CN102801344A - 多相有源整流器 - Google Patents

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Abstract

多相有源整流器包括多个有源切换设备，该多个有源切换设备被选择性地控制以将多个交流电（AC）输入电压转换成直流电（DC）输出电压。有源切换设备的控制由控制器来提供，所述控制器包括用于将DC输出电压调节到期望值的外部控制回路，以及用于对AC线电流整形的内部电流回路。外部控制回路将DC输出与阈值进行比较以生成误差值，并且将该误差值乘以多个被监视的AC输入电压以生成经修正的AC输入电压。内部控制回路将经修正的AC输入电压与被监视的AC线电流值进行比较以生成用来选择性地控制多个有源切换设备的多个差信号。

Description

多相有源整流器
技术领域
本发明涉及功率转换，并且特别地涉及多相有源整流器。
背景技术
就整流器来说，最简单并且最便宜类型的整流器使用二极管的全桥或半桥来将单相或多相交流电（AC）输入转换成直流电（DC）输出。然而，该类型的无源整流器导致相对于降低整流器效率的线电压的线电流的畸变和相移。
有源整流器用有源切换设备（例如，金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等）替代无源二极管部件，所述有源切换设备被选择性地接通及断开以控制AC输入到DC输出的整流。有源整流器的好处包括调节DC输出电压和修正由有源整流器汲取的线电流的形状以增加效率的能力（例如，功率因数校正）。各种控制方案可用于满足这些目的，然而，控制方案中的许多方案采用需要数字信号处理器来执行的复杂变换。
发明内容
多相有源整流器包括多个有源切换设备，该多个有源切换设备被选择性地控制以将多个交流电（AC）输入电压转换成直流电（DC）输出电压。有源切换设备的控制由控制器来提供，所述控制器包括用于将DC输出电压调节到期望值的外部控制回路，以及用于对AC线电流整形的内部电流回路。外部控制回路将DC输出与阈值进行比较以生成误差值，并且将该误差值乘以多个被监视的AC输入电压以生成经修正的AC输入电压。内部控制回路将经修正的AC输入电压与被监视的AC线电流值进行比较以生成用来选择性地控制多个有源切换设备的多个差信号。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的功率转换系统的电路图。
图2是在根据本发明的实施例的功率转换系统中采用的控制器的功能框图。
具体实施方式
本发明提供了多相有源整流器系统，其采用用于提供DC输出电压调节和线电流上的谐波的抑制（即，功率因数校正）的模拟控制器。
图1是根据本发明的实施例的功率转换系统10的电路图。功率转换系统10包括发电机12、有源整流器14、负载16、以及控制器18。发电机12生成多相交流电（AC）电压Va、Vb、Vc以便分别经由电感器L1、L2以及L3提供给有源整流器14，所述电感器起到平滑线电流Ia、Ib、Ic的作用。有源整流器14将多相AC输入电压Va、Vb、Vc转换成DC输出电压Vdc以便提供给负载16。电容器C1跨越DC输出与负载16并联连接以提供对DC输出电压Vdc的平滑。
有源整流器14包括多个有源切换设备Q1-Q6，其被选择性地接通和断开以对AC输入电压 Va、Vb、Vc进行整流。在图1中所图示出的实施例中，有源切换设备Q1-Q6被表示为金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），尽管在其它实施例中可以采用其它公知的切换设备，诸如绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。
在每个切换设备Q1-Q6的相应的控制端子（例如，栅极）处施加的栅极驱动信号S1-S6确定切换设备是被接通还是被断开。当接通时，切换设备允许由AC发电机供应的电流增加/减少跨越电容器C1的电荷。通过脉宽调制的切换设备Q1-Q6的状态的选择性控制允许控制器18将DC输出电压Vdc调节到预期水平。为了适应AC输入电压的正半周期和负半周期，每个AC输入相位与包括高侧开关和低侧开关的一对切换设备连接。切换设备Q1-Q3 是高侧开关，而切换设备Q4-Q6是低侧开关。例如，AC输入的相A被连接到有源切换设备Q1和Q4。在正半周期期间，切换设备Q1被选择性地控制以增加跨越电容器C1的电压，而切换设备Q4被选择性地控制以降低跨越电容器C1的电压。在负半周期期间，切换设备Q1被选择性地控制以降低跨越电容器C1的电压，而切换设备Q4被选择性地控制以增加跨越电容器C1的电压。同样地，切换设备Q2和Q5被连接到AC输入的相B，而切换设备Q3和Q6被连接到AC输入的相C。
控制器18监视DC输出电压Vdc、AC线电压Va、Vb和Vc，以及AC线电流Ia、Ib和Ic。为了简化起见，被提供给控制器18的输入被标记为与正在被监视的电压和/或电流（例如，AC线电压Va、Vb和Vc，以及AC线电流Ia、Ib，和Ic）相对应，但是应当理解的是，被提供给控制器18的输入通常是表示被监视的电压和/或电流的信号。基于这些输入，控制器18生成栅极驱动信号S1、S2、S3、S4、S5、S6，其被分别提供给开关Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6的栅极输入。通过选择性地控制有源切换设备Q1-Q6，控制器18将DC输出电压Vdc调节到预期值。此外，控制器18起到最小化由有源整流器14汲取的电流中的畸变以提高有源整流器14的效率的作用。当线电流Ia、Ib和Ic是正弦的并且与线电压Va、Vb、Vc同相时，效率被最大化。
为了提供DC输出电压Vdc的预期调节和功率因数校正，控制器18采用双回路控制回路。第一或外部控制回路调节DC输出电压Vdc，而第二或内部控制回路将AC线电流Ia、Ib、Ic整形为正弦的并且与AC线电压Va、Vb、Vc同相。
图2是在根据本发明的实施例的功率转换系统中采用的控制器18的功能框图。控制器18监视AC线电压Va、Vb、Vc，AC线电流Ia、Ib、Ic，以及被监视的DC输出电压Vdc。为了简化起见，控制器18被图示为接收作为输入的AC线电流Ia、Ib、Ic，尽管实际上控制器18将接收由电流传感器生成的表示AC线电流Ia、Ib、Ic的电压信号。响应于这些输入，控制器18生成栅极驱动信号S1-S6以便提供给有源切换设备Q1-Q6的栅极（即，控制端子）。
所述第一或外部控制回路包括误差放大器电路20和乘法器22a、22b和22c。被监视的DC输出Vdc被提供作为到第一控制回路的输入。误差放大器电路20将被监视的DC输出Vdc与参考电压Vref进行比较来生成经放大的误差信号Vdc_error，其表示被监视的DC输出电压和预期的DC输出电压之间的差或误差。乘法器22a、22b和22c分别将经放大的误差信号Vdc_error与各AC线电压Va、Vb、Vc中的每一个相乘，以生成经修正的AC输入电压Va_m、Vb_m、Vc_m。经修正的AC输入电压Va_m、Vb_m、Vc_m具有等于被监视的AC线电压Va、Vb、Vc 的相位和频率，以及表示所预期的DC输出电压Vref和被监视的DC输出电压Vdc之间的差或误差的幅度。经修正的AC输入电压的幅度被用来调节被提供给有源切换设备Q1-Q6的PWM脉冲的持续时间，从而将DC输出电压Vdc调节到预期值。
所述第二或内部控制回路包括误差放大器电路24a、24b和24c。被监视的AC线电流Ia、Ib和Ic连同经修正的AC输入信号Va_m、Vb_m、Vc_m一起被作为输入提供给第二控制回路。每个误差放大器电路24a、24b和24c是被连接以分别计算经修正的AC输入电压Va_m、Vb_m、Vc_m和被监视的AC线电流Ia、Ib、Ic之间的差以生成差信号Va_d、Vb_d、Vc_d的加法器。通过从经修正的AC输入电压Va_m、Vb_m、Vc_m中减去被监视的AC线电流Ia、Ib、Ic，当被分别施加给PWM调制器26a、26b、26c时，作为结果的差信号Va_d、Vb_d、Vc_d将对由有源整流器14汲取的线电流进行整形以类似正弦AC线电压Va、Vb、Vc。
由每个相应的误差放大器电路24a、24b、24c所计算的作为结果的差信号分别被施加到脉宽调制器（PWM)电路26a、26b和26c。基于所接收到的差信号，PWM调制器26a、26b和26c生成被提供给栅极驱动电路28a、28a’、28b、28b’、28c和28c’的栅极驱动命令信号，其分别生成被提供给有源切换设备Q1-Q6的栅极驱动信号S1-S6。在一个实施例中，PWM调制器26a、26b和26c将差信号Va_d、Vb_d、Vc_d与具有固定频率和幅度的锯齿波进行比较以生成脉宽调制信号，其被作为命令提供给相应的栅极驱动电路。响应于由PWM调制器26a、26b、26c提供的PWM信号，栅极驱动电路28a、28a’、28b、28b’、28c和28c’分别生成选择性地接通和断开有源切换设备Q1-Q6的驱动信号S1-S6。
通过这种方式，本发明提供了在多相有源整流器中的DC输出电压调节和功率因数校正（即，线电流谐波的抑制）。
虽然已经参考一个或多个示例性实施例描述了本发明，但是本领域的普通技术人员将理解的是，在不偏离本发明的范围的情况下，可以作出各种改变并且等同物可以取代其元件。此外，在不偏离其本质范围的情况下，可以作出许多修改以使特定情形或材料适应于本发明的教导。例如，已经针对模拟信号处理描述了本发明，但是由控制器18所执行的功能可以由模拟电路或诸如数字信号处理器之类的数字电路来执行。因此，意图是本发明不局限于所公开的(一个或多个)特定实施例，而是本发明将包括落入随附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (11)

1.一种用于多相有源整流器的控制器，所述多相有源整流器包括由所述控制器选择性地控制以将多个交流电（AC）输入电压转换成直流电（DC）输出电压的多个有源切换设备，所述控制器包括：
外部控制回路，其被连接以接收被监视的DC输出电压以及被监视的AC输入电压，所述外部控制回路包括：第一误差放大器，其用于将所述DC输出电压与参考电压进行比较以生成误差信号；以及多个乘法器，其用于将被监视的AC输入电压中的每一个与所述误差信号相乘以生成经修正的AC输入电压；
内部控制回路，其被连接以接收经修正的AC输入电压以及表示被监视的AC线电流的信号，所述内部控制回路包括多个误差放大器电路，其用于将经修正的AC输入电压与表示被监视的AC线电流的所述信号进行比较以生成多个差信号；以及
多个脉宽调制（PWM)电路，其基于所述多个差信号生成PWM信号以便提供给与所述多相有源整流器相关联的所述多个有源切换设备。
2.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述外部控制回路和所述内部控制回路采用模拟电路来加以实现。
3.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述外部控制回路和所述内部控制回路采用数字电路来加以实现。
4.根据权利要求1所述的控制器，其中，所述多相有源整流器为三相有源整流器。
5.一种多相有源整流器系统，包括：
多相有源整流器，其用于将多个交流电（AC）输入电压转换成直流电（DC）输出电压，所述多相有源整流器具有在所述多个AC输入电压与所述DC输出电压之间连接的多个有源切换设备；以及
控制器，其被连接以选择性地接通和断开所述多个有源切换设备以调节所述DC输出电压，所述控制器包括：
外部控制回路，其被连接以接收被监视的DC输出电压以及被监视的AC输入电压，所述外部控制回路包括：第一误差放大器电路，其用于将所述DC输出电压与参考电压进行比较以生成误差信号；以及多个乘法器，其用于将被监视的AC输入电压中的每一个与所述误差信号相乘以生成经修正的AC输入电压；
内部控制回路，其被连接以接收经修正的AC输入电压以及表示被监视的AC线电流的信号，所述内部控制回路包括多个误差放大器电路，其用于将经修正的AC输入电压与表示被监视的AC线电流的所述信号进行比较以生成多个差信号；以及
多个脉宽调制（PWM)电路，其基于所述多个差信号生成PWM信号以便提供给与所述多相有源整流器相关联的所述多个有源切换设备。
6.根据权利要求5所述的多相有源整流器系统，其中，所述多相有源整流器为三相整流器，其将第一、第二和第三AC输入电压转换成所述DC输出电压。
7.根据权利要求5所述的多相有源整流器系统，其中，所述外部控制回路和所述内部控制回路采用模拟电路来加以实现。
8.根据权利要求5所述的多相有源整流器系统，其中，所述外部控制回路和所述内部控制回路采用数字电路来加以实现。
9.根据权利要求5所述的多相有源整流器系统，其中，所述多个有源切换设备为金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。
10.根据权利要求5所述的多相有源整流器系统，其中，所述多个有源切换设备为绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。
11.一种控制三相有源整流器的方法，所述三相有源整流器包括由控制器选择性地控制以将第一、第二和第三交流电（AC）线电压转换成直流电（DC）输出的多个有源切换设备，所述方法包括：
将DC输出电压与参考电压进行比较以生成放大的误差信号；
将所述第一、第二和第三AC线电压中的每一个与所述放大的误差信号相乘以生成第一、第二和第三经修正的AC线电压；
将所述第一、第二和第三经修正的AC输入电压与分别表示第一、第二和第三AC线电流的信号进行比较以生成第一、第二和第三差信号；以及
基于所述第一、第二和第三差信号生成用于所述多个有源切换设备中的每一个的脉宽调制（PWM)信号。
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