CN103532412A - 一种功率变换器的反馈控制电路及功率变换器系统 - Google Patents

一种功率变换器的反馈控制电路及功率变换器系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种功率变换器的反馈控制电路及功率变换器系统。该反馈控制电路包括：采样网络，对所述功率变换器的输入或输出进行采样，并输出第一采样信号；滤波网络，接收所述第一采样信号，输出一第二采样信号，所述滤波网络在维持所述第二采样信号与所述第一采样信号的相位延时在预设范围的同时，滤除所述第一采样信号中预设频率的纹波信号，保留所述第一采样信号中预设频率之外的信号；以及控制驱动电路，接收所述第二采样信号，并根据所述第二采样信号调节所述控制驱动电路输出至所述功率变换器的控制信号。本发明可提高反馈控制电路的采样精度，或优化对功率变换器控制。

Description

一种功率变换器的反馈控制电路及功率变换器系统
技术领域
本申请涉及一种功率变换器的反馈控制电路及一种功率变换器系统。
背景技术
随着功率变换技术的迅速发展和日趋成熟，涌现出各种具有变流能力的功率变换器，用于大功率电能的变换和控制，如应用于电力电子装置中的有源电力滤波器（Active Power Filter，APF）、静止无功发生器（Static VarGeneration，SVG）、不间断电源系统（Uninterruptible Power System，UPS）、变频器、开关电源等等。
功率变换器系统一般由功率变换器、反馈控制电路组成。该反馈控制电路由采样网络以及控制驱动电路组成。功率变换器系统根据其应用可为交流逆变系统和直流变换系统。如图1所示传统功率变换器系统，该传统功率变换器系统中，功率变换器为逆变器。传统功率变换器系统中反馈控制电路中采样网络对逆变器的输出进行采样，控制驱动电路基于采样网络输出的采样信号调整输出至逆变器的控制信号。如图2所示另一种传统功率变换器系统。该传统功率变换器系统中，功率变换器包括整流电路、直流变换器。反馈控制电路中采样网络对对直流变换器的输入进行采样，控制驱动电路根据采样网络输出的信号调节输出至直流变换器的控制信号。
因此，从图1和图2中可看出，在功率变换器系统中，反馈控制电路中的采样网络既可对功率变换器的输入，也可对功率变换器的输出进行采样。无论在哪种情况下，采样网络输出的信号中通常会存在高频纹波干扰，这些干扰可能来自于功率变换中的开关元件也可能为其他来源。总而言之，这些高频干扰纹波会影响反馈控制电路中采样网络的采样精度，或导致反馈控制电路的控制精度差等。
发明内容
本申请提出一种功率变换器的反馈控制电路及一种功率变换器系统，能够提高反馈控制电路的采样精度，或优化反馈控制电路对功率变换器控制的效果。
本申请第一方面的一个方案，功率变换器的反馈控制电路包括：采样网络，对功率变换器的输入或输出进行采样，并输出第一采样信号；滤波网络，接收第一采样信号，输出一第二采样信号，滤波网络在维持第二采样信号与第一采样信号的相位延时在预设范围的同时，滤除第一采样信号中预设频率的纹波信号，保留第一采样信号中预设频率之外的信号；以及控制驱动电路，接收第二采样信号，并根据第二采样信号调节控制驱动电路输出至功率变换器的控制信号。
根据本申请第二方面的一个方案，功率变换器系统包括：功率变换器，实现电能转换；如上文所述的所述反馈控制电路，与所述功率变换器连接，用于调节所述功率变换器的输入或输出。
本申请可提高反馈控制电路的采样精度，或优化反馈控制电路对功率变换器控制。
附图说明
图1是传统技术的交流逆变器系统的示意图；
图2是传统技术的直流变换器系统的示意图；
图3是包括低通RC滤波网络的功率变换器系统的方框图；
图4是低阶或小参数低通RC滤波网络的采样图；
图5是高阶或大参数低通RC滤波网络的采样图；
图6是低阶或小参数低通RC滤波网络与高阶或大参数低通RC滤波网络的波特图对比图；
图7是本申请第一方面的功率变换器的反馈控制电路的示意框图；
图8是图7所示滤波网络为无源陷波单元的反馈控制电路示意框图；
图9是图8所示无源陷波单元具体结构的示意图；
图10是图9所示无源陷波单元的波特图；
图11是图7所示滤波网络为有源带阻滤波器的反馈控制电路的示意框图；
图12是图11所示有源带阻滤波器具体结构的示意图；
图13是图12所示有源带阻滤波器的波特图；
图14是图7所示滤波网络为数字陷波器的反馈控制电路的示意框图；
图15是本发明第二方面的功率变换器系统的一示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细描述本申请的具体实施例。应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本申请。
本申请的第一方面公开了一种功率变换器的反馈控制电路，以下内容用以帮助理解该第一方面披露的功率变换器的反馈控制电路。
为了抑制功率变换器系统中的高频纹波，可在功率级（功率变换器侧）的输入或输出端加入滤波器，然而发明人发现，在从功率变换器的输入/输出侧获得的采样信号采用PWM方式进行调制的情况下，在控制级（控制驱动电路侧）通常会存在着开关级高频纹波，而在功率级加入滤波器的方式并不能针对性的滤除开关级高频纹波。
因此，为了提高控制级的采样精度，如图3所示，可在控制级（如反馈控制电路中的采样网络和控制驱动电路之间）加入RC低通滤波器。然而，低阶或小参数RC低通滤波器对开关次频率（即开关频率）的高频纹波的抑制效果差，容易产生采样误差，如图4的低阶或小参数RC低通滤波采样图所示。
如果要提高装置对高频开关次频率纹波的抑制作用，就需要增大RC低通滤波器的参数值或增加滤波网络阶数，这种高阶或大参数RC低通滤波器在增加了高频段衰减度后却增加了低频段有用信号幅值的衰减和相位延时，同样将导致采样误差，如图5的高阶或大参数低通滤波器的采样图所示。
参见图6，将低阶或小参数RC低通滤波器与高阶或大参数RC低通滤波器的波特图进行对比，可看出低阶或小参数RC滤波器的截止频率较高，高频幅值的衰减小（即对高频的抑制较差），而相位延时较小。相比而言，高阶RC低通滤波器的截止频率低，高频幅值衰减大（即对高频的抑制较好），而相位延时较大。
为了同时克服低阶或小参数RC低通滤波器与高阶或大参数低通RC滤波器的问题，如图7所示。在图7中，功率变换器的反馈控制电路包括：采样网络、滤波网络和控制驱动电路。采样网络对功率变换器的输入或输出进行采样，得到第一采样信号S1；滤波网络对第一采样信号S1进行滤波后得到第二采样信号S2，其中该滤波网络在维持第二采样信号S2与第一采样信号S1的相位延时在预设范围的同时，可滤除第一采样信号S1中预设频率的纹波信号，并保留第一采样信号S1中预设频率之外的信号；控制驱动电路接收第二采样信号S2，并根据第二采样信号S2调节控制驱动电路输出至功率变换器的控制信号。控制驱动电路可包括功率变换器的PWM控制单元和驱动电路两个部分，PWM控制单元接收第二采样信号S2，并在进行PWM调制后经驱动电路反馈至功率变换器。
在图7所示的反馈控制电路中的采样网络和控制驱动电路之间加入一种滤波网络，该滤波网络可实现在将信号的相位延时保持在较小范围的同时，也能够较好的滤除第一采样信号S1中预设频率的纹波信号，保留第一采样信号中预设频率之外的信号。图3所示的RC低通滤波器会将高于一特定频率的信号（包含预设频率的纹波信号）全部滤除，图7所示的滤波网络与RC低通滤波器不同，该滤波网络在滤除预设频率的纹波信号的同时，会保留预设频率之外的信号，同时也不会存在较大相位延时。
预设频率的纹波信号可为开关级频率的纹波信号，或开关级频率及接近开关级频率的纹波信号。开关级频率的纹波信号对本领域的技术人员应理解为开关次频率的纹波信号或者开关次频率整数次倍频的纹波信号。
根据采样网络实际所采样的功率变换器输出/输入存在的干扰信号，在实际应用中的具体情况，可仅滤除开关次频率的纹波，或仅滤除开关次频率的两倍以上频率的纹波，或同时滤除这两者。在一些其他的情况下，也存在需要滤除开关次频率其他倍数的情况，在此种情况下选择要滤除的频率的干扰信号通常是对采样网络的采样精度的影响相对其他频率的干扰信号的要大。因此，在此不再一一进行例举预设频率可能存在的情况。
本申请第一方面所披露的反馈控制电路中的滤波网络可实现如下的滤波效果：滤波网络输出的第二采样信号S2中预设频率纹波信号的幅值衰减至第一采样信号S1中预设频率纹波信号幅值的十分之一或十分之一以下，滤波网络输出的第二采样信号S2中保留的预设频率之外信号的幅值衰减小于第一采样信号S1中预设频率之外的信号的幅值的百分之二十，并且第二采样信号S2与第一采样信号S1的相位延时的预设范围为小于等于二十度，而不限于此，通过调整滤波网络的参数或其他设置可获得不同的滤波效果。因此，在本申请第一方面披露的功率变换器的反馈控制电路的实施例中，滤波网络的滤波效果可视具体功率变换器的反馈控制电路的具体技术参数要求而定。
为了便于更进一步理解本发明第一方面所揭露的反馈控制电路，以下对本申请第一方面的反馈控制电路的几种实施例作更进一步的描述。
第一实施例：
请参见图8所示的反馈控制电路示意图。图8中以反馈控制电路控制的功率变换器为逆变器为例，反馈控制电路中的采样网络对逆变器的输出进行采样。与图7所示反馈控制电路相比，图8所示的反馈控制电路的滤波网络具体为无源陷波单元。反馈控制电路其他部分与图7所示一致，因此对于其他部分不作重复描述。
通过对无源陷波单元参数的合理设计，该无源陷波单元可对预设频率的纹波信号有较大的衰减且相位延时较小，而对其他频段信号无幅值和相位影响。在此实施例中预设频率的纹波信号为开关级频率纹波信号。
无源陷波单元可包括多个并联的陷波支路，每个支路包括至少一个陷波电感L、至少一个陷波电容C，该陷波电容C与该陷波电感串联。每个陷波支路的结构并不局限于此例举的结构，当然可存在其他的元件或其他的连接形式。每个陷波支路可被设计为滤除某个频率的纹波信号，通过适当的参数设计，合理选择陷波电感L的电感值和陷波电容C的电容值来确定陷波频率点（例如可为开关次频率）。例如，通过设计陷波电感和/或陷波电容的参数使串联谐振频率为待滤除的纹波信号的频率。
请参阅图9所示无源陷波单元的一种具体结构，该无源陷波单元包括两个并联的陷波支路。针对无源陷波单元作为滤波网络，一般情况下其滤除的预设频率的纹波信号为开关级频率纹波信号。以下以无源陷波单元待滤除的纹波信号的频率为开关次频率或两倍开关次频率进行进一步说明。这两个并联的陷波支路的每个支路至少包括一陷波电感L、一与陷波电感L串联的陷波电容C，且两个陷波支路中一个陷波支路用以滤除开关次频率纹波信号，另外一个陷波支路用以滤除两倍开关次频率信号。图10为图9所示无源陷波单元的幅频特性和相频特性的波特图，如图10所示，该无源陷波单元可滤除开关次频率及两倍开关次频率的纹波信号，并且相位偏移也比较小。。
第二实施例：
反馈控制电路的第二实施例如图11所示，第二实施例中的元件与第一实施例类似，区别在于第二实施例所示反馈控制电路中的滤波网络为有源带阻滤波器，反馈控制电路的其他部分与图7中一致，因此不在此作重复描述。根据有源阻带滤波器的滤波特点，该滤波器所要滤除的预设频率的纹波信号为开关级频率的纹波信号及开关级频率附近的纹波信号，而会保留阻带以外的采样信号。
有源带阻滤波器的阻带频宽覆盖开关级频率的纹波信号及开关级频率附近的纹波信号所在的范围。请参阅图12，图12示意了有源带阻滤波器的一种具体结构示意图。有源带阻滤波器例如包括低通滤波器、高通滤波器以及信号处理电路；低通滤波器和高通滤波器同时接收采样网络输出的信号，信号处理电路同时接收低通滤波器和高通滤波器的输出并进行处理后输出至控制驱动电路，其中，信号处理电路可为运算放大器求和电路。在图12中，可将低通滤波网络截止频率Fq1设计成低于需要滤除的开关次频率，而将高通滤波网络截止频率Fq2设计成高于需滤除的开关次频率，将运算放大器求和电路配置成可增大采样波形在开关次频率周围频段（Fq1到Fq2）之间的衰减度，从而达到抑制纹波的作用。如图13的带阻滤波网络的波特图所示，阻带中心频率为开关次频率Fq，频宽为Fq2-Fq1。在第二实施例中，有源带阻滤波器的结构不局限于图12所示的结构。
图13示意了图12所示有源带阻滤波器的波特图。图13所示的有源带阻滤波器可以滤除开关次频率及接近开关次频率的纹波信号。然而也可根据需要滤除开关次频率或任意两倍以上的纹波信号，也即将低通滤波网络截止频率Fq1设计成低于需要滤除的某个或某几个开关次频率之中频率最低的纹波信号的频率，而将高通滤波网络截止频率Fq2设计成高于需滤除的某个或某几个开关次频率之中频率最高的纹波信号的频率。采用此种性质的有源带阻滤波器的前提是，有源带阻滤波器的阻带所滤除的信号不影响反馈控制电路的正常工作或性能。
第三实施例：
如图14所示反馈控制电路的第三实施例。图14所示的反馈控制电路中滤波网络为数字陷波器。数字陷波器是一种把一个采样信号或一系列的值转换为另一系列的数值的技术过程或方法，在数字陷波滤波器设计过程中，可先进行模拟陷波器设计，然后采用例如双线性变化法将模拟陷波滤波器转化成数字陷波滤波器。
数字陷波器可为IIR无限脉冲响应数字滤波器或FIR有限脉冲响应数字滤波器。通常数字陷波器包括一数字带阻滤波单元，数字带阻滤波单元的阻带频宽覆盖预设频率纹波信号所在的范围。该预设频率的纹波信号为开关级频率的纹波信号及开关级频率附近的纹波信号，而会保留阻带以外的采样信号。因此，数字陷波器的作为滤波网络的工作原理与有源带阻滤波器作为滤波网络的原理基本一致，所以不在这作进一步的描述。数字陷波器的设置也是可根据实际需求去进行设置的，为数字陷波器的常规的操作的流程，因此不再赘述。
本申请的第二方面公开了一种功率变换器系统，包括：功率变换器，实现电能转换；以及如第一方面所公开的反馈控制电路，与功率变换器连接，用于调节功率变换器的输入或输出。
具体而言，参见图15，在功率变换器系统中，功率变换器的输入/输出经反馈控制电路调节后反馈至功率变换器，以控制该功率变换器。反馈控制电路控制的功率变换器可以是常规的两电平逆变器，也可是多电平逆变器，例如三电平逆变器等等。图15所示的功率变换器以三电平逆变器为例，该三电平逆变器为PWM型功率变换器。采样网络对三电平逆变器的输出进行采样。在图15中，三电平逆变器的输出电流通过电流传感器T1进行采样，经采样网络转换为电压信号，经过滤波网络（该滤波网络以第一实施例中的无源陷波单元为例，而不限于此）滤除该电压信号中含有的大量高频纹波，得到逆变器实际输出的电流平均值信号，作为逆变器的控制反馈量，经控制驱动电路控制逆变器。在本发明第二方面的其他实施例中，采样网络的采样对象也可以是电压。一般情况而言，对于控制相对复杂的功率变换器系统，相应地，对功率变换器系统中反馈控制电路对功率变换器的控制精度相比之下会更为严格。因此，本发明第一方面所披露的功率变换器的反馈控制电路应比较适合应用于对控制精度要求较高的功率变换器系统。
本发明第二方面所披露的功率变换器系统可应用于有源电力滤波器、静止无功发生器、不间断电源系统、变频器或开关电源等等，提高系统的控制精度。
此外，在上具体内容描述中，针对预设值频率的纹波信号进行了滤除，然而本领域普通技术人员均可了解，预设值频率的数值范围至少包括测量误差。在实际电路中，由于元件受制作工艺的影响，并非为完全理想的元件，因此当预设值频率为某一频率时也并非完全是数学意义上的一个值，可能是接近这个值或者这个值及其这个值附近的频率的信号。
上面以实施例对本发明进行了说明，但需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而并非是对本发明保护范围的限制。尽管参照以上优选实施例对本发明作了尽可能详尽的说明，但本领域的技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，仍然属于本发明技术方案的实质和范围。只要对本发明所做的任何改进或变型，均应属于本发明权利要求主张保护的范围之内。

Claims (16)

1.一种功率变换器的反馈控制电路，包括：
采样网络，对所述功率变换器的输入或输出进行采样，并输出第一采样信号；
滤波网络，接收所述第一采样信号，输出一第二采样信号，所述滤波网络在维持所述第二采样信号与所述第一采样信号的相位延时在预设范围的同时，滤除所述第一采样信号中预设频率的纹波信号，保留所述第一采样信号中预设频率之外的信号；以及
控制驱动电路，接收所述第二采样信号，并根据所述第二采样信号调节所述控制驱动电路输出至所述功率变换器的控制信号。
2.根据权利要求1所述的反馈控制电路，其特征在于，所述预设频率的纹波信号为开关级频率的纹波信号，或开关级频率及接近开关级频率的纹波信号。
3.根据权利要求1所述的反馈控制电路，其特征在于，所述滤波网络为无源陷波单元。
4.根据权利要求3所述的反馈控制电路，其特征在于，所述无源陷波单元包括N个并联的陷波支路，其中N为大于等于1的自然数。
5.根据权利要求4所述的反馈控制电路，其特征在于，每个所述陷波支路包括至少一陷波电感和至少一陷波电容，所述陷波电感与所述陷波电容串联。
6.根据权利要求1所述的反馈控制电路，其特征在于，所述滤波网络为有源带阻滤波器，所述有源带阻滤波器的阻带频宽覆盖所述预设频率的纹波信号所在的范围。
7.根据权利要求6所述的反馈控制电路，其特征在于，所述有源带阻滤波器包括低通滤波器、高通滤波器和信号处理电路，所述低通滤波器和所述高通滤波器对所述第一采样信号进行带阻滤波后输出至所述信号处理电路，所述信号处理电路输出所述第二采样信号至所述控制驱动电路。
8.根据权利要求7所述的反馈控制电路，其特征在于，所述信号处理电路为运算放大器求和电路。
9.根据权利要求1所述的反馈控制电路，其特征在于，所述滤波网络为数字陷波器，所述数字陷波器包括数字带阻滤波单元，所述数字带阻滤波单元的阻带频宽覆盖所述预设频率纹波信号所在的范围。
10.根据权利要求9所述的反馈控制电路，其特征在于，所述数字陷波器为无限脉冲响应数字滤波器或有限脉冲响应数字滤波器。
11.根据权利要求1所述的反馈控制电路，其特征在于，所述控制驱动电路包括PWM控制单元和驱动电路，所述PWM控制单元接收所述第二采样信号，并在进行PWM调制后经所述驱动电路反馈至所述功率变换器。
12.一种功率变换器系统，包括：
功率变换器，实现电能转换；以及
根据权利要求1至11的任一权利要求所述的反馈控制电路，与所述功率变换器连接，用于调节所述功率变换器的输入或输出。
13.根据权利要求12所述的功率变换器系统，其特征在于，所述功率变换器为PWM型功率变换器。
14.根据权利要求12所述的功率变换器系统，其特征在于，所述功率变换器为逆变器。
15.根据权利要求14所述的功率变换器系统，其特征在于，所述逆变器为多电平逆变器。
16.根据权利要求12所述的功率变换器系统，其特征在于，所述功率变换器系统应用于有源电力滤波器或静止无功发生器。
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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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