CN103001501A - 多电平转换器和用于操作多电平转换器的控制方法 - Google Patents

多电平转换器和用于操作多电平转换器的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明名称为“多电平转换器和用于操作多电平转换器的控制方法”。本发明涉及转换器(1)，包括：有源级(2)，其用于将AC输入处的AC输入电压(uin)转换成中间DC电压(UZ)；DC/DC转换器(3)，其用于将中间DC电压(UZ)变换成DC输出处的输出DC电压(Uout)，其中DC/DC转换器(2)具有具体由谐振电路(32)和变压器(33)构成的谐振变压器(32、33)；控制单元(5)，其配置成：仅基于DC/DC转换器(3)的输出DC电压(Uout)、转换器(1)的输入电压(uin)和输入电流有源地操作有源级(2)，以及在开环模式中操作DC/DC转换器(3)。

Description

多电平转换器和用于操作多电平转换器的控制方法
技术领域
本发明涉及多电平转换器，具体来说，涉及电流隔离的模块多电平转换器。此外，本发明涉及用于操作多电平转换器以提供恒定平均输出DC链路电压的控制方法。
背景技术
多电平转换器是本领域众所周知的。例如，为了输送目的，需要将中等输入AC电压转换成中等或低输出DC电压。一般来说，AC/DC转换器可通过双级方式实现，上述双级方式包含有源前端级和DC/DC转换器级。
提供控制单元以控制有源前端级和DC/DC转换器级，以便提供恒定平均的输出DC链路电压。使用多个感测元件测量线路输入电压、线路输入电流、DC链路输出电压、DC/DC转换器的初级侧/次级侧上的谐振电流以及有源前端单元上所有电平的DC链路电压。
通常，这种多电平转换器具有多电平拓扑，其中有源前端级串联连接，而隔离的DC/DC转换器级在输出处并联。在多电平转换器拓扑的情况中，感测元件必须测量每个DC/DC转换器的次级侧上的电流以及每个有源前端级的DC链路输出电压。
控制单元用于控制有源前端级和DC/DC转换器级，以使得满足平均恒定输出DC链路电压和控制功率因数(例如，接近一)的关键控制目标以及尽可能低的线路电流总谐波失真(THD)。由于中等电压应用中的多电平转换器直接从中等电压源操作，感测设备的隔离要求相当严苛。因此，优选地是减少用于进行施加控制单元中的控制方案所需的测量的电压/电流传感器的数量。
文档EP 2 180 586 A1和US 6, 344,979 B1示出了具有上述双级拓扑并分别使用LLC谐振电路或CLL谐振电路以使DC/DC转换器成为谐振转换器的AC/DC转换器。
文档DE 198 27 872 A1还示出具有带有源前端单元和非谐振DC/DC转换器的双级拓扑的多电平功率电子变压器。
文档DE 19 750 041 C1公开了具有有源前端和是谐振级的DC/DC转换级的DC/DC转换器。
此外，文档US 6,218 792 B1公开了模块转换器布置，重点描述模块、机械特征和连通性。
文档US 5,646,835公开了串联谐振电路，其包含带IGBT的逆变器。该串联谐振电路包括控制器，它利用相位和频率调制结合对数放大器来控制逆变器。
文档US 2006/0221653 A1公开了基于多电平转换器的智能通用变压器，其中包括经由高频变压器耦合到开关的逆变器电路的背对背互连的多电平转换器。通用变压器的输入可耦合到高压配电系统，而通用变压器的输出可耦合到低压应用。
在T. Zhao、G. Wang、J. Zeng、S. Dutta、S. Bhattacharya及A. Q. Huang的文档“Voltage and power balance control for a cascaded multilevel solid-state transformer”(IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, APEC 2010, 第761-767页)中，双有源桥转换器用于DC/DC转换器级。双有源桥转换器的功率流通过控制施加于变压器漏电感的输入和输出上的电压之间相移来控制。为了实现各级之间的功率平衡，需要测量两侧每个电平上的所有电压和电流。
US 5,233,509中还详细说明了一种通用类型的转换器。
发明内容
鉴于以上所述，本发明的一个目的是提供一种用于多电平转换器的控制方法，它允许减少感测的电压和电流数量。
以上目的通过如权利要求1所述的用于多电平转换器的控制方法以及如更多的独立权利要求所述的多电平转换器来实现。
在从属权利要求子项中说明了本发明的进一步的实施例。
根据第一方面，提供一种多电平转换器，包含：
有源级，用于将AC输入处的AC输入电压转换成中间DC电压；
DC/DC转换器，用于将中间DC电压变换成DC输出处的输出DC电压，其中DC/DC转换器具有谐振变压器，具体来说，由谐振电路和变压器构成，
控制单元，配置成
    仅基于DC/DC转换器的输出DC电压、有源级的输入电压和输入电流有源地操作有源级，以及
    在开环模式中操作DC/DC转换器。
本发明的一个思路是提供一种转换器和用于这种转换器的控制方案，其中只感测DC/DC转换器的DC电压、有源级的输入电压和输入电流即足以实现输出DC链路电压恒定平均以及可控制功率因数的正弦输入电流的控制目标。
对于DC/DC转换器，使用带变压器的谐振转换器。DC/DC转换器在开环模式中操作，以使得变压器初级侧和次级侧上的电压基本彼此相关而与供应的输出电流无关。
因此，该控制方法只需要输入电压和输入电流以及输出电压为控制量，由于谐振DC/DC转换器，谐振转换器的初级侧上的电压也施加为固定值。因此，由于DC/DC谐振转换器的初级侧和次级侧之间的紧密耦合，不需要对初级侧电压进行额外控制并且仅控制输出DC电压就足够了。
此外，控制单元可配置成通过以对应于或低于谐振变压器的谐振频率的开关频率切换有源开关，在开环模式中操作DC/DC转换器。因此，可以实现，在以开环模式操作的DC/DC谐振转换器中可定义能够针对效率进行优化的固定操作点。
根据一个实施例，DC/DC转换器可具有第一开关单元和第二开关单元，它们各具有通过续流二极管各自并联的开关元件，其中谐振变压器布置在第一开关单元与第二开关单元之间，其中控制单元配置成以约50 %的占空比和开关频率操作开关单元中的一个。具体来说，可提供控制单元，其配置成或者不驱动开关单元中相应的另一个以使续流二极管充当无源整流器，或者操作开关单元中相应的另一个以充当有源整流器。
结果显示在处于或低于谐振频率的区域以50%的固定占空比进行操作就足够了。这为脉冲半导体提供导通期间的零电压切换和关断期间的准零电流切换，因为关断电流的值可在谐振回路(resonant tank)的设计期间进行控制和最小化。
取决于功率流，DC/DC转换器可操作以有源地切换第一开关单元或第二开关单元中的一个，而取决于拓扑，相应另一个或者可作为无源整流器操作、或者通过切换作为有源整流器操作。在一个开关单元作为无源整流器操作的情况下，它充当阻抗变换器，其中等效负载电阻不同于实际负载电阻并可轻易得出。为了得到恒定的输出DC链路电压，谐振转换器的初级侧上的电压也钳位为由变压器匝数比确定、并受跨谐振电路的互阻抗的电压影响的固定值。
可提供控制单元，其具有控制功能，该功能通过计入有源级的输入电流以及输入电压和输出DC电压来反馈控制DC输出电压和输入电流。
此外，该控制功能可以是级联控制功能。
有源级可具有H桥电路，其中H桥电路根据作为控制功能的结果的调制指数操作。
可将有源级提供为具有串联施加的输入电感器。
根据一个实施例，谐振变压器可由谐振电路和变压器构成，其中谐振电路包括谐振电感器、谐振电容器和并联电感器。
根据另一个方面，可提供一种包括多个上述转换器的布置，其中有源级的AC输入串联连接并且DC/DC转换器的DC输出并联连接，其中控制单元配置成仅基于并联的DC/DC转换器的公共输出DC电压、布置的输入处的输入电压以及经过布置的输入电流有源地操作有源级。
此外，可以与串联连接的有源级串联的形式提供公共输入电感器。
注意，上述输入电压对应于外部施加于转换器和耦合的转换器的输入线电压。通常，提供输入电感器以从有源级内开关(H桥电路)上的电压解耦外部供应的输入线电压。
根据另一个方面，可提供一种方法，包括下列步骤： 
仅基于DC/DC转换器的输出DC电压、有源级的输入电压和输入电流有源地操作有源级，以及
在开环模式中操作DC/DC转换器。
附图说明
现在结合附图更详细地描述本发明的优选实施例，在附图中：
图1示出具有有源前端级和DC/DC转换器级的AC/DC转换器的示意图；
图2示出说明用于操作多电平转换器的控制方案的框图；以及
图3示出具有多个AC/DC转换器的多电平转换器。
具体实施方式
图1示出在中等电压功率电子变压器中使用的AC/DC转换器1。这类转换器可用于例如牵引用途。
AC/DC转换器1具有有源前端级2(有源级)和DC/DC转换器级3。虽然这种转换器1可双向操作，以下描述参考通常用于牵引应用的从有源前端级2到DC/DC转换器级3的能量流。
有源前端级2具有AC端子以接收AC输入电压uin。有源前端级2的DC端子提供用于供应转换的中间DC链路电压Uz。中间DC链路电压Uz连接到DC/DC转换器级3的第一端子，DC/DC转换器级3用于解耦以及将中间DC链路电压Uz变换成输出电压Uout。
有源前端级2是有源控制的AC/DC转换单元。在本实施例中，有源前端级2包含互连为H桥电路的第一到第四开关元件S1至S4。开关元件S1至S4可作为功率MOSFET、IGBT、IGCT等提供，每一个分别具有并联的续流二极管D1至D4。具体地说，第一和第二开关元件S1和S2在供应中间DC链路电压UZ的第一DC线路7与第二DC线路8之间串联连接。通过同样的方式，第三开关元件S3和第四开关元件S4在第一DC线路7与第二DC线路8之间串联连接。
AC输入线电压uin经由有源前端级2的输入电感器Lin连接到串联连接的第一与第二开关元件S1、S2之间的第一节点N1，并且连接到串联的第三与第四开关元件S3、S4之间的第二节点N2。在第一DC线路7与第二DC线路8之间还连接了DC链路电容器C1与C2的串联连接。
无源DC/DC转换器级3与有源前端级2的DC线路7、8耦合以接收中间DC链路电压UZ。无源DC/DC转换器级3具有第一半桥电路31，它是与DC端子，即有源前端级2的第一DC线路7和第二DC线路8耦合的第五开关元件S5与第六开关元件S6的串联连接。
为谐振回路32提供与第五和第六开关元件S5、S6之间的第一半桥31的第四节点N4耦合的一个输入，以及与有源前端级2的第一和第二电容器C1、C2之间的串联连接的第三节点N3耦合的第二输入。谐振回路32的其它端子与变压器33的初级侧耦合。也可能取代第三节点N3，谐振电容器连接到第二DC线路8。
如图1所示，谐振回路32可包含连接于第一半桥31的第四节点N4与谐振回路32的T节点NT之间的谐振电容器Cr。T节点NT经由谐振回路32的谐振电感器Lr与变压器33的初级侧的第一端子连接。有源前端级2的电容器C1、C2的串联连接的第三节点N3与变压器33的初级侧的第二端子连接。谐振回路32的并联电感器Lm在T节点NT与变压器33的初级侧的第二端子之间提供。
备选地，谐振回路32可包含连接于第一半桥31的第四节点N4与变压器33的初级侧的第一端子之间的、谐振电容器Cr与谐振电感器的串联连接。有源前端级2的电容器C1、C2的串联连接的第三节点N3与变压器33的初级侧的第二端子连接。谐振回路32的并联电感器Lm在变压器33的初级侧的第一端子与变压器33的初级侧的第二端子之间提供。
根据另一个备选实施例，谐振回路32可包含连接于第一半桥31的第四节点N4与变压器33的初级侧的第一端子之间的谐振电感器Lr，以及连接于有源前端级2的电容器C1、C2的串联连接的第三节点与变压器33的初级侧的第二端子之间的谐振电容器Cr。并联电感器Lm在变压器33的初级侧的第一与第二端子之间提供。
在备选实施例中，谐振回路32的谐振电感器Lr和并联电感器Lm也可集成到变压器33的磁结构中。
也可能取代第三节点N3，谐振电容器直接连接到第二DC线路8。在谐振回路32的第二输入与第二DC线路8耦合的情况下，变压器33的初级侧的第二端子优选地直接与第二DC线路8连接，即第二DC线路8与变压器33的初级侧的第二端子之间没有任何组件。
变压器33的次级侧的第一端子与包含第七和第八开关元件S7、S8的串联连接的第二半桥34的第五节点N5耦合。第二半桥34的串联连接在分别与第一和第二输出端子O1、O2连接的第一和第二DC输出线路15、16之间连接。
有源前端级2的开关元件S1至S4以及第一和第二半桥31、34的开关元件S5至S8可实现为MOSFET、IGBT、IGCT等，每一个分别具有集成(内在)或分离的续流二极管D1至D8，它通过并联和反向偏压的方式与相应的开关元件S1至S8连接。
在第一与第二输出端子O1、O2之间施加第三和第四电容器C3、C4的串联连接，其中第三和第四电容器C3、C4的串联连接的第六节点N6与变压器33的次级侧的第二端子耦合。备选地，变压器33的次级侧的第二端子也可以直接与第二输出端子O2耦合。
可设置成谐振回路Cr分成与变压器33的初级侧的第一/第二端子连接的一个电容器以及与变压器33的次级侧的第一/第二端子连接的另一个电容器。
AC/DC转换器1由控制单元5控制。为了向控制单元5提供输入测量，提供电压感测单元10以检测AC输入电压uin并且提供电流感测单元11以检测AC输入电流iin。此外，提供输出感测单元12以检测输出电压Uout。
控制单元5控制有源前端级2的操作并控制无源DC/DC转换器级3。该控制基于AC输入电压uin、AC输入电流iin和DC输出电压Uout的输入测量以及给定所需输出电压Udes来进行。
DC/DC转换器级3实现为谐振变压器级，其中谐振回路32提供谐振回路32和变压器33的组合电路的谐振频率，其中可通过谨慎选择谐振电感器Lr和谐振电容器Cr而调适到一个谐振频率。另一个谐振频率通过选择由谐振电感器Lr和谐振电容器Cr以及并联电感器Lm定义的值来定义。取决于能量流，在相应另一个半桥无源时切换第一半桥31或第二半桥34，以便关联的续流二极管仅充当整流器。
在当前情况下，假设能量流是从有源前端级2到DC/DC转换器级3到输出端子O1、O2。在这种情况下，仅第一半桥31在第二半桥34的开关元件S7和S8关闭时有源地切换，以便关联的续流二极管D7和D8对由变压器33的次级侧提供的电压和电流进行整流。
在备选实施例中，DC/DC转换器可使用谐振回路32两侧的多电平拓扑来实现。然后，需要在两侧进行切换而与功率流无关，以获得有源整流。
假设转换器1作为AC/DC转换器操作，主要控制目标是，输出DC链路电压Uout恒定平均的并且输入电流iin具有低THD以及接近一的功率因数受到控制。由于谐振变压器级3的使用，跨电容器C3和C4的串联连接的恒定输出DC链路电压Uout以及跨电容器C1和C2的变压器级3的输入侧上的中间电压UZ也钳位为固定值并且由变压器匝数比和跨谐振回路32的互阻抗的电压确定。
变压器级3可在针对最佳可能效率优化的固定操作点以开环模式操作。在处于或低于谐振频率的区域以50%占空比的固定频率有源操作半桥就足够了。这在导通期间为有源半桥提供零电压切换并在关断期间提供准零电流切换。
为了实现以上主要控制目标，作为输入测量获取输入电压uin、输入电流iin及输出电压Uout就足够了，后者与中间电压UZ强相关。
如图2中所示，例如控制方案可实现为具有内部线路电流控制器51和外部输出DC链路电压控制器52的级联控制回路。线路输入电流控制器51根据所需电压Udes与实际输出电压Uout之间的输出电压差(使用P或I控制块)进行控制。内部线路电流控制器51的输出值在乘法块54中与使用锁相环电路53从AC输入电压uin提取的正弦波形信号相乘，以便获得具有取决于所需电压Udes与实际输出电压Uout之间的差的幅度的正弦AC电流信号。获得控制电流iline。
控制电流iline和输入电流iin在减法块55中彼此相减，所得电流差供应给外部输出DC链路电压控制器52以获得用于操作有源前端级2的调制指数M。一般来说，调制指数表示调制方案并描述载波信号的调制变量相对于其未调制级的变化程度。因此，根据调制指数M产生的中间链路电压可仅使用在转换器1的输入和输出侧可用的电测量进行控制。
图3示出具有在输入侧串联连接的多个转换器1的转换器布置40，并且其中输出端子并联连接。换言之，每个转换器1的第一输出端子O1互连并且第二输出端子O2互连。在输入侧，有源前端级2串联连接(例如菊花链)，并且在串联连接的有源前端级2上施加输入电压。
转换器布置40由控制单元5控制。供应给控制单元5的测量由检测所有串联连接的有源前端级2上的AC输入电压uin的电压感测单元10以及检测通过所有有源前端级2的AC输入电流iin的电流感测单元11获得。此外，提供输出感测单元12以检测所有DC/DC转换器级3的公共输出电压Uout。
在一个备选实施例中，全部或部分有源前端级2的输入电感器Lin可由与有源前端级2串联连接的公共输入电感器替代，以便从串联的有源前端级2上的电压解耦AC输入电压uin。
以上提出的控制方法还适用于图3的转换器步骤。由于DC/DC转换器级3的所有输出并联连接，这意味着变压器级3的初级侧(或在有源前端级2的输出处)的所有浮动DC链路将钳位到理想地相同的值。因此，当构成为谐振转换器时，由于DC/DC转换器级3的初级侧和次级侧之间的紧密耦合，不需要对中间DC链路电压Uz进行额外的控制，只控制输出DC链路电压就足够了。
不同转换器之间相对于初级侧上的平衡功率分享和电容器平衡的参数变化的影响很小，因为图3的拓扑相当鲁棒并且对这些参数的变化不敏感。具体地说，对谐振电感器Lr、谐振电容器Cr及DC链路电容的值的变化的敏感度低，甚至可以容许+/-20%的变化。
参考标号列表
1 转换器
2 有源前端级
3 DC-DC转换器级
5 控制单元
7 第一DC线路
8 第二DC线路
10 输入电压感测单元
11 输入电流感测单元
12 输出电压感测单元
31 第一半桥
32 谐振回路
33 变压器
34 第二半桥
S1至S8 开关元件
D1至D8 续流二极管
Cr 谐振电容器
Lr 谐振电感器
Lm 并联电感器
Lin 输入电感器
51 内部线路电流控制器
52 外部输出DC链路电压控制器
53 锁相环
54 乘法块
55 减法块

Claims (12)

1.转换器(1)，包括：
有源级(2)，其用于将AC输入处的AC输入电压(uin)转换成中间DC电压(UZ)；
DC/DC转换器(3)，其用于将所述中间DC电压(UZ)变换成DC输出处的输出DC电压(Uout)，其中所述DC/DC转换器(2)具有由谐振电路(32)和变压器(33)构成的谐振变压器(32、33)；
控制单元(5)，其配置成 
    仅基于所述DC/DC转换器(3)的输出DC电压(Uout)、所述转换器(1)的输入电压(uin)和输入电流有源地操作所述有源级(2)，以及
    在开环模式中操作所述DC/DC转换器(3)。
2.如权利要求1所述的转换器(1)，其中，所述控制单元(5)配置成通过以对应于或低于所述谐振变压器(32、33)的谐振频率的开关频率切换所述有源开关，而在所述开环模式中操作所述DC/DC转换器(3)。
3.如权利要求1或2所述的转换器(1)，其中，所述DC/DC转换器(3)具有第一开关单元(31)和第二开关单元(34)，它们各具有通过续流二极管(D5 – D8)各自并联的开关元件(S5 – S8)，其中所述谐振变压器(32、33)布置在所述第一开关单元(31)与所述第二开关单元(34)之间，其中所述控制单元(5)配置成以约50 %的占空比和所述开关频率操作所述开关单元(31、34)中的一个。
4.如权利要求3所述的转换器(1)，其中，所述控制单元(5)配置成或者不驱动所述开关单元(31、34)中相应的另一个以使续流二极管(D5 – D8)充当无源整流器，或者操作所述开关单元(31、34)中相应的另一个以充当有源整流器。
5.如权利要求1至4中的任一项所述的转换器(1)，其中，所述控制单元(5)具有控制功能，它通过计入所述有源级(2)的所述输入电流(iin)以及所述输入电压(uin)和所述DC输出电压(Uout)来反馈控制所述DC输出电压(Uout)和所述输入电流。
6.如权利要求5所述的转换器(1)，其中，所述控制功能是级联控制控制。
7.如权利要求5至6中的任一项所述的转换器(1)，其中，所述有源级(2)具有H桥电路，其中所述H桥电路根据作为所述控制功能的结果的调制指数操作。
8.如权利要求1至7中的任一项所述的转换器(1)，其中，所述有源级(2)具有串联施加的输入电感器(Lin)。
9.如权利要求1至8中的任一项所述的转换器(1)，其中，所述谐振变压器(32、33)由谐振电路(32)和变压器(33)构成，其中所述谐振变压器(32)包括谐振电感器(Lr)、谐振电容器(Cr)和并联电感器(Lm)。
10.包括多个如权利要求1至9中的任一项所述的转换器的布置(40)，其中，所述有源级(2)的所述AC输入串联连接并且所述DC/DC转换器(3)的所述DC输出并联连接，其中所述控制单元(5)配置成仅基于所述并联的DC/DC转换器(3)的公共输出DC电压(Uout)、所述布置(40)的输入处的输入电压、以及经过所述布置(40)的输入电流有源地操作所述有源级(2)。
11.权利要求10所述的布置(40)，其中，以与所述串联连接的有源级(2)串联的形式提供公共输入电感器。
12.用于操作转换器的方法(1)，其中，所述转换器(1)包括：
有源级(2)，其用于将AC输入处的AC输入电压(uin)转换成中间DC电压(UZ)；
DC/DC转换器(3)，其用于将所述中间DC电压(UZ)变换成DC输出处的输出DC电压(Uout)，其中所述DC/DC转换器(3)具有具体由谐振电路(32)和变压器(33)构成的谐振变压器(32、33)，
所述方法包括以下步骤：
    仅基于所述DC/DC转换器(3)的输出DC电压(Uout)、所述转换器(1)的输入电压(uin)和所述有源级(2)的输入电流有源地操作所述有源级(2)，以及
    在开环模式中操作所述DC/DC转换器(3)。
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