CN107112919B - 用于控制多电平软开关功率转换器的方法和设备 - Google Patents

用于控制多电平软开关功率转换器的方法和设备 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种用于控制多电平软开关功率转换器的系统，包括：DC母线、一对开关臂和控制器。所述DC母线具有可操作以使所述DC母线两端呈现电压电位的正轨和负轨。每个开关臂连接在所述正轨和所述负轨之间，并包括四个软开关。每个软开关连接在正轨、负轨或正轨和负轨之间的三个中间连接之一之间。每个软开关还由门极信号控制。飞跨电容器连接在第一中间连接和第三中间连接之间，输出端子连接在每个开关臂的第二中间连接处。控制器可操作以使用至少三个控制例程生成门极信号中的每一个。

Description

用于控制多电平软开关功率转换器的方法和设备
技术领域
本文中公开的主题涉及用于控制多电平飞跨电容器软开关谐振功率转换器的系统，可选地还涉及利用多种调制策略在宽范围操作条件上提供功率转换器的改进性能的系统。
背景技术
本领域技术人员都知道，功率转换器允许供应来自输入电源的可控的输出电压和/或电流。输入电源是直流(DC)电源，其可能具有固定或可变幅值。可控输出电压是AC电压，并且可以具有可变的幅值和频率(AC电压)。一个或多个有源或无源开关装置连同电感或电容装置的许多种配置被设置成提供可控的输出电压。
用于控制功率转换器的常见方法利用“硬”开关。硬开关需要不考虑由开关传导的电流或电压以期望的时间接通或关断有源控制的开关装置。结果，在导通和关断之间的过渡期间，产生电压和/或电流的尖峰。这些尖峰生成作为开关频率的函数的宽带电磁噪声。此外，在开关装置的反向恢复期间由于呈现的电压和/或电流，开关装置会带来开关损耗。
功率转换器的新近发展尝试通过实现“软”开关缓解由“硬”开关生成的开关损耗和噪声。在软开关中，当开关装置两端的电流或电压处于或接近零时，开关装置被控制导通和关断。在超级谐振逆变器拓扑中，当出现零电压但有一些电流时，通常关断开关装置。缓冲电容器(snubber capacitor)并联连接在每个开关装置两端，其快速去除在开关装置已经被关断之后开关装置两端的剩余电流。结果，与硬开关转换器相比，软开关转换器降低产生的开关损耗和噪声。
众所周知，谐振功率转换器的性能通常可能在一个操作点最优。然而，在宽范围的输入电压、负载变化或其组合上性能降低。
因此，期望提供一种在宽范围操作条件上表现出期望性能的谐振转换器。
发明内容
本文中公开的主题描述控制多电平软开关转换器的改进的系统和方法。多电平转换器被配置成将五个不同的电压电平提供至负载。在每个开关的两端提供缓冲电容器以提供软开关操作。多电平软开关转换器被配置成在宽范围操作条件上操作。结果，多电平软开关转换器包括三种不同的操作模式。每个操作模式被优化以在多电平软开关转换器的总操作范围的不同部分上提供输出电压。第一操作模式控制多电平软开关转换器高达额定功率的操作并且通常在高功率操作。第二操作模式控制转换器在中功率操作范围上操作，第三操作模式控制转换器在低功率操作范围上的操作。
在本发明的一个实施例中，公开了一种多电平软开关功率转换器，包括：DC母线、一对开关臂和控制器。所述DC母线包括可操作以使所述DC母线两端呈现电压电位的正轨和负轨。每个开关臂连接在所述正轨和所述负轨之间，每个开关臂还包括串联的四个软开关。第一软开关连接在所述正轨和第一中间连接之间并由第一门极信号控制。第二软开关连接在所述第一中间连接和第二中间连接之间并由第二门极信号控制。第三软开关连接在所述第二中间连接和第三中间连接之间并由第三门极信号控制。第四软开关连接在所述第三中间连接和所述负轨之间并由第四门极信号控制。每个开关臂还包括连接在所述第一中间连接和所述第三中间连接之间的飞跨电容器以及连接在所述第二中间连接处的输出端子。所述控制器可操作以利用至少三种控制方法生成所述第一门极信号、所述第二门极信号、所述第三门极信号和所述第四门极信号中的每一个。
根据本发明的另一实施例，公开了控制多电平软开关功率转换器的方法。所述多电平软开关功率转换器包括一对开关臂，其中，每个开关臂连接在DC母线的正轨和负轨之间。每个开关臂包括串联连接在所述正轨和所述负轨之间的四个软开关和飞跨电容器。在控制器处接收命令信号，所述命令信号对应于所述多电平软开关功率转换器的期望操作，其中，所述多电平软开关功率转换器可操作以控制所述软开关在至少第一、第二和第三操作模式中。在所述控制器处接收与在所述功率转换器的输入处呈现的电流和/或电压对应的至少一个反馈信号。类似地，在所述控制器处接收与在所述功率转换器的输出处呈现的电流和/或电压对应的至少一个反馈信号。所述控制器生成多个门极信号，其中，每个门极信号对应于所述软开关之一。在所述第一操作模式中以第一序列、在所述第二操作模式中以第二序列以及在所述第三操作模式中以第三序列生成所述门极信号。
通过详细描述和附图，本领域技术人员会明白本发明的这些和其它目标、优点和特征。然而，应当理解，在说明本发明的优选实施例时，详细描述和附图是通过示意而不是限制给出的。在不偏离其精神的情况下可以在本发明的范围内进行许多变化和变形，本发明包括所有这些变形。
附图说明
在附图中图示本文中公开主题的各个示例性实施例，图中相似的附图标记代表相同的零件，其中：
图1是根据本发明的一个实施例的多电平软开关功率转换器的示意表示；
图2是图1的开关模块之一的示意表示；
图3是连接至图1的功率转换器的控制器的框图表示；
图4是用于在第一操作模式中控制图1的功率转换器的门极信号的序列的图形表示；
图5是图1的功率转换器在第一操作模式中的操作状态的序列的示意表示；
图6是用于在第二操作模式中控制图1的功率转换器的门极信号的序列的图形表示；
图7是图1的功率转换器在第二操作模式中的操作状态的序列的示意表示；
图8是用于在第三操作模式中控制图1的功率转换器的门极信号的序列的图形表示；
图9是图1的功率转换器在第三操作模式中的操作状态的序列的示意表示；以及
图10是根据本发明的一个实施例由多电平软开关功率转换器传送的输出电压改变三种操作模式中每一个中的开关频率的图形表示。
在描述附图中图示的本发明的优选实施例时，出于简洁，会采用特定的术语。然而，并不旨在将本发明局限于所选择的特定术语，要理解每个特定术语包括以类似方式操作以实现类似目的的所有技术等同物。例如，经常使用词语“连接”、“附连”或与其相似的术语。这些词不局限于直接连接，而是包括通过其它元件的连接，其中，这种连接被本领域技术人员认为是等同的。
具体实施方式
参照在下面的描述中详细地描述的非限制性实施例，更加全面地解释本文中公开的主题的各个特征和优点的细节。
一开始转到图1，本发明的一个实施例提供具有飞跨电容器的多电平软开关功率转换器10。功率转换器10从DC母线12接收直流(DC)电压VDC，并在输出18处提供交流(AC)电压VAC。DC母线12包括正轨(positive rail)14和负轨(negative rail)16。正轨14上的电压电位通常大于负轨16上的电压电位。正轨14或负轨16上的电压电位可以关于地是正电压电位，关于地是负电压电位，或者处于地电位，即零伏。功率转换器10包括第一开关臂11和第二开关臂13，其中，每个开关臂11、13连接在正轨14和负轨16之间。
每个开关臂11、13包括四个软开关，使得每个开关臂11、13可以在开关臂11、13中的输出端子18处提供三个电压电位(VDC、VDC/2和0)之一。施加到每个开关臂11、13的三个电压电位产生施加在负载两端的五个可能的电压电位(VDC、VDC/2、0、-VDC/2和-VDC)。每个软开关包括开关模块20和并联连接至开关模块20的缓冲电容器22。第一软开关连接在正轨14和介于正轨14和负轨16之间的第一中间连接30之间。第二软开关连接在第一中间连接30和介于正轨14和负轨16之间的第二中间连接32之间。第三软开关连接在第二中间连接32和介于正轨14和负轨16之间的第三中间连接34之间。第四软开关连接在第三中间连接34和负轨16之间。每个开关臂11、13还包括连接在第一中间连接30和第三中间连接34之间的飞跨电容器38。第一电容器电压传感器41测量第一开关臂11中的飞跨电容器38两端的电压，第二电容器电压传感器43测量第二开关臂13中的飞跨电容器38两端的电压。每个开关臂11、13的输出端子18连接至第二中间连接32。
接着参照图2，每个开关模块20包括固态开关器件24和飞轮二极管(freewheelingdiode/续流二极管)26。根据图示的实施例，开关器件24是MOSFET。飞轮二极管26的阳极连接至MOSFET 24的源极，飞轮二极管26的阴极连接至MOSFET 24的漏极。MOSFET 24的门极接收门极信号25。可选地，开关器件24可以是任何适当的晶体管、晶闸管、可控硅整流器等，其额定为处理在开关器件24两端预期的电压。如图示的，开关模块20还可以包括并联连接至飞轮二极管26的电阻28。电阻28优选是高电阻，使得通过电阻28导通小电流。使电阻28并联连接在每个开关模块20中，这在正轨14和负轨16之间建立分压器电路，使得呈现在DC母线12上的DC电压VDC被均匀地划分在每个开关模块20两端。
功率转换器10的操作由处理器48控制。参照图3，处理器48与存储器装置50通信，存储器装置50被配置成存储可在处理器48上执行的指令或程序。考虑了处理器48可以是用于转换器的通用微处理器或专用控制器。处理器48可以是被配置成并联操作的单个装置或多个装置。类似地，存储器装置50可以是单个存储器装置或多个存储器装置，包括易失性存储器、非易失性存储器或其组合。还考虑了处理器48和存储器装置50可以在现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)或其它相似的可编程器件上实现。处理器48和存储器装置50还可以在分开的装置或者在单个装置上实现。第一电压传感器40测量输入到功率转换器10的DC母线12上的电压，第一电流传感器42测量DC母线12上的电流。第二电压传感器44测量从功率转换器10输出的电压，第二电流传感器46测量从功率转换器10输出的电流。来自传感器40、42、44、46中每一个的反馈信号提供至处理器48。处理器48还接收与功率转换器10的期望操作对应的命令信号52。在处理器48中执行的控制模块生成门极信号25以控制功率转换器10中开关模块20的操作，从而响应于来自传感器40、42、44、46中每一个的信号实现期望的操作。
操作中，处理器48接收与转换器10的期望操作对应的命令信号52。命令信号52例如可以是由处理器48外部的另一控制器生成的电压参考。可选地，命令信号52可以是例如数字输入或来自网络连接的提供期望操作模式的指示的通信包。根据本发明的一个实施例，可以利用本文中公开的转换器10给x-射线发生器的一次绕组供电。因此，命令可以是供应至一次绕组的期望电压输出或期望操作模式，诸如低或高功率操作。处理器48生成门极信号25以提供命令的操作。
根据图示的实施例，功率转换器10被控制以在针对负载的输出端子18两端生成五个不同的电压电位差(VDC、VDC/2、0、-VDC/2和-VDC)。处理器48生成门极信号25以选择性启用和禁止每个开关臂11、13中的开关器件24。通过启用开关模块20的不同组合，处理器48控制输出端子18两端的输出电压。而且，生成门极信号25，使得每个臂11、13上的电压电位总是分配在至少两个开关模块20的两端。因此，开关模块20和使用的缓冲电容器22仅需要额定为DC母线12上预期的总DC母线电压的一半。还生成门极信号25，使得DC母线12上预期的总DC母线电压的一半呈现在每个开关臂11、13的飞跨电容器38两端。处理器48还被配置成根据三种不同的控制方法生成满足这些电压需求的门极信号25，每个控制方法针对每个操作模式。
参照图4和图5，处理器48可操作以执行第一控制方法。第一控制方法被配置成用于要求高功率的第一操作模式，其中，高功率可以是在大约25％或大约25％以上以及更优选地在50％以上的额定功率直到额定功率的操作。开关模块20被控制以类似于全桥逆变器的方式操作。各对开关模块20被一起控制，使用两电平电压，即呈现在正轨14和负轨16上的电压电位，以生成期望的输出电压。处理器48生成四组门极信号25，产生四种操作状态。
在针对第一操作模式中的第一操作状态，处理器48设置门极信号25用于或启用第一和第二开关模块20(S1、S2)和第七和第八开关模块20(S7、S8)。用于开关模块20三至六(S3-S6)的门极信号25保持截止。如图5所示，电流从DC母线的正轨14流动通过第一开关臂11的第一和第二开关模块S1、S2，并经由输出电压端子18两端的负载流向第二开关臂13。电流继续流动通过第二开关臂13的第七和第八开关模块S7、S8，并流向负轨16。门极信号25设置成零的每个开关模块20上的电压电位，即门极信号25是截止的每个开关模块20上的电压电位是呈现在DC母线12上的电压电位的一半。结果，DC母线12上的电压电位分配在每个臂11、13中的两个开关模块20两端，DC母线12上的电压电位的一半呈现在每个开关臂11、13的飞跨电容器38两端。
功率转换器10在期望的导通时间内保持在第一操作状态。导通时间至少部分确定输出电压的幅值。在第一模式中，输出电压端子18经由开关模块20对连接至正轨14或负轨16。结果，输出电压的瞬时值等于呈现在正轨14或负轨16上的电压电位。例如，如果正轨是750VDC，负轨16是0VDC，则输出电压交替连接至750VDC或0VDC。通过控制正轨14和负轨16的每一个连接至输出电压端子18的相对时间长度，在输出电压端子18处可见在0和750VDC之间的平均电压值。
导通时间是由在处理器48中执行的控制模块确定的。控制模块从电压和/或电流传感器40、41、42、43、44、46中一个或多个接收反馈信号以及命令信号52。例如利用比例控制器、积分控制器、导数控制器或其组合，控制模块确定每个门极信号的导通时间以达到期望的输出电压。一旦第一、第二、第七和第八开关模块20(S1、S2、S7、S8)的门极信号25已经导通期望的导通时间，处理器48关断这些开关模块20中每一个的门极信号25，所有的MOSFET 24的门极信号25均截止。谐振电流对第三、第四、第五和第六开关模块20(S3、S4、S5、S6)的缓冲电容器22放电，对第一、第二、第七和第八开关模块20(S1、S2、S7、S8)的缓冲电容器22充电。
一旦缓冲器电荷传递完成，谐振电流开始流动通过第三、第四、第五和第六开关模块20(S3、S4、S5、S6)的飞轮二极管26，从而过渡到第二操作状态。如图5所示，电流从DC母线的负轨16流动通过第一开关臂11中的第三和第四开关模块S3、S4的飞轮二极管26，并经由输出电压端子18两端的负载流向第二开关臂13。电流继续流动通过第二开关臂13中的第五和第六开关模块S5、S6中的飞轮二极管26，并流向正轨14。第一、第二、第七和第八开关模块20(S1、S2、S7、S8)两端的电压电位是DC母线12上呈现的电压电位的一半，第三、第四、第五和第六开关模块20(S3、S4、S5、S6)两端的电压电位是零。结果，DC母线12上的电压电位再次分配在每个臂11、13中的两个开关模块20两端，DC母线12上的电压电位的一半呈现在每个开关臂11、13的飞跨电容器38两端。在第二操作状态中，处理器48设置第三、第四开关模块20(S3、S4)以及第五和第六开关模块20(S5、S6)的门极信号25，从而过渡到第三操作状态。
在第三操作状态，开关模块20一、二、七和八(S1、S2、S7、S8)的门极信号25保持截止。如图5所示，电流从DC母线的正轨14流动通过第二开关臂13的第五和第六开关模块S5、S6，并经由输出电压端子18两端的负载流向第一开关臂11。电流继续流动通过第一开关臂11的第三和第四开关模块S3、S4，并流向负轨16。门极信号25设置为零的每个开关模块20上的电压电位，即门极信号25被复位的每个开关模块20上的电压电位是DC母线12上呈现的电压电位的一半。结果，DC母线12上的电压电位分配在每个臂11、13中的两个开关模块20两端，DC母线12上的电压电位的一半呈现在每个开关臂11、13的飞跨电容器38两端上。
功率转换器10在期望的导通时间内保持在第三操作状态。一旦第三、第四、第五和第六开关模块20(S3、S4、S5、S6)的门极信号25已经导通期望的导通时间，处理器48关断这些开关模块20中每一个的门极信号25，所有MOSFET 24的门极信号25都截止。谐振电流对第一、第二、第七和第八开关模块20(S1、S2、S7、S8)的缓冲电容器22放电，对第三、第四、第五和第六开关模块20(S3、S4、S5、S6)的缓冲电容器22充电。
一旦缓冲器电荷传递完成，谐振电流开始流动通过第一、第二、第七和第八开关模块20(S1、S2、S7、S8)的飞轮二极管26，从而过渡到第四操作状态。如图5所示，电流从DC母线的负轨16流动通过第二开关臂13的第七和第八开关模块S7、S8的飞轮二极管26，并经由输出电压端子18两端的负载流向第一开关臂11。电流继续流动通过第一开关臂11的第一和第二开关模块S1、S2的飞轮二极管26，并流向正轨14。第三、第四、第五和第六开关模块20(S3、S4、S5、S6)两端的电压电位是DC母线12上呈现的电压电位的一半，第一、第二、第七和第八开关模块20(S1、S2、S7、S8)两端的电压电位是零。结果，DC母线12上的电压电位再次分配在每个臂11、13中的两个开关模块20两端，DC母线12上的电压电位的一半呈现在每个开关臂11、13的飞跨电容器38两端。在第四操作状态中，处理器48设置第一和第二开关模块20(S1、S2)以及第七和第八开关模块20(S7、S8)的门极信号25，从而返回第一操作状态。在第一操作模式中重复四个操作状态，以在输出电压端子18处生成期望的输出电压。
接着参照图6和图7，处理器48可操作以执行第二控制方法。第二控制方法被配置用于第二操作模式，其中，第二操作模式可以包括在大约12.5％和大约50％的额定功率之间的操作，并且更优选地包括在大约25％的额定功率的操作。开关模块20被控制以在输出电压端子18处提供DC母线12上呈现的电压电位的正或负的一半(即+/-VDC/2)。处理器48生成八组门极信号25，从而产生八个操作状态。
在针对第二操作模式中的第一操作状态，处理器设置用于或启用第二、第四、第七和第八开关模块20(S2、S4、S7、S8)的门极信号25。第一、第三、第五和第六开关模块20(S1、S3、S5、S6)的门极信号25保持截止。如图7所示，电流从DC母线12的负轨16流动通过第四开关模块S4流向第三中间连接34，然后通过飞跨电容器38流向第一开关臂11的第一中间连接30。电流然后通过第二开关模块S2传导，并经由输出电压端子18两端的负载传导至第二开关臂13。电流继续流动通过第二开关臂13经由第七和第八开关模块S7、S8流回负轨16。门极信号25设置为零的每个开关模块20上的电压电位，即门极信号25是截止的每个开关模块20上的电压电位是DC母线12上呈现的电压电位的一半。结果，DC母线12上的电压电位分配在每个臂11、13中的两个开关模块20两端。输出电压端子18两端可见的电压电位是DC母线12上呈现的电压电位的一半。
功率转换器10在期望的导通时间内保持在第一操作状态。在此导通时间中，第一、第三、第五和第六开关模块20(S1、S3、S5、S6)的缓冲电容器22被充电到DC母线电压电位的一半。在期望的导通时间完成时，处理器48关断第二和第七开关模块S2、S7的门极信号25。第四和第八开关模块S4、S8的门极信号25保持设置。谐振电流使刚刚关断的第二和第七开关模块S2、S7的缓冲电容器22变成充电的，第三和第六开关模块S3、S6的缓冲电容器22变成放电的。
一旦缓冲器电荷传递完成，谐振电流开始流动通过第三和第六开关模块S3、S6的飞轮二极管26，功率转换器10过渡到第二操作模式中的第二操作状态。如图7所示，电流从DC母线12的负轨16流动通过第四开关模块S4流向第三中间连接34，然后通过第三开关模块S3的飞轮二极管26流向第二中间连接点32。电流然后经由输出电压端子18两端的负载传导到第二开关臂13。在第二开关臂13中，电流通过第六开关模块S6的飞轮二极管26、飞跨电容器38和第八开关模块S8传导回DC母线12的负轨16。输出电压端子18两端可见的电压电位是DC母线12上呈现的电压电位的负的一半。在第二操作状态中，处理器48设置第三和第六开关模块S3、S6的门极信号25，从而过渡到第三操作状态。
在针对第二操作模式中的第三操作状态，第三、第四、第六和第八开关模块20(S3、S4、S6、S8)的门极信号25被设置。第一、第二、第五和第七开关模块20(S1、S2、S5、S7)的门极信号25保持截止。如图7所示，电流从DC母线的负轨16流动通过第八开关模块S8流向第三中间连接34，然后通过飞跨电容器38流向第二开关臂13的第一中间连接30。电流然后通过第六开关模块S2传导，并经由输出电压端子18两端的负载传导到第一开关臂11。电流继续流动通过第一开关臂11经由第三和第四开关模块S3、S4流回负轨16。门极信号25设置为零的每个开关模块20上的电压电位，即门极信号25为截止的每个开关模块20上的电压电位是DC母线12上呈现的电压电位的一半。结果，DC母线12上的电压电位分配在每个臂11、13中的两个开关模块20两端。输出电压端子18两端可见的电压电位是DC母线12上呈现的电压电位的负的一半。
功率转换器10在期望的导通时间内保持在第三操作状态。在此导通时间中，第一、第二、第五和第七开关模块20(S1、S2、S5、S7)的缓冲电容器22被充电到DC母线电压电位的一半。在期望的导通时间完成时，处理器48关断第三和第四开关模块S3、S4的门极信号25。第六和第八开关模块S6、S8的门极信号25保持设置。谐振电流使刚刚关断的第三和第四开关模块S3、S4的缓冲电容器22变成充电的，第一和第二开关模块S1、S2的缓冲电容器22变成放电的。
一旦缓冲器电荷传递完成，谐振电流开始流动通过第一和第二开关模块S1、S2的飞轮二极管26，功率转换器10过渡到第二操作模式中的第四操作状态。如图7所示，电流从DC母线12的负轨16流动通过第八开关模块S8流向第三中间连接34，然后通过第二开关臂13的飞跨电容器38流向第一中间连接点30。电流然后通过第六开关模块S6传导，并经由输出电压端子18两端的负载传导到第一开关臂11。电流继续流动通过第一开关臂11经由第一和第二开关模块S1、S2的飞轮二极管26流向正轨14。输出电压端子18两端可见的电压电位是DC母线12上呈现的电压电位的一半。在第四操作状态中，处理器48设置第一和第二开关模块S1、S2的门极信号25，从而过渡到第五操作状态。
在针对第二操作模式中的第五操作状态，第一、第二、第六和第八开关模块20(S1、S2、S6、S8)的门极信号25被设置。第三、第四、第五和第七开关模块20(S3、S4、S5、S7)的门极信号25保持截止。如图7所示，电流从DC母线12的正轨14流动通过第一和第二开关模块S1、S2流向第一开关臂11中的第二中间连接32，然后经由输出电压端子18两端的负载流向第二开关臂13。电流继续流动通过第二开关臂13经由第六开关模块S6、飞跨电容器38流向第三中间连接34和第八开关模块S8流回负轨16。门极信号25设置为零的每个开关模块20上的电压电位，即门极信号25为截止的每个开关模块20上的电压电位是DC母线12上呈现的电压电位的一半。结果，DC母线12上的电压电位分配在每个臂11、13中的两个开关模块20两端。输出电压端子18两端可见的电压电位是DC母线12上的电压电位的一半。
功率转换器10在期望的导通时间内保持在第五操作状态。在此导通时间中，第三、第四、第五和第七开关模块20(S3、S4、S5、S7)的缓冲电容器22被充电到DC母线电压电位的一半。在期望的导通时间完成时，处理器48关断第一和第八开关模块S1、S8的门极信号25。第二和第六开关模块S2、S6的门极信号25保持设置。谐振电流使刚刚关断的第一和第八开关模块S1、S8的缓冲电容器22变成充电的，第四和第五开关模块S4、S5的缓冲电容器22变成放电的。
一旦缓冲器电荷传递完成，谐振电流开始流动通过第四和第五开关模块S4、S5的飞轮二极管26，功率转换器10过渡到第二操作模式中的第六操作状态。如图7所示，电流从DC母线12的负轨16流动通过第四开关模块S4的飞轮二极管26流向第三中间连接34，然后通过飞跨电容器38流向第一开关臂11的第一中间连接点30。电流然后通过第二开关模块S2传导，并经由输出电压端子18两端的负载传导到第二开关臂13。在第二开关臂13中，电流通过第六开关模块S6和第五开关模块S5的飞轮二极管26传导到DC母线12的正轨14。输出电压端子18两端可见的电压电位是DC母线12上呈现的电压电位的负的一半。在第六操作状态中，处理器48设置第四和第五开关模块S4、S5的门极信号25，从而过渡到第七操作状态。
在针对第二操作模式中的第七操作状态，第二、第四、第五和第六开关模块20(S2、S4、S5、S6)的门极信号25被设置。第一、第三、第七和第八开关模块20(S1、S3、S7、S8)的门极信号25保持截止。如图7所示，电流从DC母线12的正轨14流动通过第五和第六开关模块S5、S6流向第二开关臂13中的第二中间连接32，然后经由输出电压端子18两端的负载流向第一开关臂11。电流继续流动通过第一开关臂11经由第二开关模块S2、飞跨电容器38流向第三中间连接34和第四开关模块S4流向负轨16。门极信号25设置为零的每个开关模块20上的电压电位，即门极信号25为截止的每个开关模块20上的电压电位是DC母线12上呈现的电压电位的一半。结果，DC母线12上的电压电位分配在每个臂11、13中的两个开关模块20两端。输出电压端子18两端可见的电压电位是DC母线12上呈现的电压电位的负的一半。
功率转换器10在期望的导通时间内保持在第七操作状态。在此导通时间中，第一、第三、第七和第八开关模块20(S1、S3、S7、S8)的缓冲电容器22被充电到DC母线电压电位的一半。在期望的导通时间完成时，处理器48关断第五和第六开关模块S5、S6的门极信号25。第二和第四开关模块S2、S4的门极信号25保持设置。谐振电流使刚刚关断的第五和第六开关模块S5、S6的缓冲电容器22变成充电的，第七和第八开关模块S7、S8的缓冲电容器22变成放电的。
一旦缓冲器电荷传递完成，谐振电流开始流动通过第七和第八开关模块S7、S8的飞轮二极管26，功率转换器10过渡到第二操作模式中的第八操作状态。如图7所示，电流从DC母线12的负轨16流动通过第七和第八开关模块S7、S8的飞轮二极管26流向第二开关臂13的第二中间连接32，然后经由输出电压端子18两端的负载流向第一开关臂11。在第一开关臂11中，电流经由第二开关模块S2、飞跨电容器38传导到第三中间连接点34和第四开关模块S4传导回负轨16。输出电压端子18两端可见的电压电位是DC母线12上呈现的电压电位的一半。在第八操作状态中，处理器48设置第七和第八开关模块S7、S8的门极信号25，使得第二操作模式返回其第一操作状态。在第二操作模式中重复这八个操作状态，以在输出电压端子18处生成期望的输出电压。
接着参照图8和图9，处理器48可操作以执行第三控制方法。第三控制方法被配置用于第三操作模式，其中，第三操作模式可以包括小于大约12.5％的额定功率并且更优选地在大约6.125％的额定功率的低功率操作。开关模块20被控制以在输出电压端子18处提供DC母线12上呈现的电压电位的一半或零伏。处理器48生成八组门极信号25，从而产生八个操作状态。如图9中还可见的，第三操作模式被配置成只利用两个开关臂11、13中的一个执行。根据图示的状态，将讨论关于第一开关臂11的操作。要理解，可以利用第二开关臂13并生成第二开关臂13中的相应开关模块20的门极信号25实现类似操作。还考虑了在第三控制操作模式中可以交替利用第一和第二开关臂11、13，以平衡两个开关臂11、13的损耗和利用。
在针对第三操作模式中的第一操作状态，处理器设置用于或启用第二和第四开关模块20(S2、S4)的门极信号25。第一和第三开关模块20(S1、S3)的门极信号25保持截止。如图9所示，电流从DC母线12的负轨16流动通过第四开关模块S4、通过飞跨电容器38流向第一中间连接30，然后通过第二开关模块S2流向第一开关臂11上的输出端子18。电流然后通过负载传导回到DC母线12的负轨16。例如，可以通过将第七和第八开关模块S7、S8的门极信号25设置为导通来建立传导路径。当第二开关臂13正提供到达负轨16的返回导通路径时，第七和第八开关模块S7、S8的门极信号25在第三操作模式中保持导通。门极信号25设置为零的第一开关臂11中的每个开关模块20上的电压电位，即门极信号25是截止的第一开关臂11中的每个开关模块20上的电压电位是DC母线12上呈现的电压电位的一半。结果，DC母线12上的电压电位分配在第一开关臂11中的两个开关模块20两端。输出电压端子18两端可见的电压电位是DC母线12上呈现的电压电位的一半。
功率转换器10在期望的导通时间内保持在第三操作模式中的第一操作状态。在此导通时间中，第一和第三开关模块20(S1、S3)的缓冲电容器22被充电到DC母线电压电位的一半。在期望的导通时间完成时，处理器48关断第二和第四开关模块S2、S4的门极信号25。谐振电流使刚刚关断的第二开关模块S2的缓冲电容器22变成充电的，第三开关模块S3的缓冲电容器22变成放电的。
一旦缓冲器电荷传递完成，谐振电流开始流动通过第三和第四开关模块S3、S4的飞轮二极管26，功率转换器10过渡到第三操作模式中的第二操作状态。如图9所示，电流从DC母线12的负轨16流动通过第三和第四开关模块S3、S4的飞轮二极管26流向第一开关臂11上的输出电压端子18。通过第二开关臂13上的第七和第八开关模块S7、S8的返回传导路径被保持，输出电压端子18两端可见的电压电位是零。在第二操作状态中，处理器48设置第三和第四开关模块S3、S4的门极信号25，从而过渡到第三操作状态。
在针对第三操作模式中的第三操作状态，第三和第四开关模块S3、S4的门极信号25被设置。第一和第二开关模块S1、S2的门极信号25保持截止。如图9所示，电流从DC母线12的负轨16流动通过第二开关臂13中的传导路径，通过负载流向第一开关臂11，并经由第三和第四开关模块S3、S4返回负轨16。门极信号25设置为零的第一开关臂11中的每个开关模块20上的电压电位，即门极信号25为截止的第一开关臂11中的每个开关模块20上的电压电位是DC母线12上呈现的电压电位的一半。结果，DC母线12上的电压电位分配在第一开关臂11中的两个开关模块20两端，输出电压端子18两端可见的电压电位是零。
功率转换器10在期望的导通时间内保持在第三操作模式中的第三操作状态。在此导通时间中，第一和第二开关模块S1、S2的缓冲电容器22被充电到DC母线电压电位的一半。在期望的导通时间完成时，处理器48关断第四开关模块S4的门极信号25，第三开关模块S3的门极信号25保持导通。谐振电流使刚刚关断的第四开关模块S4的缓冲电容器22变成充电的，第一开关模块S1的缓冲电容器22变成放电的。
一旦缓冲器电荷传递完成，谐振电流开始流动通过第一开关模块S1的飞轮二极管26，功率转换器10过渡到第三操作模式中的第四操作状态。如图9所示，电流从DC母线12的负轨16流动通过第二开关臂13的导通路径并通过负载流向第一开关臂11。在第一开关臂11中，电流经由第三开关模块S3、飞跨电容器38和第一开关模块S1的飞轮二极管26流向正轨14。输出电压端子18两端可见的电压电位是DC母线12上呈现的电压电位的一半。在第四操作状态中，处理器48设置第一开关模块S1的门极信号25，从而过渡到第五操作状态。
在针对第三操作模式中的第五操作状态，第一和第三开关模块S1、S3的门极信号25被设置。第二和第四开关模块S2、S4的门极信号25保持截止。如图9所示，电流从DC母线12的正轨14流动通过第一开关模块S1，通过飞跨电容器38流向第三中间连接34，然后通过第三开关模块S3流向第一开关臂11上的输出端子18。电流然后通过负载传导，并经由第二开关臂13中的导通路径传导到负轨16。门极信号25设置为零的第一开关臂11中的每个开关模块20上的电压电位，即门极信号25为截止的第一开关臂11中的每个开关模块20上的电压电位是DC母线12上呈现的电压电位的一半。结果，DC母线12上的电压电位分配在第一开关臂11中的两个开关模块20两端。输出电压端子18两端可见的电压电位是DC母线12上呈现的电压电位的一半。
功率转换器10在期望的导通时间内保持在第三操作模式中的第五操作状态。在此导通时间中，第二和第四开关模块S2、S4的缓冲电容器22被充电到DC母线电压电位的一半。在期望的导通时间完成时，处理器48关断第一和第三开关模块S1、S3的门极信号25。谐振电流使刚刚关断的第一开关模块S1的缓冲电容器22变成充电的，第四开关模块S4的缓冲电容器22变成放电的。
一旦缓冲器电荷传递完成，谐振电流开始流动通过第三和第四开关模块S3、S4的飞轮二极管26，功率转换器10过渡到第三操作模式中的第六操作状态。如图9所示，电流从DC母线12的负轨16流动通过第三和第四开关模块S3、S4的飞轮二极管26流向第一开关臂11上的输出电压端子18。通过第二开关臂13上的第七和第八开关模块S7、S8的返回导通路径被保持，输出电压端子18两端可见的电压电位为零。在第六操作状态中，处理器48设置第三和第四开关模块S3、S4的门极信号25，从而过渡到第七操作状态。
在针对第三操作模式中的第七操作状态，第三和第四开关模块S3、S4的门极信号25被设置。第一和第二开关模块S1、S2的门极信号25保持截止。如图9所示，电流从DC母线12的负轨16流动通过第二开关臂13中的导通路径，通过负载流向第一开关臂11，并经由第三和第四开关模块S3、S4返回负轨16。门极信号25设置为零的第一开关臂11中的每个开关模块20上的电压电位，即门极信号25为截止的第一开关臂11中的每个开关模块20上的电压电位是DC母线12上呈现的电压电位的一半。结果，DC母线12上的电压电位分配在第一开关臂11中的两个开关模块20两端。输出电压端子18两端可见的电压电位为零。
功率转换器10在预期的导通时间内保持在第三操作模式中的第七操作状态。在此导通时间中，第一和第二开关模块S1、S2的缓冲电容器22被充电到DC母线电压电位的一半。在期望的导通时间完成时，处理器48关断第三开关模块S3的门极信号25，第四开关模块S4的门极信号25保持导通。谐振电流使刚刚关断的第三开关模块S3的缓冲电容器22变成充电的，第二开关模块S2的缓冲电容器22变成放电的。
一旦缓冲器电荷传递完成，谐振电流开始流动通过第二开关模块S2的飞轮二极管26，功率转换器10过渡到第三操作模式中的第八操作状态。如图9所示，电流从DC母线12的负轨16流动通过第二开关臂13的导通路径并通过负载流向第一开关臂11。在第一开关臂11中，电流经由第二开关模块S2的飞轮二极管26、飞跨电容器38和第四开关模块S4返回负轨16。输出电压端子18两端可见的电压电位是DC母线12上呈现的电压电位的一半。在第八操作状态中，处理器48设置第二开关模块S2的门极信号25，从而返回第一操作状态。在第三操作模式中重复这八个操作状态，以在输出电压端子18处生成期望的输出电压。
接着参照图10，针对示例性应用，用图形示出上述的功率转换器的操作。示例性应用是可操作以将单相或多相输出电压提供至x-射线发生器的高压变压器的一次侧的功率转换器。x-射线发生器被配置用于三种操作模式。在第一高功率操作模式中，x-射线发生器被配置成输出大约120kV的电压。在第二中功率操作模式中，x-射线发生器被配置成输出大约60kV的电压。在第三低功率操作模式中，x-射线发生器生成大约30kV。用于X-射线发生器的功率转换器在第一操作模式中的操作利用上文讨论的第一开关技术。用于x-射线发生器的功率转换器在第二操作模式中的操作利用上文讨论的第二开关技术。用于x-射线发生器的功率转换器在第三操作模式中的操作利用上文讨论的第三开关技术。
根据图示的示例，功率转换器能够在第一操作模式中，在大约260kHz开关频率处生成期望的输出电压，如由附图标记70标记的点标识的。然而，如果x-射线发生器尝试利用第一操作模式以期望的低功率设置操作，则曲线延伸，偏离绘图向右到达30kV，从而需要超过350kHz的开关频率，这超出开关装置的范围。不过，功率转换器在第三操作模式中的操作使期望的输出电压在大约260kHz处再次生成，如由附图标记74标记的点标识的。类似地，功率转换器在第二操作模式中的操作使期望的输出电压再次在大约260kHz处生成，如由附图标记72标记的点标识的。这些操作点中的每一个在由每条曲线的峰值标识的谐振点以上，以确保功率转换器的软开关操作。
本书面说明书使用示例来公开本发明(包括最佳模式)，还使得本领域任何技术人员能够实践本发明(包括制造和使用任何装置或系统和执行任何结合的方法)。本发明的专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例具有与权利要求书的文字语言并非不同的结构元件、或者如果这样的其他示例包括与权利要求书的文字语言具有非实质性区别的等同结构元件，则这样的其他示例意欲落入权利要求的范围内。

Claims (17)

1.一种多电平软开关功率转换器，包括：
直流（DC）母线，所述直流母线具有能够操作以使所述直流母线两端呈现电压电位的正轨和负轨；
一对开关臂，每个开关臂连接在所述正轨和所述负轨之间，每个开关臂还包括：
第一软开关，所述第一软开关连接在所述正轨和第一中间连接之间并由第一门极信号控制，
第二软开关，所述第二软开关连接在所述第一中间连接和第二中间连接之间并由第二门极信号控制，
第三软开关，所述第三软开关连接在所述第二中间连接和第三中间连接之间并由第三门极信号控制，
第四软开关，所述第四软开关连接在所述第三中间连接和所述负轨之间并由第四门极信号控制，
飞跨电容器，所述飞跨电容器连接在所述第一中间连接和所述第三中间连接之间，以及
输出端子，所述输出端子连接在所述第二中间连接处；以及
控制器，所述控制器能够操作以：
控制所述第一软开关、所述第二软开关、所述第三软开关和所述第四软开关至少在第一操作模式、第二操作模式和第三操作模式中，
接收与所述多电平软开关功率转换器的预期操作对应的命令信号，
接收与在所述多电平软开关功率转换器的输入处呈现的电流和电压之一对应的至少一个第一反馈信号；
接收与在所述多电平软开关功率转换器的输出处呈现的电流和电压之一对应的至少一个第二反馈信号，
响应于所述命令信号、所述第一反馈信号和所述第二反馈信号，生成所述第一门极信号、所述第二门极信号、所述第三门极信号和所述第四门极信号中的每一个，以及
在所述第一操作模式中以第一序列、在所述第二操作模式中以第二序列以及在所述第三操作模式中以第三序列生成所述门极信号。
2.根据权利要求1所述的多电平软开关功率转换器，其特征在于：
所述第一软开关包括第一固态开关、第一飞轮二极管和第一缓冲电容器；
所述第二软开关包括第二固态开关、第二飞轮二极管和第二缓冲电容器；
所述第三软开关包括第三固态开关、第三飞轮二极管和第三缓冲电容器；以及
所述第四软开关包括第四固态开关、第四飞轮二极管和第四缓冲电容器。
3.根据权利要求2所述的多电平软开关功率转换器，还包括：
与所述第一软开关并联连接的第一电阻器；
与所述第二软开关并联连接的第二电阻器；
与所述第三软开关并联连接的第三电阻器；以及
与所述第四软开关并联连接的第四电阻器。
4.根据权利要求1所述的多电平软开关功率转换器，其特征在于，在所述第一操作模式、所述第二操作模式和所述第三操作模式的每一个中，每个开关臂的飞跨电容器两端的电压电位大约是所述直流母线两端呈现的电压电位的一半。
5.根据权利要求4所述的多电平软开关功率转换器，其特征在于，在所述第一操作模式、所述第二操作模式和所述第三操作模式的每一个中，每个开关臂中所述软开关中的两个的两端的电压电位大约是所述直流母线两端呈现的电压电位的一半。
6.根据权利要求1所述的多电平软开关功率转换器，其特征在于，在所述第一操作模式中，协力地（in tandem）切换来自所述一对开关臂的一个开关臂上的第一软开关和第二软开关，协力地切换来自所述一对开关臂的一个开关臂上的第三软开关和第四软开关。
7.根据权利要求6所述的多电平软开关功率转换器，其特征在于，在所述第二操作模式中：
所述第一软开关、所述第二软开关、所述第三软开关和所述第四软开关被控制以在所述一对开关臂的输出端子两端交替连接第一电压电位和第二电压电位之一，
所述第一电压电位是所述直流母线两端呈现的电压电位的正的一半；以及
所述第二电压电位是所述直流母线两端呈现的电压电位的负的一半。
8.根据权利要求7所述的多电平软开关功率转换器，其特征在于，在所述第三操作模式中：
所述第一软开关、所述第二软开关、所述第三软开关和所述第四软开关被控制以在所述一对开关臂的输出端子两端交替连接所述第一电压电位和零伏之一。
9.一种控制多电平软开关功率转换器的方法，其特征在于，所述多电平软开关功率转换器包括一对开关臂，每个开关臂连接在直流（DC）母线的正轨和负轨之间，每个开关臂包括串联连接在所述正轨和所述负轨之间的四个软开关，和飞跨电容器，所述方法包括以下步骤：
在控制器处接收命令信号，其中，所述命令信号对应于所述多电平软开关功率转换器的期望操作，并且其中，所述多电平软开关功率转换器能够操作以控制所述软开关至少在第一操作模式、第二操作模式和第三操作模式中；
在所述控制器处接收与在所述功率转换器的输入处呈现的电流和电压之一对应的至少一个第一反馈信号；
在所述控制器处接收与在所述功率转换器的输出处呈现的电流和电压之一对应的至少一个第二反馈信号；以及
用所述控制器生成多个门极信号，其中：
响应于所述命令信号、所述第一反馈信号和所述第二反馈信号生成每个门极信号，
每个门极信号对应于所述软开关之一，以及
在所述第一操作模式中以第一序列、在所述第二操作模式中以第二序列以及在所述第三操作模式中以第三序列生成所述门极信号。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：
来自所述四个软开关的第一软开关包括第一固态开关、第一飞轮二极管和第一缓冲电容器；
来自所述四个软开关的第二软开关包括第二固态开关、第二飞轮二极管和第二缓冲电容器；
来自所述四个软开关的第三软开关包括第三固态开关、第三飞轮二极管和第三缓冲电容器；以及
来自所述四个软开关的第四软开关包括第四固态开关、第四飞轮二极管和第四缓冲电容器。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：
提供并联连接至所述第一软开关的第一电阻器；
提供并联连接至所述第二软开关的第二电阻器；
提供并联连接至所述第三软开关的第三电阻器；以及
提供并联连接至所述第四软开关的第四电阻器。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在所述第一操作模式中，协力地切换来自所述一对开关臂的一个开关臂上的第一软开关和第二软开关的门极信号，协力地切换来自所述一对开关臂的一个开关臂上的第三软开关和第四软开关。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在所述第一操作模式中，根据以下步骤生成所述门极信号：
与从所述一对开关臂中选择的第二开关臂的第三软开关和第四软开关协力地设置从所述一对开关臂中选择的第一开关臂的第一软开关和第二软开关的门极信号；
复位所有软开关的门极信号；
与所述第二开关臂的第三软开关和第四软开关协力地设置所述第二开关臂的第一软开关和第二软开关的门极信号；以及
复位所有软开关的门极信号。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在所述第二操作模式中：
所述第一软开关、所述第二软开关、所述第三软开关和所述第四软开关被控制以在所述一对开关臂的输出端子两端交替连接第一电压电位和第二电压电位之一；
所述第一电压电位是所述直流母线两端呈现的电压电位的正的一半；以及
所述第二电压电位是所述直流母线两端呈现的电压电位的负的一半。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在所述第二操作模式中，根据以下步骤生成所述门极信号：
协力地设置所述第一开关臂中的第二和第四软开关以及所述第二开关臂中的第三和第四软开关的门极信号；
协力地复位所述第一开关臂中的第二软开关和所述第二开关臂中的第三软开关的门极信号；
协力地设置所述第一开关臂中的第三软开关和第二开关臂中的第二软开关的门极信号；
协力地复位所述第一开关臂中的第三和第四软开关的门极信号；
协力地设置所述第一开关臂中的第一和第二软开关的门极信号；
协力地复位所述第一开关臂中的第一软开关和所述第二开关臂中的第四软开关的门极信号；
协力地设置所述第一开关臂中的第四软开关和所述第二开关臂中的第一软开关的门极信号；以及
协力地复位所述第二开关臂中的第一和第二软开关的门极信号。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在所述第三操作模式中：
所述第一软开关、所述第二软开关、所述第三软开关和所述第四软开关被控制以在所述一对开关臂的输出端子两端交替连接所述第一电压电位和零伏之一。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，在所述第三操作模式中，根据以下步骤生成所述门极信号：
协力地设置所述第一开关臂中的第二和第四软开关的门极信号；
协力地复位所述第一开关臂中的第二和第四软开关的门极信号；
协力地设置所述第一开关臂中的第三和第四软开关的门极信号；
复位所述第一开关臂中的第四软开关的门极信号；
设置所述第一开关臂中的第一软开关的门极信号；
协力地复位所述第一开关臂中的第一和第三软开关的门极信号；
协力地设置所述第一开关臂中的第三和第四软开关的门极信号；以及
复位所述第一开关臂中的第三软开关的门极信号。
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