[发明专利]高功率密度逆变器

说明书

本发明涉及输出功率密度高于3000W/dm³的单相非绝缘小型化DC/AC功率逆变器(1)，其中，所述第一开关(S1_H)、第二开关(S1_L)、第三开关(S2_H)和第四开关(S2_L)由宽带半导体制成，并且优选地由氮化镓或者GaN半导体制成；并且其中，所述DC/AC功率逆变器(1)还包括：‑纹波补偿有源滤波器，包括具有与第六开关(S3_L)串联的第五开关(S3_H)的第三半桥(203)，所述第五开关(S3_H)的一端连接到DC输入的正端(L+)，所述第六开关(S3_L)的一端连接到DC输入的负端(L‑)，第五开关(S3_H)的另一端连接到第六开关的另一端(S3_L)，定义第三公共端，所述第三公共端连接到由至少一个电感(L6)和一个存储电容(C5)制成的LC滤波器的第一端，LC滤波器的第二端被连接到负端(L‑)；‑所述第一开关(S1_H)、第二开关(S1_L)、第三开关(S2_H)、第四开关(S2_L)、第五开关(S3_H)和第六开关(S3_L)的调制控制装置，用于提供包括在2kHz0和500kHz之间的开关频率，并且允许在所述第一(201)半桥、第二半桥(202)和半桥第三(203)中的任何两个之间的可变相移，并允许所述半桥(201、202、203)的开关的死区时间调制，以便获得接近ZVS切换的切换，尤其是当电流穿过零时获得切换，并且进一步消除切换损耗，并且使得在有源滤波器中允许高的峰值‑峰值电压变化，同时将相应的能量存储在存储电容(C5)中，其中，共模噪声滤波器(100)的Y电容参被参考为参考电位处的屏蔽，所述屏蔽与地绝缘，所述Y电容具有包括在100nF和几μF之间的值。

技术领域

本发明涉及具有非常高，优选地极其高的输出功率密度的单相、非绝缘、小型化的DC/AC功率逆变器。

背景技术

功率逆变器(或简称逆变器)是将直流电(DC)转换为交流电(AC)的电子装置。特别地，逆变器如今扮演着经济和环境的角色，其在将由太阳能面板、电池或类似电源产生的DC电流转换为用于家用或工业用以及电动汽车用AC电流的构架中越来越重要。

申请人制造的用于商业和工业公司的逆变器允许在配电网故障期间通过使用存储在电池中的能量来挽救其关键应用。由申请人制造的Inverter Media^TM已经允许在2kVA时达到680W/升的功率密度。

例如在太阳能电力生产设施中使用的逆变器仍然具有明显的尺寸(通常为50升或便携式冷却器的尺寸)。体积减小10倍，即通常缩小到比小型笔记本电脑小的尺寸，将能够为更多的家庭提供太阳能，同时提高电网的配电效率和距离范围。未来将致力于更强大、更可靠、更智能的逆变器。

为了实现非常高的功率密度以及因此较小的转换系统，逆变器拓扑结构的设计者主要目标是提高效率和降低共模(CM)噪声。和磁性材料一样，由于半导体材料和加工的改进，已经实现了更高的效率。使用宽带隙半导体(碳化硅-SiC或氮化镓-GaN)允许提高高频功率转换器的效率，而后者允许提高开关频率，从而减小无源元件尺寸。

众所周知，EMI噪声既有传导EMI的形式，即噪声沿着导线或导电路径并通过电子组件传播，还有以辐射EMI(RFI)的形式，即噪声以电磁场或无线电波的形式穿过空气。在高速开关逆变器(典型频率从50kHz到1MHz)中，大部分传导EMI来自开关晶体管和整流器。为了防止这样的EMI噪声，通常使用由无源元件(例如形成LC电路的电容和电感)构成的EMI滤波器。传导EMI分为共模噪声(CMN)和差模噪声(DMN)。CMN在线路和中性AC电源线中以相同方向流动，处于自身相对于地面的相位并返回到地面。合适的CMN滤波器包括与每个电力线串联放置的电感L100、L200以及将每个电力导体接地(在DC/AC转换器的情况下参见例如图1中的CMN滤波器100)的相应Y电容C100、C200。DMN存在于AC线路和中性导体之间，并且与其本身的相位差180°。合适的DMN滤波器包括桥接电力线的C340 X电容(可能由差分抑制电感L300、L400(在DC/AC转换器的情况下参见例如图1中的DMN滤波器101)补充)。