CN104272552A - 具有中间电路中的电压节点的对称化的功率电子装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种功率电子装置、例如逆变器，所述功率电子装置具有拥有两个或更多串联的电容器的中间电路。电压节点位于所述电容器之间。开关电源部分与中间电路的电容器之一并联。此外，所述逆变器具有与所述两个电容器和所述电压节点连接的、导致两个电容器之间的能量均衡的直流电压调节器。

Description

具有中间电路中的电压节点的对称化的功率电子装置

技术领域

本发明涉及一种具有中间电路中的电压节点的对称化的功率电子装置。用于这种功率电子装置的示例是逆变器。

背景技术

逆变器的任务在于能量转换，在所述能量转换中从直流电压源提取能量并且以高效率输送给具有周期性变换的电压的宿（Senke）。

特别是在可更新的能量的范围内、例如在光伏逆变器情况下多级拓扑形式的实现已经建立。这种逆变器为了能量存储需要具有至少两个串联的电容器的中间电路。这些电容器通常以串行方式从直流电压源被供以能量。这导致存在于电容器中的各两个之间的连接点处的电压节点灵敏地对注入的直流电压电流分量或具有不同功率的各个电容器的负荷作出反应。

例如可能由于调节的非对称、负载的非对称等等引起的输出交变电流中的非对称导致在所述电压节点处的少量直流分量（Gleichanteilen）。对于在各个中间电路电容器的功率提取中的非对称的其它原因在于中间电路电容器的参数差别，由此特别是可能引起不同的泄漏电流；以及在于逆变器的半导体构件的参数差别。特别是导通电压的差别以及不同的开关损耗属于这些后者参数差别。由于这些，即使在逆变器的理想的对称的功率输出的情况下，从各个中间电路电容器的功率提取将具有小的差别。

所有这些直流分量和在电压节点处的由此所引起的电压偏移在运行时间上积分并且导致不再能够保证逆变器的按规定的作用方式。

因此需要对称化，使得一个或多个电压节点被保持在恒定电压上。

电压节点处的电压的恒定保持的可能性在于，将高欧姆电阻分别与中间电路电容器并联。该高欧姆电阻通过放电电流来均匀当前的电压不平衡。该做法的缺点在于出现永久的损耗功率。在此能量以不期望的方式从所有中间电路电容器提取并且被转化为热量。这减小逆变器的效率。此外，对称性作用仅比较弱。

电压节点处的电压的恒定保持的另一可能性在于，将高欧姆电阻分别与中间电路电容器并联，将晶体管或另外的合适的半导体与该电阻串联并且如此操控该晶体管或半导体，使得电流只在以下支路中流动，即在该支路中所施加的电压由于太小的功率提取而提高。在所述晶体管或半导体的合适实施的操控的情况下可能甚至可以放弃所述的高欧姆电阻。在该做法中，相对于首先被提到的可能性能量消耗被减小，因为仅仅从太高电压值被施加到的这个或这些中间电路电容器提取电荷。然而不期望的效果保持：即出现的能量差别被转化为热量并且不被利用。

由DE 10 2004 038 534 A1已知一种用于传动系统中的直流电压中间电路的分压器，该分压器具有拥有两个电容之间的中间抽头和中间抽头处的控制电位的被布置在运行电压源的电位之间的电容串联电路。此外，在运行电压源的电位之间布置有具有所连接的控制输入端的相反导电类型（Leitungstyp）的两个串联的晶体管，其中中间抽头位于所述导电类型之间。电容通过以下方式分别与一种导电类型并联，即在导电类型的中间抽头和电容的中间抽头之间存在导电的连接。布置导电类型，使得第一导电类型中的电流给与第二导电类型并联的电容器充电并且第二导电类型中的电流给与第一导电类型并联的电容器充电。控制输入端借助从运行电压源引出的控制电位来操控。

电压节点处的电压的恒定保持的还另外的可能性在于，具有太高电压的中间电路电容器通过负载或网络通过在逆变器的输出电流中馈入小的直流电压电流分量来放电。然而，这样的调节干预从电网运营商方面是不期望的并且也通过标准的预先规定强烈地限制。即使在其它的负载情况下在这样的调节干预下也可能出现问题。此外，在该还另外的可能性情况下对称化过程只能在网络馈入/功率输出期间被执行。因为这不总是被保证，但是可能永久地需要对称化，所以附加于该调节干预还需要使用各高欧姆电阻与中间电路电容器的上面所描述的并联电路或上面所描述的另外的可能性。

此外存在以下可能性，即为了将电压节点处的电压保持恒定通过非对称的功率分量对分析电子设备、数字电子设备或附加消耗器进行供应。该方案的目的是，利用出现的非对称的功率用于调节、控制和数字电子设备的本来所需的供应或用于附加消耗器。由此不出现附加的系统损耗并且系统效率不被减小。

为此使用多个开关电源部分，所述开关电源部分分别从中间电路电容器中的单独的中间电路电容器被供以能量。调节开关电源部分的功率为，使得相应电压节点处的电压保持恒定。因为开关电源部分通常在施加电压的情况下自主起动，所以不需要附加地使用上面所描述的另外的可能性。借助该可能性尽管电压节点处的电压可以被保持恒定，然而在该可能性情况下对于所有开关电源部分需要电位分开地实施。这意味着高的电路耗费并且引起比较高的成本。

发明内容

具有在权利要求1中所说明的特征的功率电子装置、例如逆变器与此相应地具有以下优点，即电压节点的所期望的对称化损耗低地、以减少的电路耗费并且成本低地被实现，其中出现的非对称的能量被利用。这通过以下方式实现，即具有拥有两个串联的电容器的中间电路的功率电子装置此外具有与两个电容器连接的、导致两个电容器之间的能量均衡的直流电压调节器，其中电压节点位于所述电容器之间，其中开关电源部分与中间电路的电容器之一并联。该直流电压调节器例如可以是降压变换器或升压变换器。

借助根据本发明的功率电子装置实现成本低并且损耗低的对称化以及简单的调节，其中只需要唯一的电位分开的开关电源部分。该功率电子装置的效率相比于已知的解决方案被改善。

附图说明

本发明的其它有利的特性由本发明的随后借助附图的阐述得出。其中：

图1示出具有空转的桥支路形式的3级逆变器拓扑的示意性结构的略图，

图2示出用于阐明用于对逆变器的中间电路的电压节点进行对称的已知设备的实施例的略图，

图3示出用于阐明本发明的第一实施例的略图以及

图4示出用于阐明本发明的第二实施例的略图。

具体实施方式

本发明涉及一种功率电子装置、例如逆变器，该功率电子装置具有拥有两个或更多串联的电容器的中间电路，电压节点分别位于所述电容器之间。随后借助逆变器阐述本发明，该逆变器是功率电子装置的实施例。具有空转的桥支路形式的3级逆变器拓扑的示意性结构的示例在图1中被示出。

在图1中所示出的设备具有中间电路，该中间电路具有两个串联的电容器1和2。电压节点3位于这两个电容器之间。电容器1和2是为了存储能量而被设置的中间电路电容器。此外，在图1中所示出的设备具有节流阀4和5，所述节流阀用作电磁能量存储器。此外设置有开关6、7和8，所述开关是半导体开关、优选地场效应晶体管。此外，所示出的设备具有用作整流器的二极管9。

直流电压U_DC施加在所示出的设备的输入端处。在该设备的输出端处提供交变电压U_AC。

本发明的目的是保证设备的持久运行，其中电压节点3处的电压电位保持在预先给定的界限内并且不在正或负电压的方向上远离。

在图2中示出用于阐明用于对逆变器的中间电路的电压节点3进行对称的已知的、已经在上面描述的设备的实施例的略图。该电压节点3被设置在两个中间电路电容器1和2之间。该中间电路电容器1被布置在未被示出的直流电压源的正电位+和电压节点3之间。该中间电路电容器2被布置在电压节点3和未被示出的直流电压源的负电位-之间。

开关电源部分SNT2与中间电路电容器1并联，该开关电源部分的初级侧由调节IC 12操控并且该开关电源部分的次级侧通过光电耦合器13与调节IC 12连接。开关电源部分SNT2的次级侧示例性地具有两个绕组和两个输出电压，在所述绕组中上面的通过二极管与输出电容器连接，在该输出电容器处可量取输出电压U_AUS1。两个绕组中的下面的通过另外的二极管与另外的输出电容器连接，在该另外的输出电容器处可量取输出电压U_AUS2。

开关电源部分SNT1与中间电路电容器2并联，该开关电源部分的初级侧由调节IC 10操控并且该开关电源部分的次级侧通过光电耦合器11与调节IC 10连接。开关电源部分SNT1的次级侧具有两个绕组，在所述绕组中上面的通过二极管与输出电容器连接，在该输出电容器处可量取输出电压U_AUS1。两个绕组中的下面的通过二极管与第二输出电容器连接，在该第二输出电容器处可量取输出电压U_AUS2。

在该已知的实施方式中，用于所有在系统中所需的电压的两个所使用的开关电源部分必须拥有一个输出端。

在该实施例中，开关电源部分SNT2从中间电路电容器1被供以能量。开关电源部分SNT1从中间电路电容器2被供以能量。在此这样进行开关电源部分SNT1和SNT2的调节，使得电压节点3处的电压保持恒定。因为在该实施例中对于两个开关电源部分需要电位分开的实施，实现引起高的电路和成本耗费。只有当中间电路具有多于两个串联的电容器时，这才相当适用。

图3示出用于阐明本发明的第一实施例的略图，其中前面所描述的高电路和成本耗费被减少并且在两个中间电路电容器之间所需的能量均衡以显著更简单并且成本更低的电位连接的直流电压调节器来实现。

在该第一实施例中设置具有两个串联的中间电路电容器1和2的3级逆变器的支路，电压节点3位于所述中间电路电容器之间。该中间电路电容器1被布置在未被示出的直流电压源的正电位+和电压节点3之间。该中间电路电容器2被布置在电压节点3和未被示出的直流电压源的负电位-之间。

开关电源部分SNT3与中间电路电容器2并联，该开关电源部分的初级侧由调节IC 14操控并且该开关电源部分的次级侧通过光电耦合器15与调节IC 14连接。开关电源部分SNT3的次级侧示例性地具有两个绕组，在所述绕组中上面的通过二极管与输出电容器连接，在该输出电容器处可量取输出电压U_AUS1。两个绕组中的下面的通过另外的二极管与第二输出电容器连接，在该第二输出电容器处可量取输出电压U_AUS2。

此外，在该第一实施例中设置有与中间电路电容器1和2不电位分开的直流电压调节器16，该直流电压调节器是降压变换器。该降压变换器具有开关17、节流阀18和二极管19。该开关17优选地被实现为半导体开关并且被操控为，使得节点3的电位保持在所期望的范围内。开关17的一个端子与正参考电位+连接，开关17的另外的端子被连接到节流阀18的一个端子和二极管19的阴极上。节流阀18的另外的端子与电压节点3连接。二极管19的阳极被连接到负参考电位-上。

开关电源部分SNT3的能量供应从中间电路电容器2、例如从具有较低电位的中间电路电容器来实现。

不电位分开的直流电压调节器16在对称的负荷的情况下在正常运行中具有以下任务，即从上面的中间电路电容器1提取剩余的控制电子设备的所需的供应功率的一半能量并且输送给下面的中间电路电容器2。因为所需供应功率的第二一半从下面的中间电路电容器2提取，所以出现对称的工作点并且逆变器的运行可以以通常的方式进行。

在例如由于调节误差、非对称的网络、构件容差等等而非对称的操控情况下，直流电压调节器的功率被调节或被控制为，使得电压再次被置于其额定值。

用于所需的电压均衡的调节的实现局限于仅仅一个直流电压调节器并且作为调节量仅仅有所述电压节点3处的电压。该调节因此可以比如在图2中所示出的设备中所需的两个开关电源部分的并行操控显著更简单地被实施。

因为在图3中所示出的本发明的第一实施例中内部的电压供应仅仅从下面的中间电路电容器2提取，但是在最不利的情况下必须完全由上面的中间电路电容器提供，所以直流电压调节器16鉴于其有效功率必须根据完全功率被确定尺寸。然而不同于在图2中所示出的实施方案，不需要电位分开。该情况允许在图2中所示出的上面的开关电源部分SNT2由简单的降压变换器来代替。通过由此形成的显著简化的拓扑和变压器通过成本低的节流阀的代替也得出减少的损耗和减少的成本。

如果该开关电源部分与下面的中间电路电容器并联，那么由于开关电源部分耦合到拓扑中的最负电压点上必要时可以舍弃电位分开。在该情况下，必要时也可以浮置地（potentialfrei）实施用于半导体开关的驱动电路。

根据第一实施例的一种替代方案，代替下面的中间电路电容器2，开关电源部分也可以与上面的中间电路电容器1并联地布置。在该情况下，升压变换器被用作直流电压调节器，该升压变换器从下面的中间电路电容器2被供以能量。第一实施例的上面所描述的优点保持。

本发明此外也可以被用在具有多于两个串联的中间电路电容器的多级拓扑中。在该情况下，除了开关电源部分所连接到的中间电路电容器，为每个中间电路电容器这样连接直流电压调节器，使得可能的能量盈余被输送给以下中间电路电容器，即该中间电路电容器的电位与该开关电源部分更近一个等级。该开关电源部分不必、而是可以适宜地被连接到两个外部的中间电路电容器之一上，即或者连接到具有最高电位的中间电路电容器上或者连接到具有最低电位的中间电路电容器上。

图4示出用于阐明本发明的第二实施例的略图。在该第二实施例中，中间电路具有四个相互串联的中间电路电容器1、2、20和21。开关电源部分SNT4在该第二实施例中被连接到中间电路电容器20上或与该中间电路电容器并联地布置。该中间电路电容器20在所示出的实施例中是具有次低的电位的中间电路电容器。在最下面的中间电路电容器21处的升压变换器22将能量盈余转送到位于其上的中间电路电容器20中。在相比于中间电路电容器30具有更高的电位的中间电路电容器1和2中，降压变换器23或24分别将过剩的能量转交给分别相邻的具有其次更低电位的中间电路电容器，使得即使在该情况下开关电源部分的端子处的能量也最终可供使用。

在该装置中，所有直流电压调节器的操控可以中央地通过控制单元来实现，该控制单元从所有中间电路电容器的电压的比较中导出所需的能量流并且相应地操控相应直流电压调节器的各个半导体开关。

然而替代于此，可以通过以下方式分开地操控当前直流电压调节器中的每个，即仅仅该直流电压调节器所连接的两个中间电路电容器的共同节点的电位被用于控制。由此得出电容器电压的成对的对称并且因此按顺序通过直流电压调节器的所选择的布置也得出所有中间电路电容器上的电压的对称化。利用该特征（Ausprägung）可以实现简单并且有利的实施。

如果对于随后的功率电子装置而言单电容器电压的按数值的相等应该是不适宜的，那么也可以利用本发明实现单电容器的特意的所选择的电压比例。

根据另外的未在图中示出的实施例，也可以将开关电源部分连接到另外的中间电路电容器上。

此外，即使当前的中间电路具有与两个或四个不同数量的串联的中间电路电容器，也可以使用本发明。

一般以下关系适用：

k≥2并且n＝k-1，

其中k是中间电路电容器的数量并且n是直流电压调节器的数量。

Claims (12)

1.功率电子装置，所述功率电子装置具有拥有两个串联的电容器的中间电路，电压节点位于所述电容器之间，其中开关电源部分与中间电路的电容器之一并联，其特征在于，它此外具有与所述两个电容器（1、2）和所述电压节点（3）连接的、导致两个电容器之间的能量均衡的直流电压调节器（16）。

2.根据权利要求1所述的功率电子装置，其特征在于，所述直流电压调节器是降压变换器。

3.根据权利要求1所述的功率电子装置，其特征在于，所述直流电压调节器是升压变换器。

4.根据上述权利要求之一所述的功率电子装置，其特征在于，所述直流电压调节器无需电位分开地与所述两个电容器（1、2）和所述电压节点（3）连接。

5.根据上述权利要求之一所述的功率电子装置，其特征在于，所述直流电压调节器具有开关（17）、节流阀（18）和二极管（19）。

6.根据权利要求5所述的功率电子装置，其特征在于，所述开关（17）是半导体开关。

7.根据权利要求5或6所述的功率电子装置，其特征在于，所述节流阀（18）的一个端子与所述电压节点（3）连接。

8.根据权利要求5－7之一所述的功率电子装置，其特征在于，所述节流阀（18）的另外的端子被连接到所述开关（17）和所述二极管（19）之间的连接点上。

9.根据上述权利要求之一所述的功率电子装置，其特征在于，所述中间电路具有k个中间电路电容器和n个直流电压调节器，其中适用：k≥2并且n＝k-1。

10.根据权利要求9所述的功率电子装置，其特征在于，所有直流电压调节器由中央单元操控，所述中央单元由中间电路电容器的所有在系统中存在的单电压的结算来确定操控指令。

11.根据权利要求9所述的功率电子装置，其特征在于，每个直流电压调节器的操控指令单独地从所述直流电压调节器所连接的两个中间电路电容器的共同节点的电位来确定。

12.根据上述权利要求之一所述的功率电子装置，其特征在于，所述功率电子装置是逆变器。