，1007，1009， 1011)是橋電路、尤其是H橋電路或B6橋電路，具有多個逆變器開關(guān)元件、尤其是具有4個或6個逆變器開關(guān)元件。
8.根據(jù)以上權(quán)利要求之一的逆變器裝置，其中在輸入門(1001,1003)和逆變器電路 (1005，1007，1009，1011)之間連接有在流通方向上運行的、尤其是與退耦開關(guān)元件串聯(lián)的二極管。
9.根據(jù)以上權(quán)利要求之一的逆變器裝置，其中平行于輸入門(1001，1003)能切換地布置有儲能器(1019)、尤其是電容器。
10.根據(jù)以上權(quán)利要求之一的逆變器裝置，其中平行于輸入門(1001，1003)布置有具有至少兩個相繼布置的電容器(1101，1103)的儲能器，并且其中所述兩個相繼布置的電容器之間的節(jié)點被引出作為參考電位接頭(1105)、尤其是作為地接頭。
11.能量生成裝置，具有能量生成模塊、尤其是具有至少一個太陽能電池的太陽能電池模塊；和與能量生成模塊并聯(lián)的、根據(jù)權(quán)利要求1至10之一的逆變器裝置。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的能量生成裝置，其中至少一個開關(guān)元件、尤其是晶體管開關(guān)與能量生成模塊串聯(lián)，并且設(shè)置用于接通或關(guān)斷能量生成模塊。
13.用于借助于包括至少一個逆變器開關(guān)元件的逆變器電路將能量生成模塊、尤其是具有至少一個太陽能電池的太陽能電池模塊的恒定的輸出信號轉(zhuǎn)換成交變信號的方法，具有轉(zhuǎn)換至少一個逆變器開關(guān)元件，以便基于恒定的輸出信號通過轉(zhuǎn)換至少一個逆變器開關(guān)元件來獲得交變信號；和借助直接在轉(zhuǎn)換至少一個逆變器開關(guān)元件之前所轉(zhuǎn)換的、尤其是所斷開的退耦開關(guān)元件來中斷所述恒定的輸出信號向逆變器電路的輸送。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于將能量生成模塊、尤其是太陽能電池模塊的恒定的輸出信號轉(zhuǎn)換成交變信號的逆變器裝置，具有用于接收恒定的輸出信號的輸入門(1001，1003)；連接在所述輸入門(1001，1003)后面并且設(shè)置用于通過轉(zhuǎn)換至少一個逆變器開關(guān)元件(1005，1007，1009，1011)來生成交變信號的逆變器電路(1005，1007，1009，1011)；和布置在輸入門和逆變器電路(1005，1007，1009，1011)之間的退耦開關(guān)元件(1007)，其中能直接在轉(zhuǎn)換所述至少一個逆變器開關(guān)元件(1005，1007，1009，1011)之前轉(zhuǎn)換退耦開關(guān)元件，以便至少一個逆變器開關(guān)元件(1005，1007，1009，1011)在轉(zhuǎn)換時刻從輸入門退耦。
文檔編號H02M7/5387GK102414977SQ201080019869
公開日2012年4月11日 申請日期2010年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月6日
發(fā)明者福格特倫德 K. 申請人:羅伯特·博世有限公司