電容器裝置以及電壓變換器裝置的制造方法
【技術(shù)領域】
[0001]本實用新型涉及一種用于電壓變換器的輸入電路或中間電路的電容器裝置(arrangement)，以及涉及一種電壓變換器和一種用于電壓變換器的操作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電壓變換器用于將一個輸入電壓轉(zhuǎn)換為一個輸出電壓。在這種情況下，輸入和輸出電壓在其幅值和在其電壓類型(也就是說，DC電壓(DC-直流)或AC電壓(AC-交流))方面都可以不同。因此，在本申請的上下文中的電壓變換器應該被理解為具體地是指DC電壓變換器，在下文中也被指定為DC/DC變換器，以及逆變橋，在下文中也被指定為DC/AC變換器。例如在光伏設施、燃料電池系統(tǒng)中使用的或在本地供電系統(tǒng)中用于電池饋電備用電力設施的逆變器具有作為輸出級的至少一個DC/AC變換器，在該DC/AC變換器的上游，可以將一個DC/DC變換器作為輸入級進行連接。在逆變器中，連接到上游的這種DC/DC變換器通常用來在該逆變器的輸入端增加電壓變化范圍。通過舉例，當在光伏設施中使用逆變器時，如果該光伏設施的光伏模塊的操作點以一種依賴于日照和負載的方式變化，則存在于該逆變器的輸入電壓改變。
[0003]在許多使用情況中，為電壓變換器饋電的電源的電壓不是恒定的。通過舉例，如果該光伏設施的光伏模塊的操作點以一種依賴于日照和負載的方式變化，該電壓在光伏設施中改變。在電池饋電備用電力設施中，電池電壓作為電壓變換器的輸入電壓依賴于所傳輸?shù)呢撦d和電池的荷電狀態(tài)。燃料電池的電池電壓作為電壓變換器的輸入電壓同樣精確地在低負載范圍內(nèi)以一種特殊的程度變化。一個附加的因素是在許多情況下人們希望能夠?qū)⒉煌愋偷腜V模塊、燃料電池或電池連接到電壓變換器上，這樣使得該變換器的最大可能的輸入電壓范圍使得最大可能的靈活性成為可能。
[0004]電壓變換器通常不連續(xù)地加載連接到其輸入端的電源。例如，這是由一個非連續(xù)的功率流在所輸出的AC電流的情況下引起的，或者是由在該電壓變換器中的功率半導體開關(guān)的脈沖式切換引起的。為了將在該電源處發(fā)生的電壓降(由于電流以一種非連續(xù)方式被牽引)最小化，并且因此使得從該電源牽引的一個高平均功率成為可能，通常在電壓變換器的輸入端提供一個電容器裝置。在最簡單的情況下，所述電容器裝置由一個與該電壓變換器的輸入端并聯(lián)連接的電容器組成。在一種裝置包括多個電壓變換器的情況下，如果這種電容器裝置被定位在兩個電壓變換器之間，其通常被指定為一個中間電路電容器裝置。在本申請的上下文中，獨立于該電容器裝置的位置，以一種概括的方式，在下文中，該電容器裝置被設置在其中的電路被指定為中間電路(按常規(guī)術(shù)語)。該電容器裝置的電容是基于在非連續(xù)電流牽引(電壓紋波)期間能夠提供容差的最大電壓降的幅值、操作參數(shù)、電壓變換器的拓撲結(jié)構(gòu)以及具體地用于最大能量轉(zhuǎn)換的最小電壓而選擇的。在光伏領域中的逆變器的情況下，具有一個幾毫法拉電容的輸入或中間電路電容器對于電壓變換器而言不是不尋常的。同時，應用到電容器裝置上的電壓在1000伏特或者更大的范圍內(nèi)。具有這種電容和介電強度的電容器大且重。此外，電容器是昂貴的并且在某種情況下只可供用于一個不充分的程度。對于一個期望的電容，如果具有所需的介電強度的電容器是不能得到的，將具有更低介電強度的兩個電容器串聯(lián)連接是已知的。理想地，存在于由這兩個電容器形成的該串聯(lián)電路中的電壓的一半然后在各種情況下存在于這兩個電容器處。然而，由于部件公差，不同的電容器在其特性(例如，就其內(nèi)電阻和其泄漏電流而言)方面不同。其結(jié)果是，在操作期間，在這兩個串聯(lián)連接的電容器處可以建立不同的電壓，該操作減少了可以被整體使用的電壓范圍。為了匹配電壓，將在這兩個電容器之間的中心抽頭經(jīng)由一個電阻電橋或經(jīng)由一個具有有源切換元件的電橋引入到準確地位于在該電容器裝置的連接處的電勢之間的一個電勢上是已知的。然而，在由電容器形成的該串聯(lián)電路的情況下，該電容器裝置的總電容減少到僅僅是電容器之一的電容的一半的一個值。
【實用新型內(nèi)容】
[0005]因此，本實用新型的一個目的是限定一種用于可以在寬電壓范圍內(nèi)操作并且可以提供具有小電壓波動的非連續(xù)功率流(即使流入到該輸入側(cè)上的功率是基本上恒定的)的電壓變換器的輸入電路、輸出電路或中間電路的電容器裝置。一個進一步的目的是限定一種包括這種電容器裝置的電壓變換器裝置以及一種用于這種電壓變換器的操作方法。
[0006]根據(jù)本實用新型，可以通過一種用于電壓變換器的輸入電路或中間電路的電容器裝置來實現(xiàn)這一目的，該電容器裝置包括至少兩個電容器，其中設置了切換構(gòu)件，借助于切換構(gòu)件，該至少兩個電容器以一種在一個第一操作狀態(tài)中并聯(lián)連接而在第二操作狀態(tài)中串聯(lián)連接的方式連接到連接節(jié)點。在電容器的情況下，能含量作為電壓的平方增加。因此，當從一個具有一個給定電容的電容器牽引功率時，電壓降的幅值在更高電壓處比在更低電壓處小。相反地，為了防止電壓下降超出一個特定量，這意味著在中間電路中在更高電壓處僅僅需要比在更低電壓處更小的電容。本實用新型利用這種洞察力借助于提供的切換構(gòu)件憑借電容器裝置是由兩個電容器并聯(lián)連接地或可替代地串聯(lián)連接地連接形成的這一事實。當這兩個電容器是并聯(lián)連接的時(具有相應地更低最大輸入電壓)，可以在該第一操作狀態(tài)中提供這兩個電容器的電容的和。在第二操作狀態(tài)中，該電容是更低的，但是實現(xiàn)了例如在光伏模塊的空載操作期間所需的高介電強度。因此本實用新型采用介電強度和高電容不是同時所需的這一事實。
[0007]半導體開關(guān)IGBT或MOSFET可以被作為切換構(gòu)件使用。優(yōu)選地，可以基于存在于連接節(jié)點處的電壓來通過控制單元切換切換構(gòu)件。
[0008]在該電容器裝置的一個進一步的有利配置中，通過在一個第三操作狀態(tài)中電荷被阻止流入該至少兩個電容器這樣一種方式來設置和體現(xiàn)該切換構(gòu)件。在這個第三操作狀態(tài)中，在這兩個電容器串聯(lián)連接的情況下，該電容器裝置因此可以被暴露于仍然超過該最大電壓的電壓。如果電容器不再進行充電，所述電容器也不再有效地為輸入電路或中間電路提供一個電容。然而，盡管在該輸入電路或中間電路中存在一個高電壓，如果沒有或僅有小電流流動，第三操作狀態(tài)可以被有利地使用。憑借在該電壓范圍中從輸入電路或中間電路將電容有效地去耦這一事實，電容可以被設計用于一個比該最大電壓更小的電壓，而不會損害電壓變換器的功能性或包括電源和電壓變換器的系統(tǒng)的功能性。
[0009]根據(jù)本實用新型的一種包括用于光伏設施的DC/DC變換器和/或DC/AC變換器的電壓變換器裝置的特征在于在輸入電路、輸出電路或中間電路中的一個這種類型的電容器裝置。該電壓變換器裝置所產(chǎn)生的優(yōu)勢對應于結(jié)合該電容器裝置所提到的優(yōu)勢。
[0010]在該電壓變換器裝置的一個有利配置中，一個DC/DC變換器被分配給該電容器裝置的電容器中的一個對應的電容器。特別優(yōu)選地，在這種情況下，被分配給電容器的DC/DC變換器中的每一個在各種情況下具有兩個串聯(lián)連接的半導體切換元件，其中這兩個串聯(lián)連接的半導體切換元件中的至少一個是有源可切換的。以此方式，可以在該電壓變換器裝置中使用具有一個更低介電強度的半導體切換元件。在該電容器裝置的情況下，關(guān)于電容器的所需介電強度，根據(jù)本實用新型提供的優(yōu)勢因此也被應用于在電壓變換器裝置中的半導體切換元件。
[0011]一種用于操作這種類型的電壓變換器裝置的方法通過基于一個存在于該電容器裝置的連接節(jié)點處的電壓這個事實進行區(qū)分，該至少兩個電容器或者在一個第一操作狀態(tài)中并聯(lián)互連或者在一個第二操作狀態(tài)中串聯(lián)互連。該操作方法所產(chǎn)生的優(yōu)勢對應于所提到的與該電容器裝置有關(guān)的優(yōu)勢。
[0012]根據(jù)該操作方法的一個有利配置，如果存在于連接節(jié)點處的電壓小于一個預定義的第一閾值電壓，則采用該第一操作狀態(tài)。如果所述電壓大于該第一閾值電壓，則采用該第二操作狀態(tài)。根據(jù)一個進一步的有利配置，可以用一個切換滯后來提供操作狀態(tài)的改變，在該滯后中該操作狀態(tài)被維持在一個在該第一閾值電壓附近的滯后帶中并且僅當該帶在左邊時操作狀態(tài)的改變被初始化(如果適當)。這使得可以避免由于該第一閾值電壓僅被輕微地或瞬時地超過或未達到而產(chǎn)生的不必要改變。
[0013]在該操作方法的一個進一步的有利配置中，提供了一個第三操作狀態(tài)，在該操作狀態(tài)中通過沒有發(fā)生電荷流入電容器這樣一種方式將該至少兩個電容器從該輸入電路或中間電路上去耦。優(yōu)選地，在這種情況下，如果存在于連接節(jié)點處的電壓小于一個預定義的第一閾值電壓，則米用該第一操作狀態(tài)，如果所述電壓大于該第一閾值電壓并且小于一個第二閾值電壓，則采用該第二操作狀態(tài)，以及如果所述電壓大于該第二閾值電壓，則采用該第三操作狀態(tài)，其中該第二閾值電壓大于該第一閾值電壓。
[0014]本實用新型提供了一種電容器裝置，其用于電壓變換器的輸入電路或中間電路，所述電容器裝置包括至少兩個電容器和兩個連接節(jié)點，設置了切換構(gòu)件，借助于該切換構(gòu)件，該至少兩個電容器在第一操作狀態(tài)中并聯(lián)連接到該連接節(jié)點，而在第二操作狀態(tài)中串聯(lián)連接到該連接節(jié)點，其中，設置了控制單元，該控制單元被設計成用于基于存在于該連接節(jié)點處的電壓來切換該切換構(gòu)