CN106663940B - 三级电力拓扑 - Google Patents

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Abstract

根据一个方面，本发明的实施例提供了供电系统，包括：输入端，其被配置成接收来自输入电源的输入AC电力；输出端，其被配置成向负载提供输出AC电力；变换器，其耦合于输入端并且被配置成将输入AC电力变换成经变换的DC电力；第一DC总线，其耦合于变换器并且被配置成接收经变换的DC电力；逆变器，其耦合于第一DC总线和输出端并且被配置成将来自第一DC总线的DC电力变换成输出AC电力；第一DC开关电路，其耦合在第一DC总线和中性点之间；以及控制器，其耦合于第一DC开关电路并且被配置成操作第一DC开关电路，使得在第一DC总线上的电压在变换器和逆变器的切换操作期间是零。

Description

三级电力拓扑
技术领域
本公开的实施例总体涉及用于提供电力的系统和方法。
背景
通常将电源(诸如不间断电源(UPS))用于向电气设备或者负载提供电力。在主电源或者电源不可用时，UPS可以提供电力。传统的在线式UPS使用功率因数校正电路(PFC)来整流由电气设施提供的输入功率，以向DC总线提供电力。整流的DC电压在电源电力可用时通常用于为电池充电，并且向DC总线提供电力。在不存在电源电力的情况下，电池向DC总线提供电力。逆变器从DC总线生成到负载的AC输出电压。由于DC总线由电源或者电池供电，因此在电源出现故障并且电池充分充电时，UPS的输出功率是不间断的。
概述
本发明的至少一些方面和实施例针对供电系统，该供电系统包括：输入端，该输入端被配置成接收来自输入电源的输入AC电力；输出端，该输出端被配置成向负载提供输出AC电力；变换器，该变换器耦合于输入端并且被配置成将输入AC电力变换成经变换的DC电力；第一DC总线，该第一DC总线耦合于变换器并且被配置成接收经变换的DC电力；逆变器，该逆变器耦合于第一DC总线和输出端，并且该逆变器被配置成将来自第一DC总线的DC电力变换成输出AC电力；第一DC开关电路，该第一DC开关电路耦合在第一DC总线和中性点之间；以及控制器，该控制器耦合于第一DC开关电路，并且被配置成操作第一DC开关电路，使得在第一DC总线上的电压在变换器和逆变器的切换操作期间是零。
根据一个实施例，变换器包括耦合在输入端和中性点之间的至少一个第一开关，逆变器包括耦合在第一DC总线和输出端之间的至少一个第二开关，并且控制器耦合于至少一个第一开关和至少一个第二开关，并且控制器还被配置成：操作至少一个第一开关的切换以生成DC电力；操作至少一个第二开关的切换以生成输出AC电力；并且操作第一DC开关电路使得在至少一个第一开关两端的电压在接通切换期间是零，并且使得至少一个第二开关两端的电压在关断切换期间是零。
根据另一个实施例，第一DC开关电路包括：DC开关，该DC开关耦合在第一DC总线和中性点之间；以及二极管，该二极管在第一DC总线和中性点之间并联耦合于DC开关；其中，在操作第一DC开关电路使得在第一DC总线上的电压是零时，控制器还被配置成操作DC开关以关断。在一个实施例中，控制器还被配置成：在同步切换时期使至少一个第一开关的接通切换和至少一个第二开关的关断切换同步。在另一个实施例中，控制器还被配置成在同步切换时期之前的第一时间处关断DC开关。
根据一个实施例，供电系统被配置成操作使得在同步切换时期之前的第一时间处，在输出端处的电流大于在输入端处的电流。在一个实施例中，供电系统还包括耦合于中性点的电容器、以及耦合于电容器和第一DC开关电路之间的第二DC总线，其中，在同步切换时期之前的第一时间处，由逆变器变换成输出AC电力的DC电力源自经变换的DC电力和来自第二DC总线的DC电力。
根据另一个实施例，供电系统还包括：至少一个DC输入线路，该至少一个DC输入线路被配置成耦合于DC源；以及DC/DC变换器，该DC/DC变换器耦合在至少一个DC输入线路和第一DC总线之间，并且DC/DC变换器被配置成接收来自DC源的备用DC电力，并且向第一DC总线提供经调节的DC电力；其中，由逆变器变换成输出AC电力的DC电力源自在经变换的DC电力和备用DC电力中的至少一者。
根据一个实施例，DC/DC变换器包括至少一个第一DC/DC开关，该至少一个第一DC/DC开关耦合在至少一个DC输入线路和中性点之间；其中，控制器还耦合于至少一个第一DC/DC开关，并且控制器还被配置成：在由逆变器变换成输出AC电力的DC电力源自备用DC电力的情况下，控制器操作至少一个第一DC/DC开关以生成经调节的DC电力，并且操作第一DC开关电路使得在至少一个第一DC/DC开关两端的电压在接通期间是零。
根据另一个实施例，DC/DC变换器包括至少一个第二DC/DC开关，该至少一个第二DC/DC开关耦合在至少一个DC输入线路和第一DC总线之间；其中，控制器还耦合于至少一个第二DC/DC开关，并且控制器还被配置成：在由逆变器变换成输出AC电力的DC电力源自经变换的DC电力的时候，控制器操作至少一个第二DC/DC开关以从经变换的DC电力生成电池充电电力，并且操作第一DC开关电路使得在至少一个第二DC/DC开关两端的电压在关断期间是零。
根据一个实施例，供电系统是包括多个部分的三相供电系统，每个部分被配置成对从输入电源接收的3相电力中的一相进行操作；第一DC开关电路由三相供电系统的多个部分共享，并且控制器还被配置成使在供电系统的每一部分上的变换器和逆变器的切换操作同步。在一个实施例中，供电系统还包括：第二DC总线，该第二DC总线耦合于变换器，并且该第二DC总线被配置成接收经变换的DC电力；以及第二DC开关电路，该第二DC开关电路耦合在第二DC总线和中性点之间；其中，控制器还耦合于第二DC开关电路，并且控制器还被配置成操作第二DC开关电路，使得第二DC总线上的电压在变换器和逆变器的切换操作期间是零。
本发明的另一方面针对用于操作供电系统的方法，该供电系统包括输入端、耦合于输入端的变换器、耦合于变换器的第一DC总线、耦合于第一DC总线的逆变器以及输出端，该方法包括：在输入端处接收来自电源的输入AC电力；利用变换器将输入AC电力变换成经变换的DC电力；向第一DC总线提供经变换的DC电力；利用逆变器将来自第一DC总线的DC电力变换成输出AC电力；向输出端提供输出AC电力；以及控制供电系统，使得在第一DC总线上的电压变为零，以在变换器和逆变器中提供零电压切换(ZVS)。
根据一个实施例，变换输入AC电力包括切换变换器的至少一个第一开关以生成经变换的DC电力；变换来自第一DC总线的DC电力包括切换变换器的至少一个第二开关以生成输出AC电力；并且控制供电系统使得在第一DC总线上的电压变为零包括：在接通切换期间，将至少一个第一开关两端的电压驱动到零；并且在关断切换期间，将至少一个第二开关两端的电压驱动到零。
根据另一个实施例，供电系统还包括耦合在中性点和第一DC总线之间的第一DC开关，并且将至少一个第一开关两端的电压驱动到零以及将至少一个第二开关两端的电压驱动到零包括关断第一DC开关。在一个实施例中，该方法还包括：在同步切换时期使至少一个第一开关的接通切换和至少一个第二开关的关断切换同步。在另一个实施例中，关断第一DC开关包括：在同步切换时期之前的在输出端处的电流大于在输入端处的电流时的第一时间处关断第一DC开关。
根据一个实施例，供电系统还包括耦合于变换器的第二DC总线，并且该方法还包括：控制供电系统使得在第二DC总线上的电压变为零，以在变换器和逆变器中提供ZVS。在一个实施例中，供电系统是三相供电系统，控制供电系统使得在第一DC总线上的电压变为零包括：选择性地将第一DC总线上的电压驱动到零，以在供电系统的多个相上的变换器和逆变器中提供ZVS，并且该方法还包括使供电系统的多个相上的变换器和逆变器的切换操作同步。
本发明的至少一个方面针对三相供电系统，该三相供电系统包括：多个输入端，每个输入端被配置成接收来自输入电源的输入3相电力中的一相；多个输出端，每个输出端被配置成向负载提供输出3相电力中的一相；变换器，该变换器耦合于多个输入端，并且该变换器被配置成将接收的输入3相电力变换成经变换的DC电力；至少一个DC总线，该至少一个DC总线耦合于变换器，并且该至少一个DC总线被配置成接收经变换的DC电力；逆变器，该逆变器耦合于至少一个DC总线和多个输出端，并且该逆变器被配置成将来自至少一个DC总线的DC电力变换成输出3相电力；以及用于在三相供电系统中的每个相上的变换器和逆变器中提供零电压切换(ZVS)的装置。
附图说明
以下参考并不旨在按比例绘制的附图来讨论至少一个实施例的各个方面。附图被包括以提供各个方面和实施例的说明以及进一步的理解，并且附图被并入以及构成本说明书的一部分，但不旨在作为对公开内容的限制的定义。在附图中，在各个图中示出的每个相同的或者几乎相同的部件用相似的数字来标示。出于清楚的目的，并非每个部件都可在每个图中被标记出。在附图中：
图1是根据本公开的方面的3相3级UPS拓扑的示意图；
图2包括示出根据本公开的方面的UPS系统的切换循环的图；
图3是根据本公开的方面的包括DC-DC变换器的3相3级UPS拓扑的示意图；
图4是示出根据本公开的方面的PWM信号生成的图示；以及
图5为在其之上可实施本发明的各个实施例的系统的框图。
具体实施方式
本文讨论的方法和系统的示例在应用中并不限于在以下描述中阐述的或者在附图中示出的部件的构造和布置的细节。在其他实施例中能够实现方法和系统，并且能够以各种方式实践或执行方法和系统。本文提供的具体实现的示例仅用于说明性目的且并不旨在限制。具体来说，结合任何一个或者多个示例讨论的动作、部件、元件以及特征不旨在排除任何其他的示例中的类似角色。
并且，本文所用的措辞和术语也是出于说明的目的，且不应视为具有限制性。对于本文的系统和方法的示例、实施例、部件、元件或者动作的指的是单数的任何引用，也可以包含包括复数的实施例，并且对于本文的任何实施例、部件、元件或者动作复数的任何引用，也可以包含仅包括单数的实施例。单数形式或者复数形式的引用并不旨在限制当前公开的系统或者方法、它们的部件、动作或者元件。本文使用“包括”、“包括”、“具有”、“包含”、“涉及”及其变型意在包括其后列举的项目和其等价物以及额外的项目。“或”的引用可解释为包括一切的，使得使用“或”所描述的任何术语可以指示所描述的术语的单个、多于一个以及全部中的任何一种。另外，在本文件和通过引用并入的文件之间用法不一致的情况下，在并入的文件中的术语用法作为对本文件中的术语用法的补充；对于不可协调的不一致，以本文件中的术语用法为准。
如以上讨论的，UPS系统通常被用于向负载提供电力。高效率已变成在UPS设计中的最重要的参数之一，并且各个解决方案和/或拓扑结构已经被开发以提高UPS的效率。在一些UPS系统中，只要电源电压可用，那么节能模式在UPS处于旁路操作或者离线模式的情况下是可用的。这种方法具有诸如差劲的浪涌处理能力、未滤波和未调节的输出电压以及没有功率因数校正的缺点。其他UPS系统包括delta变换拓扑结构，其提供了输出电压调节和功率因数校正；然而，浪涌处理能力和滤波仍然受限，并且需要相对大的变压器。在其他UPS系统中，通过使用多级变换器和/或新兴的氮化镓(GaN)或者碳化硅(SiC)半导体达到高效率水平；然而，这种变换器和半导体通常增加UPS的的超过可接受水平的成本和/或复杂性。另一些UPS系统包括混合PFC和逆变器拓扑结构；然而，由于PFC调节和逆变器调节相互影响，混合拓扑结构很难控制。另外，混合拓扑结构通常仅在以正常操作条件下(例如，在输入和输出同相位时)操作时具有高效率。
本文描述了新的3级UPS拓扑结构，其降低了整体切换损耗(即，提供了更高的效率)。3级UPS拓扑结构在PFC开关接通并且逆变器开关关断时引入零电压切换(ZVS)，这样降低了切换损耗并且实现更高的整体效率。
图1是3级UPS 100的示意图。UPS 100是3相UPS，其包括三个部分102、104、106。每个部分102、104、106被配置成耦合于3相电源中的一相。每个部分102、104、106基本相同，并且以基本相同的方式对其对应的相起作用。正因如此，下面关于第一部分102来更详细地讨论UPS 100。
UPS 100包括PFC变换器101、逆变器103、正DC总线136、负DC总线138、正“浮动”DC总线140、负“浮动”DC总线142、第一DC开关电路105、第一电容器132、第二DC开关电路109、第二电容器134、中性点144和控制器152。PFC变换器101包括第一电感器108、第一开关112、第二开关114、第三开关116和第四开关118。逆变器103包括第五开关120、第六开关122、第七开关124、第八开关126和第二电感器146。第一DC开关电路105包括第九开关128和体二极管150。第二DC开关电路109包括第十开关130和体二极管151。
根据一个实施例，第一开关112和第二开关114是1200V绝缘栅双极型晶体管(IGBT)；然而，在其他实施例中，IGBT 112、114的额定值可以不同，或者可以采用不同类型的开关(例如，如果在PFC变换器101中单向功率变换是足够的，那么可以以二极管代替IGBT112、114)。在一个实施例中，第五开关120和第六开关122是1200V绝缘栅双极型晶体管(IGBT)；然而，在其他实施例中，IGBT 120、122的额定值可以不同，或者可以采用不同类型的开关。在一个实施例中，第三开关116、第四开关118、第七开关124和第八开关126是600VIGBT；然而，在其他实施例中，IGBT 116、118、124、126的额定值可以不同，或者可以采用不同类型的开关。每个IGBT 112-126还包括在其集电极和发射极之间的内部二极管148。根据一个实施例，第九开关128和第十开关130是600V金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)；然而，在其他实施例中，MOSFET 128、130的额定值可以不同，或者可以采用不同类型的开关。第一DC开关电路105的体二极管150耦合在MOSFET 128的源极和漏极之间。第二DC开关电路109的体二极管151耦合在MOSFET 130的源极和漏极之间。
第一电感器108的第一端子耦合于UPS 100的输入端107。输出端107被配置成耦合于3相电源。第一电感器108的第二端子耦合于第一开关112的发射极。第一开关112的集电极耦合于正“浮动”DC总线140。第五开关120的集电极耦合于正“浮动”DC总线140。第五开关120的发射极耦合于第二电感器146的第一端子。第二电感器146的第二端子耦合于UPS 100的输出端147。第二开关114的集电极还耦合于第一电感器108的第二端子。第二开关114的发射极耦合于负“浮动”DC总线142。第六开关122的发射极还耦合于负“浮动”DC总线142。第六开关122的集电极还耦合于第二电感器146的第一端子。
第三开关116的集电极还耦合于第一电感器108的第二端子。第三开关116的发射极耦合于第四开关118的发射极。第四开关118的集电极耦合于中性点144。第八开关126的集电极耦合于中性点144。第八开关126的发射极耦合于第七开关124的发射极。第七开关124的集电极还耦合于第二电感器146的第一端子。第九开关128的源极耦合于正“浮动”DC总线140。第九开关128的漏极耦合于正DC总线136。第一电容器132的第一端子耦合于正DC总线136，并且第一电容器132的第二端子耦合于中性点。第二电容器134的第一端子耦合于中性点144，并且第二电容器134的第二端子耦合于负DC总线138。第十开关130的源极还耦合于负DC总线138。第十开关130的漏极耦合于负“浮动”DC总线142。控制器152耦合于每个开关112-130的栅极。
现将关于在第一部分102处的输入相线的正部分描述UPS 100的操作。还在第一部分102处的输入相线的负部分产生类似的操作。由3相电源提供的AC3相电力中的一相由输入端107接收。控制器152操作PFC开关(即，第一开关112和第三开关116)作为升压变换器，以将在AC3相电力中的一相变换成经变换的DC电力。控制器152还操作PFC开关(即，第一开关112和第三开关116)，以在输入端107处提供功率因数校正。经变换的DC电力被提供给“浮动”DC总线140。逆变器开关(即，第五开关120)由控制器152操作作为降压变压器，以将来自正“浮动”DC总线140的DC电力变换成经调节的AC电力。经调节的AC电力被提供给输出端147。
根据在UPS 100的输出端147处的电流，从正“浮动”DC总线140提供给逆变器开关(即，第五开关120)的DC电力可以源自UPS 100的不同部分。例如，当在UPS 100的输出端147处的电流小于在UPS 100的输入端107处的电流时，由逆变器开关(即，第五开关120)变换的DC电力源自由PFC开关(即，第一开关112和第三开关116)提供给“浮动”DC总线140的经变换的DC电力。在这一实施例中，在“浮动”DC总线140上的经变换的DC电力的一部分电力经由(通常保持接通的)第九开关128还被提供给DC总线136，以对第一电容器132充电。当在UPS100的输出端147处的电流大于在UPS 100的输入端107处的电流时，第一电容器132放电，并且放电的DC电力从DC总线136经由第九开关128被提供给“浮动”DC总线140。源自PFC开关(即，第一开关112和第三开关116)和DC总线136两者的DC电力被提供给逆变器开关(即，第五开关120)，以用于变换成经调节的AC电力。
控制器152还操作开关112-130以在PFC零点开关(即，第三开关116)接通时以及在逆变器开关(即，第五开关120)关断时提供ZVS。控制器152使PFC零点开关和逆变器开关同步，使得在同步切换时期期间，PFC零点开关(即，第三开关116)接通，而逆变器开关(即，第五开关120)关断。在一个实施例中，在同步切换时期期间，PFC零点开关被接通与逆变器开关被关断基本上在相同时间。在另一实施例中，在同步切换时期期间，PFC零点开关可以在逆变器开关被关断之前相对短的时间被接通。
DC总线开关(即，第九开关128)通常保持接通，但是在PFC零点和逆变器开关的同步切换时期附近的短持续时间关断。当DC总线开关(即，第九开关128)关断时，无论何时总的正逆变器电流高于总的正PFC变换器电流(即，当第九开关128向正“浮动”DC总线140提供电力时)，在正“浮动”DC总线140上的电压都将降到零(中性)。
这将允许要接通的PFC零点开关(即，第三开关116)具有在PFC零点开关两端的零电压(即，ZVS)，并且允许要关断的逆变器开关(即，第五开关120)具有在逆变器开关两端的零电压(即，ZVS)。下面参考图2更详细地讨论UPS 100提供ZVS的操作。
图2包括示出根据至少一个实施例的UPS 100的切换循环的图。图2包括第一图200和第二图250，第一图200示出在UPS 100的多个切换周期上的在UPS 100中的不同电流，并且第二图250示出UPS 100在UPS 100的多个切换周期上的不同的控制信号。
第一图200包括第一迹线202、第二迹线204和第三迹线206，第一迹线202示出在PFC开关的升压二极管(即，第一开关112或第二开关114的内部二极管148)中的电流，第二迹线204示出在逆变器开关(即，第五开关120或第六开关122)中的电流，并且第三迹线206示出在DC电容器(即，第一电容器132或第二电容器134)和DC开关(即，第九开关128或第十开关130)中的电流。第二图250包括第一迹线252、第二迹线254和第三迹线256，第一迹线252示出从控制器152到PFC零点开关(即，第三开关116或第四开关118)的栅极的控制信号，第二迹线254示出从控制器152到逆变器开关(即，第五开关120或第六开关122)的栅极的控制信号，并且第三迹线256示出从控制器152到DC开关(即，第九开关128或第十开关130)的栅极的控制信号。
控制器152在同步切换时期上使PFC零点开关(即，第三开关116或第四开关118)的接通与逆变器开关(即，第五开关120或第六开关122)的关断同步。在一个实施例中，控制器152在PFC零点开关(即，第三开关116或第四开关118)的接通与逆变器开关(即，第五开关120或第六开关122)的关断之间引入相对小的延迟。例如，如在图2中的第二图250中显示，在第一时间208处，来自控制器152的高控制信号252将PFC零点开关(即，第三开关116或第四开关118)接通。在相对小的延迟后并且在第二时间210处，来自控制器的低控制信号254将逆变器开关(即，第五开关120或第六开关122)关断。在一个实施例中，在第一时间208和第二时间210之间的延迟是500ns左右；然而，在其他实施例中，可以不同地限定在第一时间208和第二时间210之间的延迟。
控制器152还将高控制信号256传输到DC开关(即，第九开关128或第十开关130)，以将DC开关通常保持在接通状态。在PFC零点开关和逆变器开关的同步切换时期附近(即，在第一时间208和第二时间210附近)，控制器152将DC开关(即，第九开关128或第十开关130)关断。例如，如在图2中的第二图250中显示，在第三时间212(发生在第一时间208之前)处，控制器152将低控制信号256传输到DC开关(即，第九开关128或第十开关130)，以将DC开关关断。根据一个实施例，第三时间212发生在第一时间208的500ns之前；然而，在其他实施例中，可以不同地限定在第三时间212和第一时间208之间的延迟。
在第四时间214(发生在第二时间210之后)处，控制器152将高控制信号256传输到DC开关，以将DC开关重新接通。根据一个实施例，控制器152可以等到在逆变器开关(即，第五开关120或第六开关122)中的一个逆变器开关接通为止，再重新接通DC开关(即，保持DC开关处于断开状态)。在第二图250中通过点线257来显示这一操作，并且开关以这种方式的操作可以进一步降低切换损耗。
如在第一图200中所见，归因于升压变换器的性质，PFC升压二极管的电流202就在PFC零点开关(即，第三开关116或第四开关118)在第一时间208处接通之前处于低点处。类似地，归因于降压变换器的性质，逆变器开关(即，第五开关120或第六开关122)中的电流204就在PFC零点开关(即，第三开关116或第四开关118)在第一时间208处接通之前处于高点处(即，大于PFC升压二极管电流202)。例如，在一个实施例中，就在PFC零点开关(即，第三开关116或第四开关118)在第一时间208处接通之前，逆变器开关(即，第五开关120或第六开关122)中的电流204比PFC升压二极管的电流202高30A；然而，在其他实施例中，可以不同地限定在逆变器电流和PFC电流之间的差异。因此，就在PFC零点开关(即，第三开关116或第四开关118)在第一时间208处接通之前，电流206从DC总线136、138经由DC开关(即，第九开关128和第十开关130)被汲取到“浮动”DC总线140、142。
如以上讨论的，DC开关(即，第九开关128和第十开关130)在PFC零点开关和逆变器开关的同步切换时期之前(即，在第三时间212处)关断，并且在同步切换时期之后(即，在第四时间214处)接通。通过关断DC开关(即，第九开关128和第十开关130)，同时DC开关将电力传递到“浮动”DC总线140、142(例如，在第三时间212处)，在“浮动”DC总线140、142上的电压降到零。
例如，如在第一图200的第三迹线206中所见，就在同步切换时期之前(即，在第三时间212处)，当PFC升压二极管的电流202处于其最低处并且在逆变器开关(即，第五开关120或第六开关122)中的电流204处于其最高处时，将电力从DC总线136、138传递到“浮动”DC总线140、142。一旦DC开关(即，第九开关128和第十开关130)关断，PFC变换器101便不能将足够的电力传递到逆变器103，并且由于剩余的逆变器电流在逆变器零点开关(ZPS)(即，第七开关124和第八开关126)中被迫惯性滑动(free-wheel)，所以在“浮动”DC总线140、142上的电压降到零。
当PFC零点开关(即，第三开关116或第四开关118)在第一时间208处接通并且逆变器开关(即，第五开关120或第六开关122)在第二时间210处关断时，在每个开关两端的电压是零，造成ZVS和降低的切换损耗。通过在PFC开关接通并且逆变器开关关断时引入ZVS，降低了UPS 100的切换损耗，实现了UPS 100更高的整体效率。
如以上讨论的，在切换时期期间，UPS 100的部分102、104、106的PFC零点开关(即，第三开关116或第四开关118)和逆变器开关(即，第五开关120或第六开关122)的切换是同步的；然而，在UPS 100是3相UPS的情况下，在UPS的所有三相上的PFC零点开关和逆变器开关的切换是同步的，使得接通在UPS 100中的所有PFC零点开关(即，第三开关116或第四开关118)与关断在UPS 100中的所有逆变器开关(即，第五开关120或第六开关122)同时或者略早于关断在UPS 100中的所有逆变器开关(即，第五开关120或第六开关122)。通过在UPS100上同步每个PFC零点开关和每个逆变器开关，由UPS 100的每个部分102、104、106(即，每相)“共享”的DC开关(即，第九开关128和第十开关130)被操作以在UPS 100的每相(即，在每部分中)上的PFC开关接通并且逆变器开关关断时引入ZVS。
根据一个实施例，UPS 100包括用于电池操作的DC-DC变换器。例如，根据在图3中显示的一个实施例，其中，类似的参考数字指的是与图1的类似的部件，UPS 100包括DC-DC变换器302。
DC-DC变换器302包括第十一开关310、第十二开关312、第十三开关314和第十四开关316。根据一个实施例，开关310-316是600V IGBT；然而，在其他实施例中，IGBT 310-316的额定值可以不同，或者可以采用不同类型的开关。每个开关310-316包括在其集电极和发射极之间的内部二极管318。另外，如以上讨论的，UPS 100的第一开关112(例如，如在图1中显示的)已由二极管304代替。
第十一开关310的集电极耦合于正“浮动”DC总线140。第十一开关310的发射极耦合于第十二开关312的集电极。第十二开关312的发射极耦合于中性点144。第十三开关314的集电极还耦合于中性点144。第十三开关314的发射极耦合于第十四开关316的集电极。第十四开关316的发射极耦合于负“浮动”DC总线142。正DC-DC变换器线路306耦合于第十一开关310的发射极和第十二开关312的集电极。正DC-DC变换器线路306还被配置成耦合于电池的正极。负DC-DC变换器线路308耦合于第十三开关314的发射极和第十四开关316的集电极。负DC-DC变换器线路308还被配置成耦合于电池的负极。
在电池操作模式中(例如，当从电源接收的AC电力不够时)，DC-DC变换器302经由正DC-DC变换器线路306和负DC-DC变换器线路308从电池接收备用DC电力，并且向“浮动”DC总线140、142提供经调节的DC电力。控制器152操作DC-DC变换器302的开关310-316，以向“浮动”DC总线140、142提供理想的DC电力。通过将DC-DC变换器302耦合于具有零电压的“浮动”DC总线140、142(即，当DC开关128、130关断时)，只要在同步切换点处(例如，在时间208处)对于每个DC总线的总的逆变器电流大于DC-DC变换器电流，则有可能在电池操作中的升压开关(即，第十二开关312或第十三开关314)接通期间获得ZVS。类似地，在充电操作期间(即，在正常操作同时采用源自AC电源的充电电力为电池充电期间)在第十一开关310或者第十四开关316关断期间能够获得ZVS。
如以上描述的，在系统的每相上PFC零点开关和逆变器开关的操作(即，接通和关断)是同步的。控制器152向每个开关的栅极提供脉宽调制(PWM)信号，以使每个开关的操作同步。在一个实施例中，通过电流参考信号与固定斜波(ramp)波形的比较来生成PWM信号。例如，图4是示出根据至少一个实施例的PWM信号生成的图400。控制器152将电流参考信号402与锯齿波形404比较，以生成同步关断PWM信号405。同步关断PWM信号405包括高部406(其对应于锯齿波形404大于电流参考信号402的时候)和低部408(其对应于锯齿波形404小于电流参考信号402的时候)，并且同步关断PWM信号405由控制器152传输，以同步关断某些开关(例如，每相的逆变器开关)。对应的同步接通PWM信号也可以由控制器152通过将锯齿波形404逆变来生成。这一同步接通PWM信号由控制器152传输，以同步打开某些开关(例如，每相的PFC零点开关)。在其他实施例中，可以采用不同类型的波形或者方法来生成PWM信号。
图5示出形成可被配置成实施本文公开的一个或多个方面的系统500的计算部件的示例框图。例如，系统500可以通信性地耦合于控制器或者被包括在控制器内，和/或系统500被配置成如以上讨论地使耦合于数据中心的每相的负载平衡。
系统500可以包括例如通用计算平台，诸如，基于英特尔PENTIUM类型处理器的、摩托罗拉PowerPC的、Sun UltraSPARC的、德州仪器-DSP的、惠普PA-RISC处理器的或者任何其他类型处理器的通用计算平台。系统500可以包括专门编程的专用硬件，例如，专用集成电路(ASIC)。可以将本公开的各个方面实施为在系统500(诸如，在图5中显示的系统)上执行的专用软件。
系统500可以包括连接于一个或多个存储器设备510(诸如，磁盘驱动器、存储器、闪存或者用于储存数据的其他设备)的处理器/ASIC 506。例如，在一个实施例中，系统500包括由英国剑桥的ARM Holdings制造的Cortex-M4处理器；然而，在其他实施例中，可以采用其他合适的处理器。
存储器510可以用于在系统500的操作期间储存程序和数据。计算机系统500的部件可以通过互连机构508耦合，互连机构508可以包括一个或多个总线(例如，在集成在相同机器内的部件之间的总线)和/或网络(例如，在驻留在分离的机器上的部件之间的网络)。互连机构508实现了在系统500的部件之间交换通信(例如，数据、指令)。
系统500还包括一个或多个输入设备504，输入设备504可以包括例如键盘或触摸屏。系统500还包括一个或多个输出设备502，输出设备502可以包括例如显示器。另外，除了互联机构508之外或作为互连机构508的替代物，计算机系统500可以包含可将计算机系统500连接至通信网络的一个或多个接口(未显示)。
系统500可以包括储存系统512，储存系统512可以包括其中可以储存信号的计算机可读的和/或可写入的非易失性介质，以提供将要由处理器执行的程序，或者提供将要由程序处理的储存在介质上或者介质中的信息。介质可以例如是磁盘或者闪存，并且在一些示例中，介质可以包括RAM或者其他非易失性存储器，诸如，EEPROM。在一些实施例中，处理器可以使数据从非易失性介质中被读取到允许与介质相比通过处理器/ASIC更快地访问信息的另一个存储器510。这个存储器510可以是易失性的随机存取存储器，诸如，动态随机存取存储器(DRAM)或者静态存储器(SRAM)。其可以位于储存系统512中，或者位于存储器系统510中。处理器506可以操纵在集成电路存储器510内的数据，并且在处理完成后，随后将数据复制到储存器512。用于管理在储存器512和集成电路存储器元件510之间的数据移动的各个机构是已知的，并且本公开并不限于此。本公开不限于特定的存储器系统510或者储存系统512。
系统500可以包括使用高级计算机编程语言可编程的通用计算机平台。系统500还可以使用专门编程的专用硬件(例如，ASIC)来实施。系统500可以包括处理器506，处理器506可以是可商购得到的处理器，诸如，可以从英特尔公司得到的驰名的Pentium类处理器。很多其他的处理器是可用的。处理器506可以执行操作系统，该操作系统可以是例如可以从微软公司得到的Windows操作系统、可以从苹果计算机得到的MAC OS System X、可以从SunMicrosystems得到的Solaris操作系统、或者可以从各个来源得到的UNIX和/或LINUX。可以使用很多其他操作系统。
处理器和操作系统可以一起形成计算机平台，对于该计算机平台可以以高级编程语言形式的编写应用程序。应理解的是，本公开并不限于特定的计算机系统平台、处理器、操作系统或者网络。另外，对于本领域技术人员应明显的是，本公开并不限于专门编程的语言或者计算机系统。另外，应认识到，还可以使用其他合适的编程语言和其他合适的计算机系统。
除了ZVS之外，UPS 100还可以提供另一个益处。通常，在涉及半桥的电路(诸如，逆变器应用)中，有击穿的风险。击穿通常发生在互补型逆变器开关(例如，第五开关120和第六开关122)由于故障(例如，诸如，出现故障的栅极驱动器、非故意的控制信号、出现故障的半导体等)而同时打开的时候。互补型开关的这个同时的打开可以将DC总线短路，并且造成对部件的损害以及由于产生的高峰值电流和功率损耗而造成的潜在电弧闪光。通常通过实施包括能够检测开关在活动区中是否被驱动的去饱和功能的、更先进的栅极驱动器来降低击穿的风险。这种栅极驱动器更复杂、具有更多部件、并且更昂贵，并且在标准UPS拓扑结构的情况下，这种栅极驱动器需要被布置在所有逆变器开关上，以获得全击穿保护。然而，在UPS 100中，因为有可能通过关断DC开关128、130来切断DC总线，所有也有可能通过仅将去饱和栅极驱动器添加到第九开关128和第十开关130来实现全击穿保护。
如以上描述的，在三相UPS系统中采用UPS 100；然而，在其他实施例中，也可以在单相UPS系统中采用UPS 100。
如以上描述的，就在PFC零点开关(即，第三开关116或第四开关118)打开之前，逆变器开关(即，第五开关120或第六开关122)中的电流204通常比PFC升压二极管的电流202更大；然而，在其他实施例中，PFC升压二极管电流202可以比在逆变器开关中的电流204更大。在这一实施例中，可以获得ZVS以用于关断逆变器开关(即，第五开关120或第六开关122)。同样在这一实施例中，PFC升压二极管(即，第一开关112的内部二极管148)与DC开关(即，第九开关128)的体二极管150串联同时被整流，这导致降低的反向恢复损耗。
如以上描述的，UPS 100是基于NPC-2的3级UPS拓扑结构；然而，在其他实施例中，可以在其他类型的UPS拓扑结构(例如，NPC-1拓扑结构或者2级拓扑结构(例如，在与图1中显示的类似的拓扑结构中，其中，第三开关116、第四开关118、第七开关124和第八开关126被省略))中采用类似的配置。
本文描述的至少一些实施例提供了3级UPS拓扑结构，其降低了整体切换损耗(即，提供了更高的效率)。3级UPS拓扑结构通过操作由UPS的所有相“共享”的、与DC总线“串联”的DC开关电路，引入ZVS。“共享”的DC开关电路被操作以在开关打开期间将PFC开关两端的电压驱动为零，并且在开关关断期间将逆变器开关两端的电压驱动为零，从而采用有限数量的额外部件降低了切换损耗并且实现了更高的整体效率。
以上已经描述了至少一个实施例的几个方面，应认识到，对于本领域技术人员来说，各种改变、修改和改进是容易想到的。这种改变、修改以及改进旨在成为本公开的一部分，并且旨在位于本公开的范围内。因此，前述的描述和附图仅是举例说明，并且本公开内容的范围应当从所附的权利要求及其等价物的正确解释中确定。

Claims (20)

1.一种供电系统，包括：
输入端，所述输入端被配置成接收来自输入电源的输入AC电力；
输出端，所述输出端被配置成向负载提供输出AC电力；
变换器，所述变换器耦合于所述输入端并且被配置成将所述输入AC电力变换成经变换的DC电力，所述变换器包括耦合在所述输入端和中性点之间的至少一个第一开关；
第一DC总线，所述第一DC总线耦合于所述变换器并且被配置成接收所述经变换的DC电力；
逆变器，所述逆变器耦合于所述第一DC总线和所述输出端并且被配置成将来自所述第一DC总线的DC电力变换成所述输出AC电力，所述逆变器包括耦合在所述第一DC总线和所述输出端之间的至少一个第二开关；
第一DC开关电路，所述第一DC开关电路耦合在所述第一DC总线和所述中性点之间；
能量储存设备，所述能量储存设备经由所述第一DC开关电路选择性地耦合于所述第一DC总线；以及
控制器，所述控制器耦合于所述第一DC开关电路，并且被配置成操作所述第一DC开关电路，使得所述第一DC总线上的电压在所述至少一个第一开关和所述至少一个第二开关的切换操作期间是零。
2.根据权利要求1所述的供电系统，
其中，所述控制器耦合于所述至少一个第一开关和所述至少一个第二开关，并且还被配置成操作所述至少一个第一开关的切换以生成所述经变换的DC电力，操作所述至少一个第二开关的切换以生成所述输出AC电力，并且操作所述第一DC开关电路使得所述至少一个第一开关两端的电压在接通切换期间是零，并且使得所述至少一个第二开关两端的电压在关断切换期间是零。
3.根据权利要求2所述的供电系统，其中，第一DC开关电路包括：
DC开关，所述DC开关耦合在所述第一DC总线和所述中性点之间；以及
二极管，所述二极管在所述第一DC总线和所述中性点之间并联耦合于所述DC开关，
其中，在操作所述第一DC开关电路使得在所述第一DC总线上的电压是零时，所述控制器还被配置成操作所述DC开关以关断。
4.根据权利要求3所述的供电系统，其中，所述控制器还被配置成在同步切换时期使所述至少一个第一开关的接通切换和所述至少一个第二开关的关断切换同步。
5.根据权利要求4所述的供电系统，其中，所述控制器还被配置成在所述同步切换时期之前的第一时间处关断所述DC开关。
6.根据权利要求5所述的供电系统，其中，所述供电系统被配置成进行操作，使得在所述同步切换时期之前的所述第一时间处，在所述输出端处的电流大于在所述输入端处的电流。
7.根据权利要求6所述的供电系统，还包括：
第二DC总线，所述第二DC总线耦合在所述能量储存设备和所述第一DC开关电路之间，
其中，所述能量储存设备是耦合于所述中性点的电容器，并且
其中，在所述同步切换时期之前的所述第一时间处，由所述逆变器变换成所述输出AC电力的所述DC电力来源于所述经变换的DC电力和来自所述第二DC总线的DC电力。
8.根据权利要求2所述的供电系统，还包括：
至少一个DC输入线路，所述至少一个DC输入线路被配置成耦合于DC源；以及
DC/DC变换器，所述DC/DC变换器耦合在所述至少一个DC输入线路和所述第一DC总线之间，并且被配置成接收来自所述DC源的备用DC电力且向所述第一DC总线提供经调节的DC电力；
其中，由所述逆变器变换成所述输出AC电力的所述DC电力来源于在所述经变换的DC电力和所述备用DC电力中的至少一者。
9.根据权利要求8所述的供电系统，其中，所述DC/DC变换器包括：
至少一个第一DC/DC开关，所述至少一个第一DC/DC开关耦合在所述至少一个DC输入线路和所述中性点之间，
其中，所述控制器还耦合于所述至少一个第一DC/DC开关，并且所述控制器还被配置成在由所述逆变器变换成所述输出AC电力的所述DC电力来源于所述备用DC电力的情况下操作所述至少一个第一DC/DC开关以生成所述经调节的DC电力，并且操作所述第一DC开关电路使得在所述至少一个第一DC/DC开关两端的电压在接通期间是零。
10.根据权利要求9所述的供电系统，其中，所述DC/DC变换器包括：
至少一个第二DC/DC开关，所述至少一个第二DC/DC开关耦合在所述至少一个DC输入线路和所述第一DC总线之间，
其中，所述控制器还耦合于所述至少一个第二DC/DC开关，并且所述控制器还被配置成在由所述逆变器变换成所述输出AC电力的所述DC电力来源于所述经变换的DC电力的情况下操作所述至少一个第二DC/DC开关以从所述经变换的DC电力生成电池充电电力，并且操作所述第一DC开关电路使得在所述至少一个第二DC/DC开关两端的电压在关断期间是零。
11.根据权利要求1所述的供电系统，其中，所述供电系统是包括多个部分的三相供电系统，每个部分被配置成对从所述输入电源接收的3相电力中的一相进行操作，
其中，所述第一DC开关电路由所述三相供电系统的多个部分共享，并且
其中，所述控制器还被配置成在所述供电系统的每一部分上同步所述至少一个第一开关和所述至少一个第二开关的切换操作。
12.根据权利要求1所述的供电系统，还包括：
第二DC总线，所述第二DC总线耦合于所述变换器并且被配置成接收所述经变换的DC电力；以及
第二DC开关电路，所述第二DC开关电路耦合在所述第二DC总线和所述中性点之间，
其中，所述控制器还耦合于所述第二DC开关电路，并且所述控制器还被配置成操作所述第二DC开关电路，使得所述第二DC总线上的电压在所述变换器和所述逆变器的切换操作期间是零。
13.一种用于操作供电系统的方法，所述供电系统包括输入端、耦合于所述输入端的变换器、耦合于所述变换器的第一DC总线、耦合于所述第一DC总线的逆变器、能量储存设备以及输出端，所述方法包括：
在所述输入端处接收来自电源的输入AC电力；
利用所述变换器将所述输入AC电力变换成经变换的DC电力；
向所述第一DC总线提供所述经变换的DC电力；
利用所述逆变器将来自所述第一DC总线的DC电力变换成输出AC电力；
向所述输出端提供所述输出AC电力；以及
控制所述供电系统，使得在所述第一DC总线上的电压变为零，以在所述变换器和所述逆变器中提供零电压切换(ZVS)，所述控制包括选择性地将所述能量储存设备与所述第一DC总线解耦。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，变换所述输入AC电力包括切换所述变换器的至少一个第一开关以生成所述经变换的DC电力；
其中，变换来自所述第一DC总线的DC电力包括切换所述变换器的至少一个第二开关以生成所述输出AC电力；并且
其中，控制所述供电系统使得在所述第一DC总线上的电压变为零包括：在接通切换期间将所述至少一个第一开关两端的电压驱动到零，以及在关断切换期间将所述至少一个第二开关两端的电压驱动到零。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述供电系统还包括耦合在中性点和所述第一DC总线之间的第一DC开关，并且其中，将所述至少一个第一开关两端的电压驱动到零以及将所述至少一个第二开关两端的电压驱动到零包括关断所述第一DC开关。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括在同步切换时期使所述至少一个第一开关的接通切换和所述至少一个第二开关的关断切换同步。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，关断所述第一DC开关包括：当在所述同步切换时期之前的在所述输出端处的电流大于在所述输入端处的电流时的第一时间处关断所述第一DC开关。
18.根据权利要求13所述的方法，其中，所述供电系统还包括耦合于所述变换器的第二DC总线，并且
其中，所述方法还包括：控制所述供电系统，使得在所述第二DC总线上的电压变为零，以在所述变换器和所述逆变器中提供零电压切换。
19.根据权利要求13所述的方法，其中，所述供电系统是三相供电系统，
其中，控制所述供电系统使得在所述第一DC总线上的电压变为零包括：选择性地将在所述第一DC总线上的电压驱动到零，以在所述供电系统的多个相上在所述变换器和所述逆变器中提供零电压切换，并且
其中，所述方法还包括在所述供电系统的多个相上同步所述变换器和所述逆变器的切换操作。
20.一种三相供电系统，包括：
多个输入端，每个输入端被配置成接收来自输入电源的输入3相电力中的一相；
多个输出端，每个输出端被配置成向负载提供输出3相电力中的一相；
变换器，所述变换器耦合于所述多个输入端，并且所述变换器被配置成将所接收的输入3相电力变换成经变换的DC电力；
至少一个DC总线，所述至少一个DC总线耦合于所述变换器并且被配置成接收所述经变换的DC电力；
逆变器，所述逆变器耦合于所述至少一个DC总线和所述多个输出端，并且被配置成将来自所述至少一个DC总线的DC电力变换成输出3相电力；
能量储存设备，所述能量储存设备选择性地耦合于所述至少一个DC总线；以及
用于在所述三相供电系统中的每个相上在所述变换器和所述逆变器中提供零电压切换(ZVS)的装置。
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