專利名稱：葉片架構陣列轉換器的制作方法
葉片架構陣列轉換器相關申請的交叉引用本申請是Kernahan等人于2008年4月2日提交的、題目為“DISTRIBUTED MULTIPHASE CONVERTERS”、共同擁有的美國非臨時申請序列號12/061,025的繼續(xù)部分申 請，其全部內容在此通過引用并入，并且從其要求優(yōu)先權。
背景技術：
基于很多原因，例如關注由人類活動引起的全球變暖、可用的石油和天然氣增加 的成本和潛在的供應不足、甚至用于水力發(fā)電的水資源短缺，因此人們對用于提供能源的 成本有效的方法和材料有極大興趣。大部分焦點投注在有關可再生能源上，尤其是利用光 伏板產生電力。目前，太陽能設備的廣泛使用和電氣安裝能力受多種因素的阻礙。目前的 解決方案遭受效率低下、產品使用壽命短、不良的商業(yè)模式、對大量前期成本的消費抵觸， 如果消費者不繼續(xù)住在配備有太陽能設備的設施中足夠長時間來彌補資本費用，那么就無 法解決上述問題。有效率或缺乏效率，是這些問題的最主要者。例如，參考圖1，本領域的目前狀態(tài)提 供了許多串聯(lián)布置構造的太陽能電池板，然后電池板的能源從直流轉換為交流。然而，由于 串聯(lián)的電池板的任一電池板減少的輸出，使得串列的電池板的效率大大降低。減少輸出的 來源范圍從鳥糞到懸垂樹在部分串聯(lián)電池板上的陰影或部分陰影。圖2是并網光伏系統(tǒng)的實施例，其中由太陽能系統(tǒng)提供的功率并入公用電網系 統(tǒng)。根據現(xiàn)有技術的系統(tǒng)的代表性構造202示出了具有單個逆變器的多個電池板，用于將 電池板提供的直流轉換成交流功率。本發(fā)明的實施方式的代表性實施例是示出的系統(tǒng)204。 請注意，204的每個電池板包括轉換器。安裝成本高，部分原因是電池板的重量及其附屬結構的要求。此外，安裝電池板之 所以可能是危險的，是因為每當電池板可用于照明時，由串聯(lián)的每個電池板形成的高壓直 流線路是通電的。重量和安全因素導致包括至少兩人的工作人員來實施安裝。在本領域中，集中式逆變器的使用迫使太陽能電池板和逆變器分開。在大多數情 況下，這種分開有著相當大的距離，幾英尺。因為在導體上傳輸的直流功率的功率損耗的主 要來源是電流的平方乘以導體電阻，以及低電阻導體的成本高昂并且難以處理，當使用集 中式逆變器時，優(yōu)選高直流電壓。實現(xiàn)高直流電壓的一種方法是將太陽能電池板串聯(lián)布置。 這意味著，在串列的高電壓端的太陽能電池板使所有其內部電路處于高電壓，通常是幾百 伏并在某些情況下近一千伏特。為了防止死亡、受傷、擊穿和火災，這樣的電池板的內部電 路必須絕緣良好。優(yōu)選絕緣材料是玻璃，其可以促進減少太陽能電池板的大量的成本和重 量。本發(fā)明維持中性電位附近的其相關太陽能電池板的內部光電壓。在許多實施方式中， 光伏二極管的內部組沒有一部分超過遠離中性數十伏特，中性非常接近地電勢。陣列轉換 器的高電壓部分尺寸非常小，包括數個平方英寸，并且通常物理上位于太陽能電池板裝置 的背面上。與現(xiàn)有技術的模塊相比，這種布置使得絕緣簡單并且重量輕，這必須在裝置的前 部上的許多平方英尺絕緣，以承受數百伏特的電壓。
太陽能電池板制造商，預計太陽能電池板至少要持續(xù)二十五年。然而，在現(xiàn)在的安 裝中所用的逆變器需要非常大的、高電容的電解電容器。這些電容遭受極端溫度的侵害，特 別是高溫會縮短了它們的使用壽命，如放置在屋頂上的電容。這些電容中的液體將最終從 它們的金屬容器中泄漏出來，并且必須由有經驗的技術員在至少五年中替換。這導致了擁 有的使用壽命總成本的增加。圖3中示出了包括電解電容302的實施例電路。甚至在安裝后，安全還是一個問題。太陽能電池板沒有用于禁用的手段；在發(fā)生火 災或龍卷風或其他災難事件時，太陽能電池板可以變得危險。例如，消防隊員常常會發(fā)現(xiàn)到 達火場的他們的最好通道是通過屋頂，因此他們經常在屋頂鑿一個洞。如果一個消防隊員 用消防斧鑿穿太陽能電池板或其相關線路，尤其如果他或斧頭也與地電勢接觸時，那么結 果可能是致命的。需要的是提高效率、延長總的系統(tǒng)的使用壽命、鼓勵降低消費者的購買成本的商 業(yè)模式的手段，并提供在安裝期間和之后可以安全處理的系統(tǒng)組件。

發(fā)明內容
在許多現(xiàn)有技術系統(tǒng)中，稱為“微逆變器”的小型逆變器連接到太陽能電池板，從 而形成完整的直流至交流的模塊。該模塊向負載提供電源，例如220伏特60Hz的交流。多 個這樣的模塊并聯(lián)(具有附屬相位同步的需求)以提供附加的功率容量。相反，在本發(fā)明的 實施方式中，太陽能電池板向脈沖幅度電流轉換器提供直流電流，以形成直流至脈沖幅度 電流轉換器模塊，命名為“PAMCC”。單個PAMCC的輸出不提供設計的電源，反而多個PAMCC 的輸出異相相加，從而形成分布式多相轉換器系統(tǒng)，其向負載提供電源。在現(xiàn)有技術中，大電解電容是系統(tǒng)的一部分，用于將直流電流轉換成交流?，F(xiàn)有技 術解決方案具有不連續(xù)的輸入電流，并需要大電容，以通過將光子轉換成電流的光伏電池 將這種不連續(xù)的流動轉換成連續(xù)的電流流動。在本發(fā)明中，電流模式的輸入和輸出允許電 容尺寸縮小而低于電解(或基于其他易揮發(fā)液體)技術的要求。利用來自光伏二極管的連 續(xù)模式電流輸入，用于正弦波重建的能量存儲被感應地執(zhí)行。這降低了脈沖成形的電容的 作用。該設計的可靠性由半導體邊緣效應、電感絕緣和核心材料邊緣以及熱循環(huán)驅動機械 應力來決定。隨著電解電容的技術限制被消除，25年以上的使用壽命是可能的。在模塊網格接口處的高壓將接口處的一般電流降低至原來的七分之一，并將電阻 的公差改善至50倍。連接器系統(tǒng)從幾十毫歐變化到幾歐姆，降低了接觸表面和材料要求， 同時提高對氧化和污染的耐受性。例如200瓦、220伏的兩相陣列轉換器需要910毫安，并 且為了百分之一的功率損耗可以容許高達約2. 4歐姆的互連電阻。相反，集成在串聯(lián)串列 中的30伏直流、200瓦的傳統(tǒng)太陽能電池板將需要約6. 6安培，并為了相同的百分之一的功 率損耗可以容許最多0. 045歐姆的互連電阻。在陣列轉換器架構中，用于兩相的電流路徑通過兩個方向中的相同線圈。這導致 兩相中一致的電流流動。不管所檢測到的電網異常如溢出的電壓或者本地或遠程起始關機命令如何，本發(fā) 明的電池板被關機至安全狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，內部PV陣列為開路，內部電感放電并且內 部功率半導體器件開路。在這種狀態(tài)下，消防斧將經歷至多內部PV陣列的開路電壓，一般 為40V。既然內部PV陣列的安全狀態(tài)是開路，對于斧頭將形成兩個短路(一個接地)，從而經歷電流或電壓。由于陣列轉換器的平衡的拓撲結構，二極管陣列的正端將趨于被定位成高于中性 某個電壓，而負端以大約相同的電壓位于中性之下。這設置直流電弧電壓遠遠低于最小觸 發(fā)電勢。以此方式限制內部陣列電壓以及PV二極管陣列(由于連續(xù)導通模式的輸入電流) 中幾乎全部缺失的AC組件，在很大程度上消除了在高壓直流串應用中出現(xiàn)的至地面的嚴 格漏電路徑的規(guī)格需要。這簡化了 PV二極管陣列邊緣和模塊框架之間的模塊構造，以及內 部陣列的背面和模塊背面之間的模塊構造。例如如果連接在接地框架和內部PV二極管陣 列之間的電池板的450V最大串組的漏電要求為2微安，那么絕緣要求是225兆歐。在PV 二極管陣列和中性之間最大30V的陣列轉換器中，同樣的泄漏可能只需要15兆歐絕緣。相 對于地面的PV 二極管陣列的低標稱工作電壓也允許低電壓放電間隙和MOV組件的使用，改 善用于閃電和電暈放電(天線)和其他高電壓效應的至地面的路徑。實用電解電容器根本不適合高溫中長使用壽命的應用場合。現(xiàn)有的太陽能逆變器 拓撲結構使用電容，以將PV 二極管陣列從電流源轉換為電壓源，并在交流波形中將能量從 最低點移至最高點?，F(xiàn)有技術途徑所需的電容密度需要電解技術。為了解此限制，考慮以下內容鋁電解電容器通常是由兩個導電鋁箔構造，其中之 一就是通常覆蓋有鋁氧化物作為電介質，而絕緣間隔紙片浸泡在電解液中以物理上符合與 電介質的對側。通過氧化層絕緣的鋁箔是陽極，而電解液和第二箔用作陰極。電解質可以是硼酸或在水溶液中與化學物質相結合的硼酸鈉，以減慢如乙烯乙二 醇的蒸發(fā)。由于電解液蒸發(fā)，并且每降低10攝氏度蒸發(fā)加倍，設計壽命是時間和溫度的函 數。例如如果一般電解電容在45度有15年的設計壽命，在遭受85度時，其壽命將下降至 不到一年的時間。即使在此溫度下只花費了其壽命的1/12 (6小時一日，一年的四個夏季月 份)，對于太陽能陣列，它的壽命將低于目標25年的1/2。注意，這是該技術的內在限制，與 拓撲結構或電路設計沒有關系。為了消除電解電容，新的拓撲結構是必需的。這種新的拓撲結構必須在恒流模式 連接PV 二極管陣列，并使用感應存儲在交流波形中將能量從最低點移至最高點。多相脈沖 幅度調制系統(tǒng)實現(xiàn)了這些要求，消除了電解電容器技術的需要。實施本發(fā)明的合適的拓撲結構包括一個或多個直流源，其向任何組合中的一個或 多個陣列轉換器提供直流。例如，在本發(fā)明的一個實施方式中，單個直流源向多個例如8個 陣列轉換器提供電流以形成交流源。這種陣列轉換器有時是可拆除的，使得通過在該系統(tǒng) 安裝陣列轉換器或從該系統(tǒng)拆除陣列轉換器，包括該系統(tǒng)的陣列轉換器的數量可以增加或 減少。在另一示例性拓撲結構中，至少一些陣列轉換器從多個直流源例如兩個太陽能光伏 板接收電流。


圖1示出了現(xiàn)有技術的實施例和本發(fā)明的簡單實施例。圖2示出了并網光伏系統(tǒng)的實施例。圖3示出了當前技術的實施例?，F(xiàn)有技術。圖4示出了根據本發(fā)明的單脈沖幅度調制電流轉換器的實施例。圖5示出了脈沖幅度調制電流轉換器，其中晶體管完善電路使其為電感充電，同時重建濾波器產生電流脈沖電網正半個相位。圖6示出了脈沖幅度調制電流轉換器，其中電流流進重建濾波器電網正半個相 位。圖7示出了脈沖幅度調制電流轉換器，其中晶體管完善電路使其為電感充電，同 時重建濾波器產生電流脈沖電網負半個相位。圖8示出了脈沖幅度調制電流轉換器，電流流進重建濾波器電網負半個相位。圖9涉及驅動信號與電流的時序。圖10示出了電流正弦波中的電流的哪些部分將在一些下面的附圖中詳細分析。圖11示出了由單脈沖幅度調制電流轉換器提供的脈沖。圖12示出了由雙脈沖幅度調制電流轉換器提供的脈沖及其總的、相加的電流。圖13示出了由八脈沖幅度調制電流轉換器提供的脈沖及其總的、相加的電流。圖14示出了單脈沖幅度調制電流轉換器的可選電路。圖15示出了單脈沖幅度調制電流轉換器的電路，其中轉換器可以被禁用。圖16是單個直流源的實施例，其向多個脈沖幅度調制電流轉換器提供電流以形 成普通負載的電源。一些實施方式的詳細描述一些術語的定義
權利要求
1.一種轉換電功率的系統(tǒng)形式，所述系統(tǒng)包括兩個或多個直流電流源；脈沖幅度調制電流轉換器(“轉換器”)，該轉換器連接到每個直流電流源，其中，每個 所述轉換器從其各自的直流電流源接收直流電流，并且在該轉換器的輸出端子提供脈沖幅 度調制電流脈沖，并且另外其中每個轉換器的輸出端子與所述系統(tǒng)中的所有其他所述轉換 器的輸出端子并聯(lián)地電連接，并且另外其中至少兩個轉換器的電流脈沖相對彼此異相，從 而將所有所述轉換器的電流脈沖相加的操作使得調制在所述轉換器的脈沖輸出上的信號 被解調。
2.根據權利要求1所述的系統(tǒng)，其中每個轉換器的電流脈沖相對所有其他轉換器的電 流脈沖異相。
3.根據權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述信號是60周期的交流電壓。
4.根據權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述信號是近似固定值的直流電壓。
5.根據權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述信號是方波。
6.根據權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述信號是三角波。
7.根據權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述信號是高斯波。
8.根據權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述信號提供用于傳送數據的通信信號。
9.根據權利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述通信信號從給定轉換器向所述系統(tǒng)中的至少 一個其他轉換器提供數據。
10.根據權利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述通信信號從給定轉換器向所述系統(tǒng)中的所 有其他轉換器提供數據。
11.根據權利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述數據包括相位數據。
12.根據權利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述數據包括控制命令。
13.根據權利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述數據包括操作數據。
14.根據權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述兩個或多個直流電流源是光伏板。
15.根據權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述兩個或多個直流電流源是風力發(fā)電設備。
16.根據權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述兩個或多個直流電流源是潮汐發(fā)電設備。
17.根據權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述兩個或多個直流電流源是壓電發(fā)電設備。
18.根據權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述兩個或多個直流電流源是電池。
19.根據權利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述通信信號疊加在所述信號上。
20.根據權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述電流脈沖被調整以減小所述信號的任何失真。
21.一種用于轉換電功率的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括直流電流源；多個脈沖幅度調制電流轉換器(“轉換器”)，所述多個脈沖幅度調制電流轉換器連接 到所述直流電流源，其中，每個所述轉換器從所述直流電流源接收直流電流，并且每個所述 轉換器在該轉換器的輸出端子提供脈沖幅度調制電流脈沖，并且另外其中每個轉換器的所 述輸出端子與所述系統(tǒng)中的所有其他所述轉換器的輸出端子并聯(lián)地電連接，并且另外其中 至少兩個轉換器的電流脈沖相對彼此異相，從而將所有所述轉換器的電流脈沖相加的操作 使得調制在所述轉換器的脈沖輸出上的信號被解調。
22.根據權利要求21所述的系統(tǒng)，其中每個轉換器的電流脈沖相對所有其他轉換器的 電流脈沖異相。
23.根據權利要求21所述的系統(tǒng)，其中所述信號是60周期的交流電壓。
24.根據權利要求21所述的系統(tǒng)，其中所述信號是近似固定值的直流電壓。
25.根據權利要求21所述的系統(tǒng)，其中所述信號是方波。
26.根據權利要求21所述的系統(tǒng)，其中所述信號是三角波。
27.根據權利要求21所述的系統(tǒng)，其中所述信號是高斯波。
28.根據權利要求21所述的系統(tǒng)，其中所述信號提供用于傳送數據的通信信號。
29.根據權利要求觀所述的系統(tǒng)，其中所述通信信號從給定轉換器向所述系統(tǒng)中的至 少一個其他轉換器提供數據。
30.根據權利要求觀所述的系統(tǒng)，其中所述通信信號從給定轉換器向所述系統(tǒng)中的所 有其他轉換器提供數據。
31.根據權利要求觀所述的系統(tǒng)，其中所述數據包括相位數據。
32.根據權利要求觀所述的系統(tǒng)，其中所述數據包括控制命令。
33.根據權利要求觀所述的系統(tǒng)，其中所述數據包括操作數據。
34.根據權利要求21所述的系統(tǒng)，其中所述直流電流源是光伏板。
35.根據權利要求21所述的系統(tǒng)，其中所述直流電流源是風力發(fā)電設備。
36.根據權利要求21所述的系統(tǒng)，其中所述直流電流源是潮汐發(fā)電設備。
37.根據權利要求21所述的系統(tǒng)，其中所述直流電流源是壓電發(fā)電設備。
38.根據權利要求21所述的系統(tǒng)，其中所述直流電流源是電池。
39.根據權利要求觀所述的系統(tǒng)，其中所述通信信號疊加在所述信號上。
40.根據權利要求21所述的系統(tǒng)，其中所述電流脈沖被調整以減小所述信號的任何失真。
全文摘要
直流到脈沖幅度調制(“PAM”)的電流轉換器，命名為“PAMCC”，連接到獨立直流源。一些實施方式為陣列中的每個直流源提供PAMCC，陣列例如是多個太陽能電池板。PAMCC接收直流，并且在其輸出提供脈沖幅度調制電流。相對于脈沖序列上的調制信號，產生高頻脈沖。脈沖序列上的調制信號可以表現(xiàn)為部分低頻正弦波或其他較低頻率的波形，包括DC。當PAMCC的輸出與類似的PAMCC的輸出并聯(lián)連接時，PAMCC陣列形成，其中PAMCC的輸出脈沖相對彼此異相。根據本發(fā)明構成的PAMCC陣列形成分布式多相逆變器，其組合輸出是通過每個PAMCC調制的電流脈沖幅度的解調總和。
文檔編號H03K7/02GK102047557SQ200980120305
公開日2011年5月4日 申請日期2009年4月2日 優(yōu)先權日2008年4月2日
發(fā)明者索林·斯派諾科, 肯特·科納罕 申請人:艾瑞肯弗特公司