[發明專利]具有卸載網絡的3級脈沖逆變器

有效

• 申請號: 201080065547.X
• 申請日: 2010-12-21
• 公開（公告）號: CN102804570A
• 公開（公告）日: 2012-11-28
• 發明（設計）人: M·W·格克勒
• 申請（專利權）人: 康斯坦茨大學
• 主分類號: H02M1/34
• 分類號: H02M1/34;H02M7/487
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司 72002
• 代理人: 曾立

技術領域

本發明涉及一種電路裝置，所述電路裝置包括至少一個具有卸載網絡的3級脈沖逆變器并且具有用于輸入電壓的正極、負極和中間抽頭的輸入端子以及輸出端子，其中脈沖逆變器具有至少兩個外部的開關元件和兩個內部的開關元件，所述外部的開關元件與用于輸入電壓的正極和負極的輸入端子連接，所述內部的開關元件與輸出端子連接。在這樣的電路裝置中，卸載網絡用于減小脈沖逆變器的開關損耗。

脈沖逆變器由直流電壓源產生一個或多個脈沖式的電壓，所述電壓除脈沖頻率（數kHz至20kHz以上）以外還包含具有可調節的頻率（0至約500Hz）和可調節的電壓有效值的基本振蕩。在例如驅動技術或光伏的多種技術應用領域中需要所述脈沖逆變器。在驅動技術中，在那里大多三相的脈沖逆變器用于饋給感應電機（同步電動機和異步電動機）并且確保低損耗地調節轉速。在光伏領域中，對于電網饋入需要逆變器。太陽能發電機產生直流電流和直流電壓形式的電能。為了使其在交流或者三相電流供電電網中可用，直流電壓或者直流電流必須被轉換成具有電網頻率（50Hz或60Hz）的電網同步的交流或者三相電壓或者電網同步的交流或者三相電流。對于單相電網使用單相的脈沖逆變器，對于三相電流電網使用三相實施方案。類似的電網饋入即使在電驅動的情況下在發電機運行時也是必要的，例如在風力設備中。脈沖逆變器的其他應用領域是所謂的功率因數校正（PFC，Power?Factor?Correction）：如果在從交流電網或三相電流電網中汲取電能或者將電能饋入到交流電網或三相電流電網中時要求高功率因數并且因此要求在很大程度上正弦形的電流，則這可以借助單相的脈沖逆變器或者三相脈沖逆變器實現。

借助于可接通且可關斷的功率半導體來產生脈沖逆變器的脈沖式的輸出電壓。這些功率半導體作為電子開關運行并且在本專利申請中稱作開關元件。功率半導體是被設計用于控制和切換高電流和高電壓（大于1A并且大于約24V）的半導體組件。用于脈沖逆變器的功率半導體的示例是晶體管——例如MOSFET、JFET或IGBT或者可通過控制脈沖接通和關斷的晶閘管——如GTO或IGCT。

在所謂的“硬”切換（Hard?Switching）的情況下，在此在接通過程和關斷過程期間同時出現高電壓值和高電流值和（因此）損耗功率的瞬時值的非常高的值。如果與每秒的接通過程或者關斷過程的數量（所謂的開關頻率）相乘，則得到開關損耗功率的平均值。在開關頻率的值較低（至約1kHz）的情況下，開關損耗功率常常是可忽略的。但在值較高（在10kHz以上）的情況下，開關損耗占主導，整體損耗增大，效率降低并且在開關頻率的值非常高的情況下限制脈沖逆變器的功率。

但在很多情況下，高開關頻率是期望的，例如以便將開關頻率置于超聲范圍中，并且由此避免脈沖逆變器工作時的可聽見的噪聲，或者是強制必需的，例如以便在光伏脈沖逆變器的情況下獲得電網電流的小的畸變因數。高開關頻率也是必需的，以便在低感性的高速三相電流電動機的情況下將電流紋波保持得較小和/或能夠實現高調節動態性。

背景技術

用于減小開關損耗的已知可能性在于，取代2級脈沖逆變器使用3級脈沖逆變器。后者僅僅具有2級脈沖逆變器的開關損耗的約50%，因為在3級脈沖逆變器中切換時的電壓躍變僅僅是2級脈沖逆變器的一半。

減小開關損耗的另一可能性歸于“軟”切換（Soft?Switching）的上位概念。“軟”切換的目的在于在接通過程或者關斷過程期間阻止同時出現高電流值和高電壓值。由此，即使開關頻率具有非常高的值，損耗功率的瞬時值作為電流和電壓的乘積也保持得較小，并且因此接通損耗能量或者關斷損耗能量的值以及開關損耗功率的平均值的值也保持得較小。

對于“軟”切換的實現存在不同的技術，這些技術可以劃分成以下類別：卸載網絡（緩沖電路）、準諧振電路和諧振電路。

例如由US?5,982,646公開了一種所述分類的由3級脈沖逆變器和卸載網絡構成的電路裝置。借助所述電路裝置顯著地減小功率半導體中的開關損耗。但卸載網絡具有損耗地工作，即卸載網絡在其方面產生的損耗通常大于所節省的開關損耗。由此，不可能改善效率。此外，卸載功能的時間變化過程強烈地取決于負載電流的瞬時值。這使得脈沖控制方法變得困難。