CN104145409A - 具有数字电流控制电路的电力转换器 - Google Patents

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Abstract

一种用于电力转换器(200)控制其切换的电流控制电路(208)，其中，电流控制电路包括数字控制器(210)，其使用逻辑输入信号(226)产生用于电力转换器的、具有固定的基本频率的逻辑控制信号(212)。

Description

具有数字电流控制电路的电力转换器
描述
发明领域
本发明涉及用于例如不间断电源(UPS)的电力转换器的控制系统和方法。
发明背景
不间断电源(UPS)可以用于在其中主电源发生故障或以不寻常的方式执行的情况下提供应急电力。由于使用的电池和UPS电路的性质，UPS被设计为以接近瞬时或瞬时的方式切换。UPS可以用于处理在主电源处发生的大量不寻常的事件，例如：电力故障、浪涌、突降、电源中的尖峰电压、噪声、频率不稳定性、谐波失真等。
UPS可以用于保护任何类型的设备，然而通常UPS最常在计算机、数据中心、电信系统以及如果没有电力则可以引起例如对人或商业利益造成损害的严重后果的任何其它的电气设备中。
UPS可以采取很多不同的形式并且涉及各种不同的技术。UPS的最常见的一般类别是在线式、在线交互式以及待机式。这些类别中的每种在本领域都是公知的，而且例如混合拓扑结构和耐铁技术(ferro-resistant)的其它替代方案在本领域也一样是公知的。
UPS包括三个主要的电力转换器。DC到AC转换器用于给负载提供干净的AC电压。所述DC到AC转换器被称为逆变器并且可以通过两个不同的输入源来供电。首先，逆变器可以通过被用于将AC输入源电压转换为DC电压，进而用于向DC到AC转换器提供输出的AC到DC转换器供电。其次，双向DC到DC转换器可以在输入AC源中存在故障的任何情况下使用，以由此从电池对DC到AC转换器供电。
UPS中的三个电力转换器被控制板控制以达到为UPS限定的目标。一个这样的目标可以概括为：无论输入AC电压源的状态如何，都以安全可靠的方式向输出用户负载提供高质量电压。为了实现这些目标，需要使用调节算法等来控制某些物理信号。对每个转换器调节输出电压和驱动电流。通常而言，用于控制UPS中的输出电压和驱动电流的所有调节算法被嵌入到同一个控制板中。
使用同一个控制板的一个问题是，控制板需要针对任何新的UPS要求(电力拓扑结构、产品架构等)进行重新设计。该问题会在每次有新的项目时出现。由于期望的对于控制的高可靠程度和UPS的具体要求，故对来自较老的产品的控制板进行重新利用是困难的。
为了设计其中的控制装置可以在将来的产品中重复使用的新产品，调节功能或控制功能已经被划分为两大类别。第一个类别包括对所有UPS产品要求共同的调节；第二个类别包括特定于每个新的UPS产品要求的调节。
为了改进对控制装置将来的重复使用，这两种类别的调节或控制功能必须被嵌入到两个不同的电路板中。第一个电路板是包括第一个类别的调节(所有UPS共同的)的共同可重复使用的电路板，并且第二个电路板是包括第二个类别的调节(特定于一个特定的UPS)的、将针对每个新产品进行重新设计的专用电路板。
通常而言，专用电路板都是片上设计，这是因为制造的单元的数量将较少并且可能仅仅与一个产品相关。
共同可重复使用的电路板将包括所有共同的调节和复杂的算法。因为制造的数量将很多，故相比于专用电路板的情况，成本最优化将具有较低的优先级。
本发明提供以有成本效益的方式在专用控制电路板中实施电流调节的方式。
过去已经尝试了大量提案，以解决该问题。一个提案涉及固定频率线性模拟电流控制器，然而已经发现其难以进行调谐，并具有有限的可靠性和灵活性。另一个提案涉及固定频率线性数字电流控制器。其要求昂贵且快速的、具有有限动态范围的AD转换器。因此，该解决方案是昂贵的并且已经降低了性能。第三个提案涉及具有或不具有可变滞环的可变频率滑动模式控制器。其不适用于其中需要固定切换频率的情况。第四个提案涉及固定频率峰值电流控制器。然而，这引起动态误差的增大并且要求复杂模拟实现以处理所有的补偿要求。
通常而言，电流控制器可以被归类为两种主要类型，它们是线性电流控制器和非线性电流控制器。
线性电流控制器将电流基准与电流测量进行比较并且计算误差。通常包括增益或积分的线性函数被应用于误差，并且线性函数的结果被提供给控制板以控制电流。二进制指令信号通过控制板产生以控制逆变器的输出电流，并且从而控制供电电流。指令信号具有被改变以控制逆变器、但是定期设置为零并且因此被认为是“固定频率”的脉宽。
非线性控制器以相同的方式确定电流误差，并且如果误差超过一定的边界条件则在1到0之间切换指令控制信号。如果误差大于阈值上限，那么设置指令以减小电流，并且如果误差小于阈值下限，那么设置指令以增加电流。在这种情况下，指令信号被认为是“可变频率”，这是因为它仅仅基于阈值值进行切换并且无需任何定时考虑。
如前所述，还存在使用具有固定频率指令的非线性控制的混合控制器。在这种情况下，存在关于指令的两个约束：保持在误差阈值和指令周期之内。在控制板中使用的算法考虑这两个约束并且确定是否切换指令信号。
以上所述的控制器在很多情况下是有用的，但是它们没有解决现有技术的全部问题。
发明目的
本发明的目的是克服与现有技术相关的至少一些问题。
本发明的另一个目的是提供用于使用例如FPGA的数字控制器的UPS的电流控制系统。
发明内容
本发明提供如在所附权利要求中阐述的方法和系统。
根据本发明的一个方面，提供了用于电力转换器以控制其切换的电流控制电路，其中，电流控制电路包括数字控制器，其使用逻辑输入信号产生用于电力转换器的、具有固定的基本频率的逻辑控制信号。
可选地，电路还包括用于测量电力转换器中的电流(Imes)的电流测量设备，所述电流与电流基准(Iref)进行比较以确定电流误差值(Ierr)，所述电流误差值引起来自数字控制器的逻辑控制信号的产生。
可选地，电流误差值被变换为逻辑输入信号以引起通过数字控制器产生逻辑控制信号。
可选地，电路还包括将数字电流基准转换为电流基准(Iref)的数模转换器或脉宽调制接口。
可选地，数字电流基准在数字控制器内部产生或来自外部源。
可选地，电力转换器中的电流(Imes)的电流值、电流基准(Iref)以及电流误差值(Ierr)都是模拟值。
可选地，电力转换器适于接收逻辑控制信号并且通过关闭或打开其中的一个或多个开关来对其做出响应。
可选地，数字控制器被布置为：用根据所述逻辑输入信号的先前转变的定时计算的定时来产生所述逻辑控制信号。
可选地，数字控制器是例如现场可编程门阵列或微处理器的数字构件。
可选地，电路用于在电力转换器控制中使用，以控制其切换。
可选地，电路适于控制电力转换器的特定功能。
可选地，电路用于与适于控制关于电力转换器的共同功能的另外的电流控制电路结合使用。
本发明还涉及具有如在权利要求中定义的电流控制电路的电力转换器。
可选地，电力转换器构成不间断电力提供单元的一部分。
根据本发明的第二方面，提供了控制电力转换器的切换的方法，所述方法包括：
-测量电力转换器中的电流以确定测量到的电流(Imes)；
-将测量到的电流与基准电流(Iref)进行比较以确定逻辑电流误差信号；
-使用逻辑电流误差信号以使得从数字控制器产生具有固定的基本频率的逻辑控制信号，从而控制电力转换器的切换。
可选地，方法还包括将逻辑电流误差信号变换为逻辑值以引起通过数字控制器产生逻辑控制信号。
可选地，方法还包括使用比较器变换逻辑电流误差信号。
可选地，方法还包括将数字基准电流转换为模拟电流(analogue)以产生基准电流。
可选地，方法还包括产生用于电力转换器的逻辑控制信号以打开和关闭其中的一个或多个开关。
可选地，逻辑控制信号用根据所述逻辑输入信号的先前转变的定时计算的定时来产生。
可选地，数字控制器是例如现场可编程门阵列或微处理器的数字构件。
本发明提供限制UPS的环境敏感性的简化的模拟接口。基于数字的(FPGA)控制电路提供灵活性和数字电流基准传输。不需使用模数转换器；从而允许有成本效益的紧凑的解决方案，而且还尚未获得其另外的解决方案。使用FPGA中的载波相位的局部控制的固定的切换频率提供了另外的优点。该设计和架构对于环境变化具有鲁棒性并且提供良好的动态和静态性能。
通过将大部分功能保持在模拟域中并且使用例如过零设备和FPGA的简单数字构件，根据本发明的电流控制电路的制造相对便宜。
在其中使用不同的电路来控制不同的控制功能的情况下，成本问题是另一个优势。权利要求中限定的控制电路可用于控制电力转换器的特定功能，其中由于生产数量相对较少，成本必须进行优化。
附图简述
现在将通过举例的方式参考附图，附图中：
图1是根据本发明的实施例的UPS拓扑结构的框图，
图2是根据本发明的实施例的电力逆变器拓扑结构的电路图，以及
图3是示出了根据本发明的实施例的图2的拓扑结构的电流周期的曲线图。
优选实施例的详细描述
本发明的目的是提供控制UPS的转换器或其它的电力转换器或电力应用中的驱动电流的新方式。
本发明提出了基于数字控制器的非线性固定频率电流控制器，例如用于切换电力电子转换器控制的FPGA。这不会受到采用大量方式的现有技术提案的问题的影响。首先，存在低成本的控制实施并且实施解决方案所需的构件的数量大大地减少了。其次，在固定频率控制器中实现了高的静态和动态控制性能。本发明现在将在下文进行更加详细的描述。
在图1中示出了UPS的典型架构。图1示出了电池100和UPS电路102。UPS电路包括三个转换器：AC到DC PFC(功率因子校正)转换器104、DC到AC逆变器106以及连接到电池100的DC到DC转换器108。图1还示出了通过PFC转换器、逆变器以及断流器110的输入1。第二输入2通过断流器112。转换器通过总线114接收充电。从DC总线获得对电池进行充电的能量意味着，可用功率是有限的，尤其对于低电压输入而言可用功率是有限的。客户可能需要等几个小时以便电池进行完全重新充电。图1中示出的典型的架构还示出了第二输入(输入2)，其可以通过断流器112到达输出116。因此，图1中示出的典型的架构具有三个不同的能量来源，第一输入和第二输入(输入1和输入2)可以是共同的输入。如下文将描述的，所使用的通道通过切换逆变器110和112进行确定。第三电源是在UPS中的电池
在第一种情况下，输入1通过PFC转换器、逆变器以及断流器110到达输出116。如果PFC转换器或逆变器停止运行，那么断流器110关闭开关，这引起输入2被传递到输出116。如果输入1和输入2两者都发生故障，那么使用第三能量来源即电池并且电力通过DC到DC转换器、逆变器以及断流器110传递到输出116。第一电源和第二电源(输入1和输入2)可以是共同的电源。
图2示出了根据本发明的逆变器和电流控制系统200的实例。系统200被连接到与例如扼流器204的电流测量设备串联连接的逆变器106。电容器206也连接到扼流器，使得可以测量通过扼流器的电流和横跨电容器206的电压。
电路还包括处理特定的UPS要求的电流控制电路208。电流控制电路208包括采用数字构件形式的数字控制器，例如现场可编程门阵列(FPGA)210，其将指令信号212传递到逆变器。FPGA还借助于也被称为比较器的过零检测器(ZCD)在一侧横跨电容器连接到第一条线216上的0电压基准(第一比较器)214。第一条线216连接到电容器的右手侧并且测量关于三个主要的转换器的电压。在电容器的左手侧上的第二条线218测量电流并且包括第二比较器设备220。第二比较器设备被连接到滤波器224，滤波器224也被连接到FPGA。数字电流基准226从电压控制环路(未示出)被引入到FPGA或在某些情况下可以在FPGA内部产生。数字电流基准226(Irefd)通过FPGA中的数模转换器228，之后通过滤波器以充当用于第二比较器设备220的模拟基准230(Iref)。
数字电流基准通常通过电压控制电路(未示出)在UPS中产生。在使用了多个电流电路控制架构的情况下，数字电流基准可以来自另外的电流控制电路，例如来自可重复使用的电路(未示出)。可重复使用的电路可以处理所谓的可重复使用或共同的控制功能，其共同用于所有的UPS系统，并且图2中示出的电路可以处理关于讨论中的UPS或电力转换器的特定的控制功能。如果本发明的电路是纯粹的控制电路，那么数字电流基准将来自不同的源或可以在FPGA中本地产生。
FPGA接收电流基准(Irefd)，其来自根据例如如上所述的可重复使用的控制电路板的源，且是数字的或者是脉宽调制的。FPGA使用数模转换器将Irefd转换为本地的板上模拟基准(Iref)。取代数模转换器，该功能可以由脉冲宽度调制器和滤波器的组合来执行。电流(Imes)在电容器的左手侧上进行测量并且被传递到第二比较器设备。基准电流(Irefd)从如先前所述的电压控制环路获得，并且通过数模转换器228和滤波器224以产生Iref，并且在第二比较器设备220处将Iref与电流测量结果(Imes)进行比较。这使辨识任何电流误差(Ierr)成为可能。误差信号是逻辑信号。FPGA使用逻辑信号和内部时钟来产生用于逆变器的合适的指令，并且这样做能够遵从电流基准(Iref)而没有任何静态误差。
电流调节的目的是产生用于逆变器或其它的电力转换器的合适的指令，以促使实际的扼流器电流(也称作Ichoke或Imes)与模拟电流基准(Iref)相等。如果调节是完美的，则剩余误差为零或可忽略不计。如果状态被维持持续特定的时间，则它被称为静止情形。如果误差很大，则调节还没有正确地起作用并且可以更新合适的指令。
由FPGA产生的用于逆变器的指令是请求逆变器开关(IGBT)关闭或打开的逻辑指令(1或0)。产生的指令的数量取决于电力转换器拓扑结构和开关的数量。
优化其中需要电压标记(sign)的一些电力转换器拓扑结构控制装置中的电流调节需要电压测量。这是具有被称为三电平电力拓扑结构的拓扑结构的情况。
现在参考图3，其示出了关于Imes和Iref的电流相对时间的曲线图。x轴是时间轴并且y轴是电流测量结果轴。FPGA具有处于固定的基本频率的内部时钟信号(Tclk)300。示出了Imes(也称作Ichoke)中的变化。其是通过图2的电路中的扼流器的电流。曲线图还示出了逻辑误差信号302和指令信号304中的变化。
在第一步中，FPGA内部时钟上升沿在t＝0时刻触发开关指令。内部计数器捕获该值以确定t1的值。计数器然后可以被复位并且更新模拟基准。
在第二步中，当电流增加并且在t2时刻穿过Iref时，误差电流(Ierr)变为负值并且过零信号下降沿出现。内部计数器值被测量并且因此限定t2的值，然后存储t2的值。然后根据t1和t2的值以及来自先前周期的t3和t4的函数的交叉因子(CF)计算时间t3。交叉因子和使用算法计算所述时间t3的方法在下文进行描述。
在第三步中，当计数器达到与t2加t3对应的值时，给逆变器的指令信号失效并且电流开始再次减小。
在第四步中，当电流穿过基准电流(Iref)时，计数器值被捕获以限定关于t4的值，t4的值也被保存在合适的位置。使用保存的t2、t3和t4的值计算交叉因子(CF)。
在第五步中，FPGA内部时钟的下一个时钟上升沿将引起过程返回到第一步的开始之处。
如前所述，通过控制算法的核心计算了CF和t3。为了限制静态误差并且因此获得集中在下降斜率上的Iref上的扼流器电流(Ichoke或Imes)，达到其中t4＝t1的情况是必要的。根据那种情况，可以限定关于CF和t3的方程。为了实现这个目的，CF被定义为t3/t4。CF给出在电流的交叉点和下降斜率之间的比值并且在第四步中进行计算。通过使用在t2处的CF的值，可能如下定义t3：
t 3 = CF CF + 2 ( Tclk - t 2 )
一旦计算出了交叉因子，它就被FPGA使用以确定用于控制逆变器的合适的控制信号。因此，FPGA控制UPS的供电电流。在这方面上，转换器的控制涉及通过本发明提供的电流控制功能。根据功能是共同用于所有的UPS系统或特定于一个UPS，可以通过不同的电流控制器执行其它的电流控制功能。
本发明的电流控制电路208是整个电流控制系统200的一部分。整个电流控制电路可以包括另外的部分：可重复使用的共同的电流控制电路(未示出)。
本发明的电流控制系统和/或电流控制电路可以在任何电力转换应用或任何电力转换产品中使用。
应当理解的是，本发明可以以很多不同的方式进行变化并且仍然归于本发明如权利要求中所限定的预期范围之内。

Claims (21)

1.一种用于电力转换器控制其切换的电流控制电路，其中所述电流控制线路包括数字控制器，所述数字控制器使用逻辑输入信号产生用于所述电力转换器的、具有固定的基本频率的逻辑控制信号。
2.根据权利要求1所述的电路，其中，所述电路还包括：用于测量所述电力转换器中的电流Imes的电流测量设备，将所述电流Imes与电流基准Iref进行比较以确定电流误差值Ierr，所述电流误差值使得从所述数字控制器产生所述逻辑控制信号。
3.根据权利要求2所述的电路，其中，所述电流误差值被变换成所述逻辑输入信号以引起所述通过所述数字控制器产生所述逻辑控制信号。
4.根据权利要求2到3中的任一项权利要求所述的电路，其中，所述电路还包括将数字电流基准转换成所述电流基准Iref的数模转换器或脉宽调制接口。
5.根据权利要求4所述的电路，其中，所述数字电流基准在所述数字控制器的内部产生或来自外部源。
6.根据权利要求2到5中的任一项权利要求所述的电路，其中，所述电力转换器中的电流Imes的电流值、所述电流基准Iref、以及所述电流误差值Ierr都是模拟值。
7.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的电路，其中，所述电力转换器适于接收所述逻辑控制信号并且通过关闭或打开其中的一个或多个开关来对所述逻辑控制信号做出响应。
8.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的电路，其中，所述数字控制器被布置为用根据所述逻辑输入信号的先前转变的定时计算的定时来产生所述逻辑控制信号。
9.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的电路，其中，所述数字控制器是例如现场可编程门阵列或微处理器的数字构件。
10.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的电路，所述电路用于在电力转换器控制中使用，以控制所述电力转换器的切换。
11.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的电路，其中，所述电路适于控制电力转换器的特定功能。
12.根据前述权利要求中的任一项权利要求所述的电路，所述电路用于与适于控制关于所述电力转换器的共同功能的另外的电流控制电路结合使用。
13.一种电力转换器，所述电力转换器具有根据权利要求1到12中的任一项权利要求所述的电流控制电路。
14.一种不间断电源单元，所述不间断电源单元包括根据权利要求13所述的电力转换器。
15.一种控制电力转换器的切换的方法，所述方法包括：
测量所述电力转换器中的电流以确定测量到的电流Imes；
将所测量到的电流Imes与基准电流Iref进行比较以确定逻辑电流误差信号；
使用所述逻辑电流误差信号以引起从数字控制器产生具有固定的基本频率的逻辑控制信号，从而控制所述电力转换器的切换。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括：将所述逻辑电流误差信号变换成逻辑值以引起所述通过所述数字控制器产生所述逻辑控制信号。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括：使用比较器变换所述逻辑电流误差信号。
18.根据权利要求15到17中的任一项权利要求所述的方法，还包括：将数字基准电流转换成模拟电流，以产生所述基准电流。
19.根据权利要求15到18中的任一项权利要求所述的方法，还包括：产生用于所述电力转换器的所述逻辑控制信号，以打开和关闭所述电力转换器中的一个或多个开关。
20.根据权利要求15到19中的任一项权利要求所述的方法，其中，所述逻辑控制信号用根据所述逻辑输入信号的先前转变的定时计算的定时来产生。
21.根据权利要求15到20中的任一项权利要求所述的方法，其中，所述数字控制器是例如现场可编程门阵列或微处理器的数字构件。
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