使用具有交错运行的中性点耦合电路的电力转换器设备和方法

摘要

一种电力转换器设备，例如不间断电源(UPS)，其包含逆变器，逆变器具有被耦合到第一DC母线以及第二DC母线的输入，并被配置为在其相输出端子上相对于中性端子产生AC输出。该设备还包含：第一与第二中性点耦合电路，其各自被配置为有选择地将第一DC母线和第二DC母线耦合到中性端子；控制电路，其被配置为产生中性点耦合电路的交错运行。

说明书

技术领域

本发明涉及电力转换设备和方法，特别涉及逆变器设备及其运行方法。

背景技术

逆变器用在多种不同的电力系统应用中，包括不间断电源(UPS)、电力调节器以及发电机/市电网接口。在典型的在线式UPS中，例如，整流器可被用于从市电电源等AC源向DC母线提供电力，电池可被耦合到DC母线，以便在AC源故障时向DC母线提供辅助电力。耦合到DC母线的输出逆变器可用于产生AC电力。其他类型的UPS可不使用输入整流器，但可包含类似的耦合到DC母线的输出逆变器，DC母线沿着类似的思路由后备电池供电。

已经开发出多种技术来改进逆变器设备的性能。例如，授予Tracy等人的美国专利No.7,088,601介绍了一种电力转换器设备，例如在线式或线路交互式UPS，其包含耦合到第一与第二DC母线的DC/AC转换器。使用被配置为有选择地将DC母线耦合到中性点的半桥电路，相对于输出中性点移动DC母线之间的电压范围。这样的中性点耦合技术可用于减小开关损耗和部件应力。授予West的美国专利No.7,046,527介绍了一种用于将分布式能量系统(例如光电阵列、燃料电池、风力涡轮机等)连接到市电网的逆变器，逆变器包含多个高频开关元件，其以同步、时间偏斜(time-skewed)的布置运行，以便提供纹波电流的可能的减小。

发明内容

在本发明的某些实施例中，电力转换器设备包含逆变器，其具有被耦合到第一DC母线以及第二DC母线的输入，并被配置为在其相输出端子上相对于中性端子产生AC输出。该设备还包含：第一与第二中性点耦合电路，其各自被配置为有选择地将第一DC母线和第二DC母线耦合到中性端子；控制电路，其被配置为产生中性点耦合电路的交错(interleaved)运行。

根据其他的实施例，控制电路包含：脉宽调制电路，其被配置为产生包含一系列脉冲的脉冲串信号，脉冲具有响应于控制变量变化的宽度；驱动电路，其被配置为响应于脉冲串信号的相应的交错脉冲组驱动中性耦合电路中的相应各个。脉冲串信号可以为第一脉冲串信号，驱动电路可包含：脉冲分离电路，其被配置为产生包含与交错脉冲组的相应各个对应的相应脉冲串的第二与第三脉冲串信号；相应的第一与第二驱动电路，其响应于第二与第三脉冲串信号的相应各个对中性点耦合电路的相应各个进行驱动。第一脉冲串信号的频率可以是第二以及第三脉冲串信号的频率的两倍或更多倍。第二以及第三脉冲串信号的脉冲可具有第一脉冲串信号的对应脉冲的脉冲宽度的整数倍的脉冲宽度。

在本发明的其他实施例中，UPS包含相输出端子、中性端子、第一DC母线以及第二DC母线。共模电感器具有耦合到第一DC母线和第二DC母线中的一个的第一端子以及被配置为耦合到电池的第二端子。滤波器电容器被耦合在共模电感器的第二端子与中性端子之间。逆变器被耦合到第一DC母线和第二DC母线，并被配置为在相输出端子上相对于中性端子产生AC输出。第一与第二中性点耦合电路并联耦合在第一DC母线与第二DC母线之间，并各自被配置为有选择地将第一DC母线以及第二DC母线耦合到中性端子。控制电路提供中性点耦合电路的交错运行。控制电路可被配置为控制中性点耦合电路，以便使得第一DC母线与第二DC母线之间的电压范围相对于中性端子移动。逆变器可包含第一与第二并联连接的相耦合电路，其被配置为以交错方式有选择地将第一DC母线与第二DC母线耦合到相输出端子。

本发明的某些实施例提供了运行电力转换设备的方法，该设备包含逆变器，逆变器被耦合到第一与第二DC母线并被配置为在相输出端子上相对于中性端子产生AC输出。提供第一与第二中性点耦合电路，其各自被配置为有选择地将第一DC母线与第二DC母线耦合到中性端子。第一与第二中性点耦合电路的运行是交错的，同时，运行逆变器，以便相对于中性端子产生AC电压。

附图说明

图1为一原理图，其示出了根据本发明某些实施例的UPS；

图2为一原理图，其示出了根据本发明进一步的实施例的UPS；

图3为一原理图，其示出了根据本发明某些实施例的中性点耦合控制电路；

图4为一定时图，其示出了根据本发明进一步的实施例的图3的控制电路的示例性运行；以及

图5为一原理图，其示出了根据本发明更进一步的实施例的UPS的部分。

具体实施方式

现在将参照附图介绍本发明的具体示例性实施例。然而，本发明可以以多种不同的形式实现，不应看作限制在这里所述的实施例，相反，提供这些实施例以便使本公开彻底且完整，并向本领域技术人员充分传达本发明的范围。在附图中，类似的号码表示类似的元件。将会明了，当一元件被称为被“连接”或“耦合”到另一元件时，其可被直接连接或耦合到另一元件，或者可能存在中间的元件。这里所用的术语“和/或”包括一个或一个以上的相关所列项的任何以及全部组合。

这里所用的术语仅仅出于说明特定实施例的目的，不是为了本发明进行限制。这里所用的单数形式“一”、“一个”、“该”也包括复数形式，除非明确地另有说明。还将明了，术语“包括”、“包含”、“含有”、和/或“具有”在用在本说明书中时，说明所述结构元件、整体、步骤、操作、元素和/或部件的存在，但不排除存在或附加了一个或一个以上的其他结构元件、整体、步骤、操作、元素、部件和/或其组合。

除非另有限定，这里所用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属领域普通技术人员通常理解的相同的含义。还应明了，常用字典中定义的术语应当解释为具有与其在本说明书以及相关技术背景下的含义一致的含义，不应以理想化或过于拘泥字面的形式解释，除非这里明确地这样限定。

本领域技术人员将会明了，本发明可被实现为系统和方法。本发明的某些实施例可包括软件和/或硬件。本发明的某些实施例包含电路，其被配置为提供这里介绍的功能。将会明了，这些电路可包含模拟电路、数字电路以及模拟与数字电路的组合。

图1示出了根据本发明某些实施例的电源设备。具体而言，图1示出了在线式UPS，其包含在这里被示为耦合到整流器110的输出的第一与第二DC母线115a、116b，整流器110被配置为在相输入端子VA、VB、VC上接收来自AC电源的电力。UPS还包含逆变器120，其被耦合到DC母线115a、115b并被配置为在相输出端子VA’、VB’、VC’上相对于中性端子N产生AC输出。电池转换器电路130被耦合到DC母线115a、115b，并被配置为从电池170向DC母线115a、115传送电力以及从DC母线115a、115传送电力。

如进一步示出的，UPS包含中性点耦合电路144，其耦合在DC母线115a、115b之间，并被配置为经由相应的电感器146将DC母线115a、115b有选择地耦合到中性端子N。中性点耦合电路144可用于控制DC母线115a、115b以及中性端子N之间的关系。例如，中性点耦合电路144的占空比可被改变以便相对于中性端子N移动DC母线115a、115b，使得可在相应的DC母线115a、115b相对于中性端子N的电压之间产生不对称。对于例如在前面提到的授予Tracy等人的美国专利No.7,088,601--其整体并入此处作为参考--中所介绍的逆变器120，这样的技术可用于实现增大的电力转换效率和减小的部件应力。

在所示出的实施例中，电池170被相应的共模电感器150a、150b耦合到DC母线115a、115b，而相应的滤波器电容器160a、160c将电池170的端子AC耦合到地节点。根据本发明某些实施例，共模电感器150a、150b可用于限制可能在DC母线115a、115b与电池170之间感应的相对较高频率的电流，其由于中性点耦合电路144的开关操作产生。这与滤波器电容器160a、160b结合可减小电池170的端子上的电压漂移。

根据本发明进一步的实施形态，性能可进一步通过提供交错中性点耦合控制电路142来改进，该电路被配置为以交错方式运行中性点耦合电路144，例如，控制电路142可产生中性点耦合电路144的互补开关装置对，以便以交替的模式开关。这样的交错开关可减小经过共模电感器160a、160b的电流，因此，可允许使用较小的电感器。另外，这些电流的减小可进一步减小电池170的端子上的电压漂移，这可使得相对较小的滤波器电容器160a、160b的使用成为可能。例如，这样的技术可允许对于电池170使用地基准池监视电路。这样的布置也可支持对于多个UPS使用共用电池连接。例如，电池170可以以类似的方式连接到具有图1所示无变压器拓扑的多个UPS，而不会有多个UPS的不同步运行，不同步运行导致由于UPS开关装置运行所产生不同步电压漂移导致的过大的循环电流的产生。这在大型或模块化UPS应用中特别有利。

图2示出了根据本发明进一步的实施例的逆变器210、中性点耦合电路230、电池转换器电路220的示例性实现。逆变器包含耦合在第一与第二DC母线215a、215b之间的多个半桥电路。各个半桥包含具有相关联的二极管的绝缘栅型双极型晶体管(IGBT)的互补对。半桥电路以并联对布置，即半桥的相应对被耦合到相应的相输出端子A、B、C，半桥的相应各个被相应的电感器L1a、L1b、L2a、L2b、L3a、L3b耦合到相输出端子。

中性点耦合电路230和电池转换器电路220被类似地布置。中性点耦合电路230包含并联连接的半桥，其经由相应的电感器L4a、L4b被耦合到接地中性输出端子N。电池转换器电路220包含并联连接的半桥电路，其被耦合到相应的电感器L5a、L5b。电感器L5a、L5b共同耦合到第一共模电感器250a，第一共模电感器250a也被耦合到电池270的正端子。电池270的负端子被第二共模电感器250b耦合到负DC母线215b，第二共模电感器250b可被磁耦合到第一共模电感器250a(例如，通过使用共用磁芯上的分立绕组)。相应的滤波器电容器260a、260b连接在电池270的正负端子的相应各个与地之间。另一个滤波器电容器280耦合在共模电感器250a、250b之间。如进一步示出的，中性点耦合电路230、电池转换器220、逆变器210中的各个并联的半桥对可以由交错驱动电路240以交错方式运行。

图3示出了根据本发明某些实施例的中性点耦合控制电路的实施方式。处理器--特别是数字信号处理器(DSP)310--被配置为实现中性点耦合控制环的部件，包括求和点312、补偿块314、脉宽调制器(PWM)316。求和点312用于将基准信号313(例如希望的设置点)与表示由控制环控制的变量(例如电流、电压或其他量)的反馈信号313进行比较，产生被提供给补偿块314的误差信号。补偿块314产生的输出改变由PWM316产生的脉冲串信号315的脉冲的脉冲宽度。

脉冲串信号315被提供给脉冲分离电路320，其可使用例如逻辑电路来实现，例如可编程逻辑装置(PLD)。脉冲分离电路320做出响应地产生第一与第二脉冲串信号325a、325b，第一与第二脉冲串信号325a、325b被提供给相应的中性点耦合电路驱动电路330a、330b，中性点耦合电路驱动电路330a、330b对于相应的中性点耦合桥式电路产生交错的栅极驱动信号335a、335b。

例如，参照图4，PWM 316可产生如图4的上面的轨迹所示的PWM输出信号。脉冲分离电路320所产生的第一与第二脉冲串信号325a、325b包含与PWM输出信号315的交替脉冲对应的脉冲。如进一步所示，脉冲分离电路也相对于PWM输出信号315中的对应的脉冲将第一与第二脉冲串信号的脉冲宽度加倍。这能使得当PWM输出信号315的占空比从0-100％变化时，响应于第一与第二脉冲串信号325a、325b受到驱动的开关装置的占空比从0-100％变化。以这样的交错方式驱动的并联连接的半桥的使用可看作有效地将个体装置的开关速率减半(halving)，同时，保持控制带宽与PWM输出信号315的较高的脉冲速率对应。

将会明了，尽管图1-4示出了使用两个交错中性点耦合电路，本发明其他的实施例可使用两个以上的交错中性点耦合电路来类似地实现。另外，尽管图3示出了闭环控制实施方式，多种其他的开环或闭环实施方式可用于本发明多个实施例中的中性点耦合控制。

根据本发明进一步的实施例，交错并联耦合电路可用于UPS中的附加的转换器电路。例如，图5示出了UPS电力系(power train)构造，其中，耦合到相输出端子A、B、C的输入整流器510、耦合到相输出端子A’、B’、C’的输出逆变器520以及耦合到中性端子N的中性点耦合电路530各自使用各自由交错驱动电路540以交错方式驱动的并联连接半桥电路对。这样的构造可用在图1所示的UPS构造中，以便进一步增强上面介绍的UPS/电池交互的优点。

在附图和说明书中，公开了本发明的示例性实施例。尽管使用了具体的术语，它们仅仅出于一般性和说明性含义，不是用于限制。本发明的范围由所附权利要求限定。