CN104737405A - 用于恢复多单元电源中的功率单元功能的装置和方法 - Google Patents

用于恢复多单元电源中的功率单元功能的装置和方法 Download PDF

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Abstract

提供了一种用于操作在多个铁芯中的每一个中包括多个串联的功率单元的多单元电源的方法。每个功率单元包括可以被用于选择性地对功率单元进行旁路和取消旁路的旁路器件。在第一功率单元发生故障并且作为故障的结果而被旁路之后，该方法包括如果第一功率单元故障是由预定操作条件引起的，则在不停止多单元电源的情况下对第一功率单元取消旁路。提供了多个其他方面。

Description

用于恢复多单元电源中的功率单元功能的装置和方法
相关申请的引用
本申请要求享有于2012年8月30日提交的美国临时专利申请序列号61/695,023的权益，出于所有目的通过引用将其全部内容并入本文。
背景技术
本发明涉及多单元电源。更具体地，本发明涉及用于恢复多单元电源中的功率单元功能的装置和方法。
发明内容
在本发明的第一方面中，提供一种用于操作多单元电源(multi-cell powersupply)的方法，所述多单元电源包括在多个铁芯(leg)中的每一个中的多个串联的功率单元(power cell)。每个功率单元包括可以被用于选择性地对功率单元进行旁路和取消旁路的旁路器件。在第一功率单元发生故障并且作为故障的结果而被旁路之后，该方法包括如果第一功率单元故障是由预定操作条件引起的，则在不停止多单元电源的情况下对第一功率单元取消旁路。
在本发明的第二方面中，提供一种多单元电源，所述多单元电源包括在多个铁芯中的每一个中的多个串联的功率单元以及控制器。每个功率单元包括可以被用于选择功率单元进行旁路和取消旁路的旁路器件。第一功率单元发生故障并且作为故障的结果而被旁路。所述控制器被配置为如果第一功率单元故障是由预定操作条件引起的，则在不停止多单元电源的情况下对第一功率单元取消旁路。
根据下面的详细描述、所附的权利要求书以及附图，本发明的其他特征和方面将变得更充分地显而易见。
附图说明
根据下面的详细描述，并结合附图一起考虑，能够更清楚地理解本发明的特征，在附图的各处，相同的标号表示相同的元件，并且附图中：
图1是根据本发明的示例性多单元电源的框图；
图2A是根据本发明的示例性功率单元的框图；
图2B是图2A的示例性功率单元的另一框图；
图3A-3B是根据本发明的串联的功率单元的阵列的示例性电压图表；
图4A是用于确定是否可以对先前被旁路的功率单元取消旁路的根据本发明的示例性方法的流程图；
图4B是用于确定是否可以对先前被旁路的功率单元取消旁路的根据本发明的替代的示例性方法的流程图；
图5是根据本发明的串联的功率单元的阵列的另一示例性的电压图表；
图6是根据本发明的示例性的取消旁路方法；
图7A是根据本发明的第一功率单元被取消旁路的串联的功率单元的阵列的示例性的电压图表；
图7B是根据本发明的第二功率单元被取消旁路的串联的功率单元的阵列的示例性的电压图表；
图7C是根据本发明的第三功率单元被取消旁路的串联的功率单元的阵列的示例性的电压图表；
图8A-8G3是根据本发明的多单元电源的铁芯间(leg-to-leg)相位关系的示例值。
具体实施方式
根据本发明的装置和方法确定是否可以对多单元电源的先前被旁路的功率单元取消旁路。如果可以对先前被旁路的功率单元取消旁路，则根据本发明的装置和方法在不停止所述多单元电源的情况下对先前被旁路的功率单元取消旁路。
诸如在Hammond的第5,625,545号美国专利(“’545专利”)、Aiello等人的第6,014,323号美国专利、Hammond的第6,166,513号美国专利、Rastogi等人的第7,508,147号美国专利以及Hammond等人的第8,169,107号美国专利(出于所有目的，通过引用将其每一个的全部内容并入本文)中描述的多单元电源使用模块化功率单元向诸如三相交流电机这样的负载递送中等电压功率。
如在本文所使用的那样，“中等电压”是大于约690V并且小于约69kV的电压，并且“低电压”是低于约690V的电压。本领域的普通技术人员将理解可以指定其他电压级别作为“中等电压”和“低电压”。例如，在一些实施例中，“中等电压”可以是约1kV和约69kV之间的电压，并且“低电压”可以是低于约1kV的电压。
现在参照图1，描述了根据本发明的示例性的多单元电源10。多单元电源10包括变压器14、功率电路16以及控制器18。多单元电源10从交流源接收三相功率，并且将三相功率递送给负载12(例如，三相交流电机或者其他类似的负载)。本领域的普通技术人员将理解，根据本发明的多单元电源可以与提供多于或少于三个功率相位的交流源一起使用，并且可以向负载12递送多于或少于三个功率相位。另外，本领域的普通技术人员将理解，根据本发明的多单元电源可以包括与在图1中示出的那些相比额外的、更少的或者不同的组件。
变压器14可以是诸如在’545专利中描述的多绕组三相隔离变压器。这样的变压器可以具有星形或网状连接的初级绕组，从三相交流源激励该初级绕组。然后，变压器可以激励多个单相或多相次级绕组。在本发明的示例性实施例中，变压器14包括多个次级绕组，每个对应于功率电路16中的相应的功率单元。本领域的普通技术人员将理解，可以使用其他变压器配置，并且在一些应用中不需要使用隔离变压器。
如图1所示，变压器14耦合到功率电路16，其包括15个功率单元16a1、16a2、16a3、……、16c4、16c5，它们被配置为向负载12提供在三个输出相位(在本文中也被称为“铁芯”)A、B和C上的中等电压输出功率。每个铁芯A、B、C由一组串行耦合的功率单元16a1、16b1、……、16c5进行馈给。
具体地，铁芯A包括五个串行耦合的功率单元16a1、16a2、16a3、16a4和16a5，铁芯B包括五个串行耦合的功率单元16b1、16b2、16b3、16b4和16b5，并且铁芯C包括五个串行耦合的功率单元16c1、16c2、16c3、16c4和16c5。本领域的普通技术人员将理解，功率电路16可以包括多于或少于三个铁芯，并且每个铁芯可以包括多于或少于五个功率单元。
每个铁芯A、B和C的输出电压是铁芯中的功率单元的输出电压之和。例如，如果功率单元16a1、16b1、……、16c5的每个都具有约480V的最大输出电压量值，则功率电路16的每个铁芯能够生成高于中间(neutral)约2400V的最大输出电压量值。
如图1所示，功率单元16a1、16b1、……、16c5中的每一个都耦合到控制器18，控制器18使用电流反馈和电压反馈(未示出)控制功率单元16a1、16b1、……、16c5的操作。控制器18可以是微处理器，诸如Texas Instruments(达拉斯，德克萨斯州)的TMS320F2801处理器、可以被配置为执行处理器功能的可编程门阵列器件(诸如来自Altera或Xilinx的FPGA)或者其他类似的处理器或电路。
现在参照图2A，描述了根据本发明的示例性功率单元(例如功率单元16a1)。功率单元16a1将输入端子φ1i、φ2i、φ3i处的三相交流输入信号转换成输出端子VP和VN处的单相交流输出信号。具体地，功率单元16a1包括整流器20、直流总线电容器22(其可以包括电容器22a和22b)、换流器24、处理器26、光纤接口28以及旁路器件30。本领域的普通技术人员将理解，根据本发明的功率单元可以包括与在图2A中所示的组件相比另外的、更少的或不同的组件。另外，本领域的普通技术人员将理解，根据本发明的功率单元可以包括在本领域中已知的四象限(“4-Q”)功率单元。
整流器20包括耦合到输入端子φ1i、φ2i、φ3i的二极管32a、32b、32c和34a、34b、34c，并且将三相交流输入信号转换成耦合到直流总线电容器22a和22b的基本恒定的直流电压。本领域的普通技术人员将理解，直流总线电容器22a和22b可以包括电容器组，并且所需的电容的具体量取决于每个特定的应用。
换流器24将跨越直流总线电容器22a和22b的直流电压转换成换流器输出端子VIP和VIN处的交流输出。换流器24可以是桥接转换器，其包括半导体开关36a、36b、36c和36d以及二极管38a、38b、38a和38d。半导体开关36a、36b、36c和36d可以是任何适合的开关元件，诸如绝缘栅双极晶体管(“IGBT”)或者其他类似的开关元件。取决于功率级别，可以选取各种固态组件。如图2A所示，跨越对应的半导体开关36a、36b、36c和36d分别配置二极管38a、38b、38a和38d。
半导体开关36a、36b、36c和36d耦合到处理器26，处理器26使用脉冲宽度调制(“PWM”)来向换流器输出VIP和VIN选择性地施加DC功率。在这样的PWM操作中，开关36a、36b、36c和36d可以被视为随着它们进行操作而完全地接通或完全地断开。本领域的普通技术人员将理解，换流器24可以具有在图2A中示出的桥接转换器之外的拓扑，并且可以使用PWM之外的控制模式。
处理器26可以经由光纤接口28耦合到控制器18。处理器26可以是TMS320F2801处理器，或者可以是任何其他类似的处理器。光纤接口28可以是AFBR 2624Z/AFBR 1624Z光纤接收器/发送器对，或者可以是任何其他类似的光纤接口。处理器26可以向控制器18通信关于功率单元16a1的状态信息，并且控制器18可以向处理器26通信控制信号以控制功率单元16a1的操作。
旁路器件30耦合在换流器输出端子VIP和VIN与功率单元输出端子VP和VN之间。旁路器件30可以是机械的、电子的或者组合机械和电子的器件，其可以在第一配置和第二配置之间被选择性地切换。旁路器件30可以包括磁接触器、弹簧加载触点、一对反并联硅控整流器、或者一对串行晶体管，诸如在图1D以及Hammod等人的第5,986,909号美国专利(“’909专利”)的附文(出于所有目的，通过引用将其全部内容并入本文)中所描述的那样。本领域的普通技术人员将理解，可以将其他电路和/或器件用于旁路器件30。
在图2A所示的示例性实施例中，旁路器件30包括第一开关S1和第二开关S2。第一开关S1和第二开关S2可以基于由处理器26提供的控制信号(未示出)被选择性地打开和关闭。本领域的普通技术人员将理解，本发明的替代实施例可以包括使用单个开关的旁路器件。如图2A所示，旁路器件30处于其中第一开关S1关闭并且第二开关S2打开，并且换流器输出端子VIP和VIN分别耦合到功率单元输出端子VP和VN的第一配置。在该第一配置中，由功率单元16a1引导电流，并且功率单元16a1“未被旁路”。
相反地，图2B图示处于第二配置中的旁路器件30，其中第一开关S1打开并且第二开关S2关闭，在功率单元16a1的输出端子VP和VN之间形成分流路径。在第二配置中，电流被引导经过旁路器件30而不是功率单元16a1，并且功率单元16a1“被旁路”。因此，可以使用旁路器件30来选择性地对功率单元16a进行旁路以及不进行旁路(或“取消旁路”)。
再次参照图1，在正常操作期间，功率单元16a1、16a2、16a3、……、16c4和16c5中的每一个都是操作的并且未被旁路，并且每个铁芯A、B、C的输出电压是铁芯中的所有五个功率单元的输出电压之和。例如，图3图示串联的功率单元16a1、16a2、16a3、……、16c4和16c5的阵列，它们图示来自每个铁芯的电压以及铁芯之间的相移。在该示例的示例中，每个功率单元16a1、16a2、16a3、……、16c4和16c5能够产生480V的交流输出电压。本领域的普通技术人员将理解，功率单元16a1、16a2、16a3、……、16c4和16c5可以提供其他的交流输出电压。
在所示的图中，每个功率单元16a1、16a2、16a3、……、16c4和16c5用圆来表示，其中在中间点N和各个点A、B和C之间的每个铁芯中连接五个单元。如所示那样，这样的多单元电源通常可以产生从点N到点A、B和C中的每一个的多达大约2400V。如果控制器18使这三个电压在量值上相等并且相互地相移120°，则阵列将生成平衡的三相交流输出电压。在该情况下，来自图3所示的阵列的最大可用线间输出电压(例如VAC、VBA、VCB)为4160V。
功率单元16a1、16a2、16a3、……、16c4和16c5中的一个或多个有时可能发生故障，且可以例如使用在图2A-2B中示出的对应的旁路器件30对发生故障的功率单元进行旁路。在这样的情况下，从点N到点A、B和C中的每一个的电压通常将不再在量值上相等。例如，如果图3A中的功率单元16a4和16a5发生故障并且被旁路，但是所有其他功率单元是完全工作的，则铁芯A能够生成高于中间仅仅大约1440V的最大输出电压量值，而铁芯B和C仍然能够生成高于中间大约2400V的最大输出电压量值。
如在本领域中已知的那样，可以在对一个或多个功率单元进行旁路时使用各种技术来重新配置多单元电源10的操作。例如，’909专利描述用于重新配置多单元电源的操作以使得可以使用所有未被旁路的功率单元以有助于平衡的输出电压的方法。具体地，通过临时抑制多单元电源的正常操作、修改相位A、B和C之间的相位角以及使用所修改的相位角来恢复多单元电源的操作，可以将所有未被旁路的功率单元用于提供具有相等的量值并且在VAC、VBA和VCB之间具有120°的相互相移的线间电压VAC、VBA、VCB。
例如，如图3B所示，如果功率单元16a4和16a5发生故障并且被旁路，但是所有其他功率单元保持完全地工作，则可以将相位B和C之间的相位角降低至95°，并且可以将相位A和C之间以及A和B之间的相位角增加至132.5°，从而将生成具有3542V的相等量值并且在VAC、VBA和VCB之间具有120°的相互相移的线间电压VAC、VBA和VCB。
虽然多单元电源可以在一些功率单元被旁路的情况下保持操作，但是优选恢复所有的功率单元来服务。在一些实例中，功率单元可以作为使功率单元发生故障临时的操作条件(例如，短暂的环境温度增加)的结果而被旁路。如果功率单元在其他情况下是健康的，并且如果触发故障的操作条件不再存在，则优选对先前被旁路的功率单元取消旁路。
传统地，被旁路的功率单元只能通过停止多单元电源(从而完全地切断给负载的电力并且使负载的操作暂停)、在受影响的功率单元中分离(disengage)旁路、然后重新启动多单元电源来取消旁路。然而，这样的停止和重新启动过程耗时并且负面地影响设备的效率以及正在由负载驱动的处理。
根据本发明，在某些确定情况下，可以在不停止多单元电源的情况下对多单元电源的先前被旁路的功率单元取消旁路。具体地，可以测试先前被旁路的功率单元以确定：(a)引起功率单元故障的操作条件是否为预定数量的操作条件之一；(b)操作条件是否不再存在；和/或(c)被旁路的功率单元是否以其他方式工作。基于测试结果，可以对先前被旁路的功率单元取消旁路。如在下面更详细地描述的那样，根据本发明，可以在不停止多单元电源的情况下对先前被旁路的功率单元取消旁路。
现在参考图4A，描述用于确定是否可以对先前被旁路的功率单元16a1、16a2、16a3、……、16c4和16c5中的一个或多个取消旁路的根据本发明的示例性方法50。方法50可以实现为硬件、软件或硬件和软件的组合，诸如控制器18或其他处理器。
将使用图5来图示方法50的操作。具体地，图5图示串联的功率单元16a1、16a2、16a3、……、16c4、16c5的阵列，其中功率单元16b4、16c3和16c5先前已经发生故障并且被旁路(例如，功率单元16b4、16c3和16c5的旁路器件30b4、30c3和30c5分别全部被接入)，所有剩余的功率单元是操作的，并且相位A、B和C之间的相位角已经被调节以提供具3249V的相等量值并且在VAC、VBA和VCB之间具有120°的相互相移的线间电压VAC、VBA、VCB。
再次参考图4A，开始于步骤52，查询发生故障并被旁路的功率单元(例如功率单元16b4)以确定功率单元是否能够报告引起故障的操作条件。例如，功率单元16b4的处理器26可以监视功率单元16b4的多个操作条件(例如，直流总线电压、一个或多个操作温度、输入电压、输入电流、IGBT状态、电弧检测或其他类似的操作条件)，并且可以响应于来自控制器18的查询，经由光纤接口28报告操作条件。
基于对查询的响应，控制器18确定被旁路的功率单元是否经历了引起功率单元故障的一个或多个预定的操作条件。例如，在步骤54a-54d，控制器18分别确定所报告的操作条件是否指示功率单元16b4经历了过电压故障、超温故障、线路故障或随机故障。
如果功率单元16b4的直流总线电压超过预定阈值，则可以指示过电压故障。如果功率单元16b4的所监视的温度超过预定阈值，则可以指示超温故障。对于4-Q功率单元，如果由于线路下垂(line dip)而存在过多的输入电流，则可以指示线路故障。随机故障可以是上述的具体故障条件之外的任何故障条件。本领域的普通技术人员将理解，控制器18可以确定所报告的操作条件是否指示发生故障的功率单元经历了上述预定故障之外的另外的、更少的或替代的故障条件。
因此，在步骤54a，如果所报告的操作条件指示功率单元16b4经历了过电压故障，则处理进行到步骤56a，并且控制器18确定过电压故障是否是再生的结果。如果多单元电源10吸收来自负载12的再生功率，则所有未被旁路的功率单元的直流总线电压增加。因此，最敏感的功率单元将发生故障(例如功率单元16b4)。
当这样的过电压故障出现时，多单元电源10将临时抑制正常的操作，对发生故障的功率单元16b4进行旁路，修改相位A、B和C之间的相位角，并且使用如上所述的所修改的相位角来恢复多单元电源10的操作(假设剩余的未被旁路的功率单元不类似地经历过电压故障)。在多单元电源10被临时抑制的同时，剩余的未被旁路的功率单元将停止接受再生功率，从而将使得直流总线电压下降。多单元电源10将恢复操作，但是发生故障的功率单元16b4保持被旁路。
如果这样的过电压故障不是有缺陷的功率单元(例如，应当保持被旁路直至其被替换为止的功率单元)的结果，而是由于多单元电源10吸收了来自负载12的再生功率而造成的，则可以对被旁路的功率单元16b4取消旁路。
因此，在步骤56a，控制器18确定多单元电源10是否在功率单元16b4的过电压故障之前吸收了来自负载12的再生功率。例如，控制器18可以查询所有其他未被旁路的功率单元16a1、16a2、16a3、……、16c2和16c4以确定是否那些功率单元也在功率单元16b4的故障之前经历了增加的直流总线电压。替代地或者另外地，控制器18可以确定多单元电源16是否在功率单元16b4上的故障之前吸收了来自负载12的功率。
如果测试中的任何一个或两者指示多单元电源10在功率单元16b4的过电压故障之前吸收了来自负载12的再生功率，则处理进行到步骤58以对功率单元16b4取消旁路。如果一个或两个测试未能指示再生，则处理进行到步骤60以继续对功率单元16b4进行旁路。
再次参考步骤54a，如果所报告的操作条件指示功率单元16b4未经历过电压故障，则处理进行到步骤54b，并且控制器18确定所报告的操作条件是否指示功率单元16b4经历了超温故障。
如果多单元电源10临时过热，则最敏感的功率单元通常将发生故障(例如功率单元16b4)。因此，多单元电源10将临时抑制正常操作，对发生故障的功率单元16b4进行旁路，修改相位A、B和C之间的相位角，并且使用上述的所修改的相位角来恢复多单元电源10的操作(假设剩余的未被旁路的功率单元未经历超温故障)。
如果这样的超温故障不是由于缺陷功率单元(例如应当保持被旁路直至其可以被替换为止的功率单元)，而是由于多单元电源10临时过热导致的，并且如果功率单元16b4随后冷却，则可以对被旁路的功率单元16b4取消旁路。
因此，在步骤56b，控制器18确定多单元电源10是否在功率单元16b4的超温故障之前临时过热。例如，控制器18可以查询所有的功率单元16a1、16a2、16a3、……、16c2和16c4以确定功率单元是否在功率单元16b4的故障之前经历了温度的增加，并且不再处于增加的操作温度。
如果测试指示多单元电源10在功率单元16b4的超温故障之前临时过热，并且所有功率单元不再处于增加的操作温度，则处理进行到步骤58以对功率单元16b4取消旁路。如果测试未能指示临时过热，则处理进行到步骤60以继续对功率单元16b4进行旁路。
再次参照步骤54b，如果所报告的操作条件指示功率单元16b4未经历超温故障，则处理进行到步骤54c，并且控制器18确定所报告的操作条件是否指示功率单元16b4经历了线路故障。
如果在驱动多单元电源10的交流源上出现线路干扰，则最敏感的功率单元通常将发生故障(例如功率单元16b4)。因此，多单元电源10将临时抑制正常操作，对发生故障的功率单元16b4进行旁路，修改相位A、B和C之间的相位角，并且使用上述的所修改的相位角来恢复多单元电源10的操作(假设剩余的未被旁路的功率单元不类似地经历线路故障)。
如果这样的线路故障不是有缺陷的功率单元(例如应当保持被旁路直至其被替换为止的功率单元)的结果，而是由于多单元电源10经历了临时线路干扰而导致的，则可以对被旁路的功率单元16b4取消旁路。
因此，在步骤56c，控制器18确定多单元电源10是否在功率单元16b4的线路故障之前经历了临时线路干扰。例如，控制器18可以监视流向多单元电源10的输入电流、输入电压和/或输入功率以检查在功率单元16b4的故障之前的偏移。
如果测试指示在功率单元16b4的故障之前，输入电压与额定相比变化很大，或者输入电流改变多于由单个功率单元能够生成的电流，或者如果输入功率改变多于由单个功率单元能够生成的功率，则处理进行到步骤58以对功率单元16b4取消旁路。如果测试未能指示这样的输入电流、输入电压或输入功率偏移，则处理进行到步骤60以继续对功率单元16b4进行旁路。
再次参照步骤54c，如果所报告的操作条件指示功率单元16b4未经历线路故障，则处理进行到步骤54d，并且控制器18确定功率单元16b4是否经历了临时随机故障，但是以其他方式是工作的。如果功率单元16b4的故障不是有缺陷的功率单元(例如应当保持被旁路直至其可以被替换为止的功率单元)的故障，而是由某种随机原因导致的，则可以对被旁路的功率单元16b4取消旁路。
因此，在步骤56d，控制器18确定功率单元16b4是否工作。例如，在功率单元16b4保持被旁路的同时，控制器18可以测试功率单元16b4的换流器24的半导体开关36a、36b、36c和36d的电压阻断能力以确定开关是否正在正确地工作。
例如，参照图2A，可以与每个半导体开关36a、36b、36c和36d平行地放置电阻器和光耦合器(未示出)以监视跨越每个开关的电压。然后，控制器18(经由处理器26)可以断开每个半导体开关36a、36b、36c和36d以确定是否所有四个开关都有效地阻断电压，然后单独地开启半导体开关36a、36b、36c和36d以确定每个开关是否在被请求时导通。
再次参照图4A，如果所有半导体开关36a、36b、36c和36d在被断开时阻断电压，并且在开启时导通电流，则处理进行到步骤58以对功率单元16b4取消旁路。如果测试指示半导体开关36a、36b、36c和36d中的任何一个未能适当地断开和开启，则处理进行到步骤60以继续对功率单元16b4进行旁路。
在步骤58和60之后，处理进行到步骤62以确定是否已经对任何另外的功率单元16a1、16a2、16a3、……、16c2和16c4进行旁路(例如，在图5中的功率单元16c3和16c5)。如果已经对另外的功率单元进行旁路，则处理返回到步骤52，并且确定另外的发生故障的功率单元是否经历了一个或多个预定的故障条件。
本领域的普通技术人员将理解，步骤54a-54d的序列可以以任何顺序重新布置。另外，本领域的普通技术人员将理解，根据本发明的示例性处理可以一次性地测试多于一个的发生故障的功率单元，并且可以一次性地对多于一个的发生故障的功率单元取消旁路。
另外，如图4B所示，在替代的示例性处理50’中，可以在所有的实例中，在对功率单元取消旁路而不停止多单元电源10之前实现步骤56d(确定所有的半导体开关36a、36b、36c和36d是否在断开时阻断电压，并且在开启时导通电流)。这可以用作另外的防护，以确认可以安全地对作为再生、临时过热和/或线路干扰的结果而发生故障的功率单元取消旁路。
如以上在图4A和4B中所描述的那样，在步骤58，可以对先前被旁路的功率单元取消旁路。再在参照图6，描述用于在不停止多单元电源10的情况下对先前被旁路的功率单元取消旁路的根据本发明的示例性处理70。
开始于步骤72，临时抑制多单元电源10的操作。例如，参照图1和2，控制器18可以通过抑制到功率单元16a1、16a2、16a3、……、16c4、16c5中的每一个的每个换流器24的半导体开关36a、36b、36c和36d的门控信号来抑制多单元电源10的操作。由此，多单元电源10的半导体开关36a、36b、36c和36d停止切换，并且多单元电源10不向负载12供应电压。
再次参照图6，在步骤74，重新配置发生故障的功率单元(例如功率单元16b4)的旁路器件30以对功率单元16b4取消旁路，从而重新配置串联的功率单元16a1、16a2、16a3、……、16c4、16c5的阵列。例如，图7A图示串联的功率单元16a1、16a2、16a3、……、16c4、16c5的阵列，其中重新配置旁路器件30b4以对功率单元16b4取消旁路。
再次参照图6，在步骤76，针对串联的功率单元16a1、16a2、16a3、……、16c4、16c5的重新配置的阵列确定相位A、B和C之间的修改的相位角。如在’909专利中所描述的那样，相位A、B和C之间的所需要的相位角取决于每个相位中的工作的功率单元的数量。例如，控制器18可以计算串联的功率单元16a1、16a2、16a3、……、16c4、16c5的阵列的每个配置的特定的相位角。替代地，控制器18可以(例如，在一个或多个查找表中)存储串联的功率单元16a1、16a2、16a3、……、16c4、16c5的阵列的各种配置的预定的相位角关系。
现在参照图8A-8G3，说明利用每个铁芯从两个到八个功率单元的任意的情况的多单元电源的铁芯间相位关系的示例性表格值。在这些表格中，假设铁芯是以具有铁芯A、B和C的三相Y布置。对每个表进行了约分以提供相同的值而不管给定的铁芯中的哪个功率单元被旁路。例如，在图8A中，具有A单元＝1的铁芯对应于已经对二功率单元铁芯中的两个功率单元之一进行了旁路。
另外，因为多单元电源中的旁路条件导致一致的相位关系而不管哪个铁芯具有该数量的被旁路的功率单元，所以具有A＝5、B＝3和C＝5的多单元功率电源与具有未被旁路的单元A＝5、B＝5和C＝3的多单元电源相同。因此，表格提供简易形式以覆盖所有的这些组合。在表格中，总是将A单元列为具有最多的未被旁路的功率单元，B为第二最多的未被旁路的功率单元，并且C为最少的未被旁路的功率单元。可以在微处理器方案中使用表格作为查找表以确定具有被旁路的功率单元的电源中的正确的相位关系。
在表格中，项Vmax％用于指示作为正常的线间电压的百分比在被旁路的条件下可用的最大电压。所有的相位角与不具有被旁路的单元的多单元电源中的正常的A向量有关系。作为示例，Aρ是相比于未旁路模式下的A铁芯的旁路模式下的A铁芯之间的角度。所有给定的角与未旁路模式下的A铁芯的向量有关。
因此，例如，参照图7A和8D，关于被重新配置为对功率单元16b4取消旁路的旁路器件30b4，多单元电源10对应于A＝5、B＝5和C＝3配置，其中Vmax％＝85.1、Aρ＝12.5°、Bρ＝107.5°并且Cρ＝240°。因此，如图7A所示，相位A和相位B之间的相位角是(107.5°-12.5°)＝95°，相位B和相位C之间的相位角是(240°-107.5°)＝132.5°，并且相位C和相位A之间的相位角是(372.5°-240°)＝132.5°。
再次参照图6，在步骤78，控制器18恢复多单元电源10的操作。如图7A所示，关于取消旁路的功率单元16b4，多单元电源10提供具有3542V(4160V的85.1％)的相等的量值并且在VAC、VBA和VCB之间具有120°的相互相移的线间电压VAC、VBA、VCB。在这一点上，在不停止多单元电源10的情况下对先前被旁路的功率单元16b4取消了旁路。
本领域的普通技术人员将理解，临时抑制多单元电源10、对先前被旁路的功率单元16b4取消旁路、确定相位A、B和C之间的所修改的相位角以及恢复多单元电源10的操作的时间是非常短的，例如在大约100ms到大约350ms之间，或者其他类似的持续时间。在该时间间隔期间，负载12由于负载的惯性而度过(ride-through)该功率中断。如果惯性低，则负载12可能显著地慢下来。然而，与先前的技术不同，根据本发明的方法不停止多单元电源10，停止多单元电源10将完全地关闭给负载12的功率并且暂停负载12的操作。
在先前被旁路的功率单元16c3的情况下，可以重复图6的示例性处理70。因此，在步骤72，多单元电源10的操作被抑制，并且在步骤74，发生故障的功率单元(例如功率单元16c3)的旁路器件30被重新配置以对功率单元16c3取消旁路，从而重新配置串联的功率单元16a1、16a2、16a3、……、16c4、16c5的阵列。例如，图7B图示串联的功率单元16a1、16a2、16a3、……、16c4、16c5的阵列，其中先前被旁路的功率单元16c3被取消旁路。
再次参照图6，在步骤76，针对串联的功率单元16a1、16a2、16a3、……、16c4、16c5的重新配置的阵列确定相位A、B和C之间的修改的相位角。参照图7B和8D，关于被重新配置为对功率单元16c3取消旁路的功率单元16c3的旁路器件30c3，多单元电源10对应于A＝5、B＝5和C＝5配置，其中Vmax％＝92.9，Aρ＝6.4°，Bρ＝113.6°并且Cρ＝240°。因此，如图7B所示，相位A和相位B之间的相位角是(113.6°-6.4°)＝107.2°，相位B和相位C之间的相位角是(240°-113.6°)＝126.4°，并且相位C和相位A之间的相位角是(366.4°-240°)＝126.4°。
再次参照图6，在步骤78，控制器恢复多单元电源10的操作。如图7B所示，在被取消旁路的功率单元16c3，多单元电源10提供具有3865V(4160V的92.9％)的相等的量值并且在VAC、VBA和VCB之间具有120°的相互相移的线间电压VAC、VBA、VCB。在这一点上，先前被旁路的功率单元16c3已经被取消旁路，而不停止多单元电源10。
同样地，在先前被旁路的功率单元16c5的情况下可以重复图6的示例性处理70。因此，在步骤72，多单元电源10的操作被抑制，并且在步骤74，发生故障的功率单元(例如功率单元16c5)的旁路器件30被重新配置以对功率单元16c5取消旁路，从而重新配置串联的功率单元16a1、16a2、16a3、……、16c4、16c5的阵列。例如，图7C图示串联的功率单元16a1、16a2、16a3、……、16c4、16c5的阵列，其中功率单元16c5的先前被旁路的器件30c5被重新配置以对功率单元16c5取消旁路。
再次参照图6，在步骤76，针对串联的功率单元16a1、16a2、16a3、……、16c4、16c5的重新配置的阵列确定相位A、B和C之间的修改的相位角。参照图7C和8D，在被重新配置为对功率单元16c5取消旁路的功率单元16c5的旁路器件30c5，多单元电源10对应于A＝5、B＝5和C＝5配置，其中Vmax％＝100，Aρ＝0°，Bρ＝120°，并且Cρ＝240°。因此，如图7C所示，相位A和相位B之间的相位角是(120°-0°)＝120°，相位B和相位C之间的相位角是(240°-120°)＝120°，并且相位C和相位A之间的相位角是(360°-240°)＝120°。
再次参照图6，在步骤78，控制器18恢复多单元电源10的操作。如图7C所示，关于被取消旁路的功率单元16c5，多单元电源10提供具有4160V(4160V的100％)的相等的量值并且在VAC、VBA和VCB之间具有120°的相互相移的线间电压VAC、VBA、VCB。在这一点上，先前被旁路的功率单元16c5已经被取消旁路，而不停止多单元电源10。
本领域的普通技术人员将理解，可以使用其他技术(例如，在’909专利中描述的替代技术)来确定串联的功率单元16a1、16a2、16a3、……、16c4、16c5的重新配置的阵列的相位A、B和C之间的相位角，使得可以在不停止多单元电源10的情况下对先前被旁路的功率单元取消旁路。
前述内容仅图示本发明的原理，本领域的普通技术人员可以做出各种修改而不脱离本发明的范围和精神。

Claims (20)

1.一种操作多单元电源的方法，所述多单元电源在多个铁芯中的每一个中包含多个串联的功率单元，每个功率单元包含旁路器件，所述旁路器件可以被用于选择性地对功率单元进行旁路和取消旁路，其中，在第一功率单元发生故障并且作为故障的结果而被旁路之后，所述方法包含：
如果第一功率单元故障是由预定操作条件引起的，则在不停止所述多单元电源的情况下对第一功率单元取消旁路。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述预定操作条件包含过电压条件、超温条件以及线路干扰中的任何一个。
3.根据权利要求1所述的方法，还包含确定所述预定操作条件是否不再存在于对第一功率单元取消旁路之前。
4.根据权利要求1所述的方法，还包含确定被旁路的功率单元是否在对第一功率单元取消旁路之前是工作的。
5.根据权利要求1所述的方法，其中每个铁芯连接在在节点和相应的线路之间，并且所述多单元电源包含在铁芯对之间的线间电压输出，并且其中所述方法还包含：
控制多个功率单元以最大化线间电压输出并且维持线间电压输出在量值上基本相等。
6.根据权利要求5所述的方法，还包含基本平衡的线间相位。
7.根据权利要求5所述的方法，其中维持线间电压输出在量值上基本相等包含调节铁芯间相位关系。
8.根据权利要求7所述的方法，其中调节包含计算铁芯间相位角以生成经基本平衡的线间电压。
9.根据权利要求7所述的方法，其中调节包含使用基于每个铁芯中的发生故障的单元的数量的预定角度。
10.根据权利要求9所述的方法，其中从值的表格获得所述预定角度。
11.一种多单元电源，包含：
在多个铁芯中的每一个中的多个串联的功率单元，每个功率单元包含可以被用于选择性地对功率单元进行旁路和取消旁路的旁路器件；
发生故障并且作为故障的结果而被旁路的第一功率单元；以及
控制器，被配置为如果第一功率单元故障是由预定操作条件引起的，则在不停止所述多单元电源的情况下对第一功率单元取消旁路。
12.根据权利要求11所述的多单元电源，其中所述预定操作条件包含过电压条件、超温条件以及线路干扰中的任何一个。
13.根据权利要求11所述的多单元电源，其中所述控制器确定所述预定操作条件是否不再存在于对第一功率单元取消旁路之前。
14.根据权利要求11所述的多单元电源，其中所述控制器确定被旁路的功率单元是否在对第一功率单元取消旁路之前是工作的。
15.根据权利要求11所述的多单元电源，其中每个铁芯连接在在节点和相应的线路之间，并且所述多单元电源包含在铁芯对之间的线间电压输出，并且其中所述控制器控制多个功率单元以最大化线间电压输出并且维持线间电压输出在量值上基本相等。
16.根据权利要求15所述的多单元电源，其中所述控制器基本平衡的线间相位。
17.根据权利要求15所述的多单元电源，其中所述控制器调节铁芯间相位关系以维持线间电压输出在量值上基本相等。
18.根据权利要求17所述的多单元电源，其中所述控制器计算铁芯间相位角以生成经基本平衡的线间电压。
19.根据权利要求17所述的多单元电源，其中所述控制器通过使用基于每个铁芯中的发生故障的单元的数量的预定角度来调节铁芯间相位关系。
20.根据权利要求19所述的多单元电源，其中所述控制器从值的表格获得所述预定角度。
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