CN110011559B - 隔离逆变器 - Google Patents

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Abstract

一种隔离总线逆变器系统，包括逆变器电路和控制器。逆变器电路包括开关阵列，用以向输出端提供多相交流(AC)信号。逆变器电路中的每个逆变器电路包括与逆变器电路中的其他逆变器电路隔离的能量源或者包括与逆变器电路中的其他逆变器电路隔离的基准。控制器配置成基于从一个或更多个整流器电路接收到的DC信号来产生用于逆变器电路的定时信号，进而产生用于输出端的AC信号。

Description

隔离逆变器
技术领域
本申请要求于2017年12月14日提交的临时申请第62/598,794号(卷号10222-17022A)以及2018年12月4日提交的美国非临时申请第16/208,855号的优先权权益，其全部内容在此通过参引并入本文。
背景技术
本申请涉及逆变器的领域，并且更具体地涉及包括与其他逆变器电路隔离的能量源的隔离逆变器电路。
逆变器是将直流电能转换成交流电能的设备。逆变器可以是单向的，由此将来自源的直流(DC)电力转换成交流(AC)电力输出至负载或存储设备，或者逆变器可以是双向的，由此将来自源的DC电力转换成AC电力输出至负载或存储设备以及将来自源的AC电力转换成DC电力输出至负载或存储设备。
附图说明
本文中参照以下附图对示例性实施方式进行描述。
图1示出了示例性逆变器系统。
图2示出了包括附加开关的示例性逆变器系统。
图3示出了利用线与中性点间调节三相逆变器的示例性系统。
图4示出了一组示例性隔离逆变器电路。
图5示出了逆变器电路的示例实施方案。
图6示出了用于隔离逆变器的系统。
图7示出了用于隔离逆变器电路和源的另一示例性系统。
图8示出了逆变器可以生成的一组示例性电压和电流波形。
图9A示出了示例性FET开关波形。
图9B示出了示例性IGBT开关波形。
图9C示出了示例性FET开关波形。
图9D示出了具有典型的抗击穿延迟的示例性FET开关波形。
图10示出了用于操作隔离逆变器的示例性控制器。
图11示出了逆变器控制器的操作的流程图。
具体实施方式
图1示出了逆变器系统9，在该逆变器系统9中，三个开关对1和4、2和5、3和6允许调节线间输出电压。逆变器系统9可以提供从直流(DC)输入导出的三相交流(AC)输出。
在图1中示出的配置中，每个开关对连接至相同的DC总线8，从而调节线间电压。线间电压处于第一较高电压电平。例如，相位A与相位B之间的电压约为480V，相位B与相位C之间的电压约为480V，并且相位C与相位A之间的电压约为480V。
通过调节线与中性点间电压来调节线间电压是有利的。如果系统使用较高的电压电平来调节相间，则所有三个输出都可以通过6个开关的组合而从单个直流总线供给，如图1所示。可以通过选择性地对增大电流的正侧开关和减小电流的负侧开关进行切换来控制相位中的每个相位上的电流，同时电流通过其他开关对返回。该系统适用于马达和平衡负载。
然而，与调节线与中性点间电压相比，调节线间电压也存在缺点。由于来源于给定的一组开关的电流必须通过其他开关的组合而返回，因此如果加载未被完全平衡比如在其中相位中的一个相位具有单相负载的应用——比如照明设备、计算机、控件和此类设备——中，则每个相位的输出电压可能会改变。许多工业应用可能在某个时间提供不平衡负载。
当调节线间电压时，系统可以具有浮动中性点、电容耦合中性点、或用以建立中性点的另一技术。当系统负载在相位之间不平衡时，这些技术仍然可以允许中性点朝向给定相位偏压。在相位A上离开逆变器的电流有两条路径返回至DC总线、相位B和相位C。正因为如此，给定相位上的电流变化可能会影响其他两个相位上的电流，这意味着可能难以单独控制电流或难以提供不平衡电流。
也可以使用用于在线间调节逆变器上建立中性点的其他技术，比如通向对中性点电压进行控制的逆变器总线的第四组开关或者连接成提供稳定的中性点参考的变压器，但是这些技术增加了额外的复杂性且降低了效率。图2中示出了例如通过使用N1和N2来用于中性点供给的第四组开关的示例。
线间调节可能需要高压DC总线。例如，480V线间逆变器可能需要700V的DC总线，以支持必要的AC输出电压。AC输出电压可以是提供了峰值因数为1.41的正弦波，这意味着电压峰值是RMS电压等同量的1.41倍。除波峰因数之外，DC总线可能需要在更高的电压下操作，以便提供驱动电压以增加峰值输出电压处的电流。在700V DC总线的情况下，逆变器可能需要高压电容器。高压电容器与低压电容器相比可能更大、更昂贵并且难以供电。
电容器可以串联堆叠以提供额定电压，但可能需要电路来均衡电容器之间的电压。均衡电路可以是耗散能量从而降低系统效率的简单的电阻元件或者可以是增加成本和复杂性的复杂的开关电源电路。串联连接的电容器也可能降低组合的有效电容，从而需要额外的电容器。例如，由额定电压为450V的电容器制成的额定电压为700V的400uF电容器组可能需要450V/1600uF电容器以达到必要的额定值。
线间调节可能需要高压开关。例如，提供480V线间调节的逆变器可能需要700V DC总线。为了防止开关故障，开关额定值可能需要通过相当大的安全系数超过700V。例如，对于700V DC总线，开关可以额定为支持900V。额定为900V的开关可能具有高的开关成本、高的导通电阻、高的正向电压降、大的物理尺寸或者其他不期望的特性。
作为线间调节的替代方案，逆变器可以调节线与中性点间电压。在该配置中，三相逆变器分为三个独立的开关配置。每个开关配置可以包括4个或更多个开关，从而允许电流在正方向和负方向两者上增大和减小。图3示出了利用线与中性点间调节三相逆变器的示例性系统。
线与中性点间电压或者相位之间的电压处于第二较低电压电平。在一个示例中，相位A与中性点间电压约为277V，相位B与中性点间电压约为277V，相位C与中性点间电压约为277V。
线与中性点间调节可以提供优于线间调节的优势。一个这样的优点是线与中性点间调节可以为每个相为提供单独的电流调节，从而可能允许控制线与中性点间电压且提供固定的中性点参照。该配置可以在负载不平衡的情况下提供优越的电压调节，而不需要变压器或不具有额外的复杂性。
线与中性点间调节可以提供的另一优点是较低的DC总线电压。例如，虽然480V的线间调节可能需要700V DC总线，但是277V的线与中性点间调节可能仅需要400V DC总线同时继续提供480V线间电压。
作为示例，参照图3，线与中性点间调节3相逆变器10可以包括配置成以120电角度的方式提供不同的输出的三个单相线与中性点间逆变器11A、11B和11C。逆变器11A的一侧提供相位A的输出电压，逆变器11B的一侧提供相位B的输出电压，并且逆变器11C的一侧提供相位C的输出电压，而三个逆变器的另一侧连接至中性点N。
线与中性点间调节所需的较低DC总线电压可以减小额定电压且降低电容器的成本以支持DC链路。例如，277V的线与中性点间调节可能需要400V DC总线。400V DC总线可能需要400uF的电容，该400uF的电容可以由额定的450V/400uF的电容器提供。
线与中性点间调节逆变器所需的较低DC总线电压也可以降低开关所需的额定电压。降低开关的额定电压可以降低开关成本且减小开关的导通电阻、开关的正向电压降、开关的物理尺寸、开关的切换时间以及其他开关特性。
例如，线与中性点间调节逆变器输出277V可能需要400V DC总线。为了提供足够的安全系数，可以在该应用中使用额定电压为600V的开关。与900V开关相比，600V开关可能更有用、成本更低、导通电阻更低、电压降更低、物理尺寸更小、更快地切换、或者在相比于900V开关的其他方面更令人满意。
线与中性点间调节还可能需要多个隔离的DC总线来提供输出电压。可能需要隔离总线，这是因为相位A的中性点可以通过开关连接至正DC总线，而相位B的中性点可以通过开关连接至负DC总线。由于中性点可以连接在一起，因此该双连接可能会导致逆变器内的不期望的循环电流、难以控制输出电压、并且可能损坏逆变器。
通过在每个逆变器的输出端上安装变压器并且将辅助变压器的中性点连接在一起可以避免将三个逆变器的中性点连接在一起。变压器可能会增加系统的损耗从而降低了系统效率、可能会增大系统的尺寸和增加系统的成本、可能会增加逆变器的总谐波失真(THD)、可能会对逆变器的电压调节产生负面影响、并且可能需要增加逆变器的DC链路电容以支持无功负载。
可以使用诸如隔离DC-DC转换器的隔离设备或者使用位于通向每个逆变器的输入端上的变压器来创建隔离总线。隔离设备可以使用诸如变压器的磁路为分开的总线提供隔离。在通向逆变器的输入端上的隔离设备可能增加系统的损耗、增加系统的尺寸和成本、并且可能需要在通向逆变器的输入端上有额外的滤波元件。
作为位于每个逆变器的输出端上的变压器和位于通向每个逆变器的输入端上的隔离设备的替代方案，每个逆变器可以由专用隔离总线供电。隔离总线可以由电机中的隔离绕组、隔离电池组、隔离太阳能电池阵列、隔离燃料电池或者其他隔离源而产生。
虽然真正的隔离源可能会在杂散电容上产生静电累积的风险且可能导致静电放电或电击，但是连接至线与中性点间调节逆变器的隔离源可能会选择性地将正极和负极连接至负载的中性点，从而为隔离源提供参考。在需要对中性点进行隔离的情况下，系统可以支持针对隔离源的外部高阻抗接地连接，而不会造成损坏或操作不当。
在输入源上提供隔离还可以允许检测接地故障，从而降低个人电击的可能性并且提高电磁抗扰度。
图4示出了一组示例性隔离逆变器电路20A至20C。通向逆变器20A至20C的输入端被隔离，这是因为逆变器20A至20C之间没有直接或间接的电连接。间接连接的示例可以包括逆变器电路20A中的负DC轨至地面的连接以及还有逆变器电路20B中的负DC轨至地面的连接。每个逆变器电路包括一个或更多个能量分量。虽然示出了两个能量分量，但是可以包括任何数量的能量分量。能量分量可以包括能量源21A至21C和/或储能器23A至23C。由于能量源21A至21C与储能器23A至23C是隔离的，因此任何逆变器电路中的能量源和/或储能器不与另一逆变器电路的任何组件电连接。能量源21可以包括来自电机的整流信号、来自光伏阵列的输入、燃料电池或类似的能量源。储能器23可以包括电池、电容器、大的旋转质量件、液压或气动蓄能器、蓄热元件或其他储能元件。电机可以是由公用设施或其他源驱动的变压器，电机可以是交流发电机31，该交流发电机31提供来自主要割草机——比如内燃机、风力涡轮机、水电涡轮机——的机械能或者其他机械能量源的电转换。本文中包含的对交流发电机31的引用可以指利用电磁感应来传送电力的任何电机或机器。
燃料电池可以配置成通过电化学反应将来自燃料的化学能转换成电能。反应可以在氢燃料与诸如氧的氧化剂之间进行。
每个逆变器电路20包括一组开关25。开关可以是任何类型的晶体管或其他电流中断设备。在一个示例中，可以使用微机电系统(MEMS)继电器或纳机电继电器。隔离逆变器电路通过依次选择性地启用开关25来提供对各个输出电流的控制，以增大或减小相关联的输出端上的电流。逆变器可以配置成控制电流或电压。逆变器可以配置成以与电网并联的方式操作或在孤岛状态下操作，其中，逆变器供给足够的电力以满足现场特定负载的需求。当以并网模式操作时，逆变器可以控制通向电网的电力输出或者提供某种类型的微电网控制比如CERTS。在孤岛状态下，逆变器可以配置成控制电压和频率或者限制输出电流。
控制器24可以操作性地连接至该组开关25并向开关发送命令信号，以在指定时间打开和关闭每个开关。开关可以成对地布置。一对开关将输出端电连接至正DC轨或负DC轨。每个逆变器电路的输出可以跨电容器29提供，电容器29可以经由电感器27连接至每对开关。电容器29和电感器27为输出提供滤波以减少由高频逆变器开关所传导的电磁发射并减小输出的总谐波失真(THD)。可以在逆变器电路20A至20C中的一者或全部中省去电容器29和电感器27。
图5示出了逆变器电路20的示例性实施方案，在该示例性实施方案中，该组开关被指定为SW1、SW2、SW3和SW4。电源21提供高侧供电和低侧供电。每个开关可以由驱动器电路28驱动，驱动器电路28可以包括隔离电路(例如，光学电路、磁路或其他电路)，用以允许控制器24单独地启用和停用每个开关。隔离电路通过使用磁信号或光信号保护控制器24——可以包括一个或更多个微处理器——免受DC总线的高电压的影响以进行电隔离。驱动器电路28和隔离电路连接至高侧供电或低侧供电，高侧供电或低侧供电是用于驱动器电路28的单独的电力供给。图5示出了每个逆变器具有H电桥和连接至DC总线的输入源。控制器24可以包括在逆变器电路20中和/或与逆变器电路20集成。为便于说明，控制器24与电路分开绘制并且控制器24连接至驱动器电路28。
在该示例中，可以通过一个或更多个传感器来测量八个电量并将八个电量提供至控制器24。电量可以包括通过SW1的电流(isw1)、通过SW2的电流(isw2)、通过SW3的电流(isw3)、通过SW4的电流(isw4)、通过电感器29A的电流(iL)、通向输出端的电流(i)、电容器26B两端的输出电压(Vo)、以及电容器26A两端的输入电压(Vi)。每个电量可以通过电压传感器、电流传感器或其他类型的传感器来测量。
图5中的系统可以由逆变器控制器24以各种不同的方式进行控制，所述各种不同的方式包括开环控制、闭环校正或者实时比例-积分-微分(PID)控制。开环控制可以涉及基于输入信号将脉冲串发送至输出开关SW1至SW4。闭环校正可以涉及基于输出信号的测量来调整开环脉冲序列。实时PID控制可以涉及基于涉及输出信号和输入信号的逻辑来调整逆变器的每个周期的占空比。
控制器24所使用的信号可以是数字计算信号、模拟信号、存储在内部数据存储器中的信号、数字地传送至逆变器的信号、或其他信号。信号可以是正弦波形、用以改善THD的改进的正弦波形、或其他波形。
图6示出了用于隔离逆变器的系统。该系统包括交流发电机31、一个或更多个整流器33A至33C、一个或更多个存储元件34A至34C或DC源、逆变器组35、以及控制器30。附加地，可以包括不同的或更少的组件。
交流发电机31可以是发动机-发电机组——可以被称为发电机或发电机组——的一部分，交流发电机31可以包括用以操作交流发电机的发动机或者包括用于产生电能或电力的另一设备。交流发电机31可以是九相交流发电机，并且每个输出线32A至32C包括三个电导体，以用于将三相信号提供至整流器33A至33C。每个电输出32A至32C可以与其他输出隔离。作为示例，输出32A可以与输出32B和输出32C隔离。
整流器33A至33C配置成将三相信号转换成DC输出。整流器33A至33C可以包括二极管、可控硅整流器(SCR)、场效应晶体管(FET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、同步整流FET、或电流中断设备的任意组合。在一个示例中，整流器33A至33C可以包括将三相AC输入转化为DC输出的任何电路元件或电路元件的组合。
逆变器组35可以包括多个隔离逆变器电路。图4和图5中示出了示例性逆变器电路。逆变器组35可以由控制器30监测和控制。逆变器组35的输出是三相输出信号。来自逆变器组35的三个输出A、B和C例如对应于图4中的逆变器电路20A至20C中的三个电容器29。
逆变器之间的隔离可能会导致三个隔离总线之间的加载差异。一些应用可以包括总线之中的受控加载。该受控加载可以是在所有三个总线上产生平衡加载条件(例如，以相同速率对储能元件进行充电/放电)以均衡组件的寿命、使效率标准化、或者出于其他原因。该受控加载可以是不平衡加载条件(例如，将隔离总线的电压调节至不同的设定点)以跟踪连接至总线的每个电源的最佳电力条件或者出于其他原因。该平衡可能需要隔离设备，但是该隔离设备可能仅在不平衡状态下有效。尽管隔离设备可能具有损耗并且因此降低系统的效率，但是只要隔离设备不活动，平衡的满载效率可能就不会受到隔离设备中的损耗的显著影响。
有平衡加载是理想的示例——例如对储能元件均匀地充电/放电。有时不平衡加载是理想的——例如调节总线电压以跟踪能量源或存储元件的最佳状况。后一种情况的示例是所有3个储能元件的尺寸不同或者一个总线源在比其他两个总线源更高的环境温度下操作。
在隔离设备提供DC总线隔离的情况下，电力可以一直流动通过隔离设备，可能在满载条件下提供最高损耗。因此，本文中所描述的隔离总线逆变器实施方式可以以更高的效率操作。
图7示出了用于隔离逆变器电路和源的另一示例性系统。交流发电机31连接至同步整流器阵列43。同步整流器阵列43的每个相位包括在至少两个方向上导电的六个晶体管(例如，FET或IGBT)。在一个方向上，同步整流器阵列43将来自交流发电机31的AC信号转换成DC信号，DC信号与来自燃料电池34A至34C的DC信号组合。逆变器组45由来自控制器30的定时控制，以将DC信号转化为电容器36A至36C两端的受控三相AC输出，电容器36A至36C可以通过电感器39A至39C连接。
使用同步整流器43可以减少通常与通过二极管的选择性传导相关联的系统中的损耗。当正向导通时，二极管具有正向压降，而开关可以在给定电流下具有明显较低的正向压降。作为示例，FET可以在导通100A时具有0.1V的下降，而二极管可以具有1.5V的下降。FET可以耗散10W的热量，而二极管可以耗散150W的热量。由二极管耗散的额外热量可能会对系统的效率产生负面影响。
可以通过交流发电机31来控制负载。交流发电机31中的线圈可以是电隔离的而非磁隔离的，从而为绕组之间的电磁感应提供路径。在这种情况下，电力可以通过交流发电机31而被从一个隔离总线传送至另一隔离总线。即使没有DC电流路径(例如，隔离总线是电隔离的)，通过交流发电机的电力传送仍可以用于均衡隔离总线上的负载。
另外，可以通过借助于同步整流器将交流发电机31作为马达操作从而向发动机轴提供电力来控制隔离总线之中的负载。这可以使发动机加速或者在不同的隔离输出上提供额外的电压。即使负载不平衡，该机制仍可以提供电力均衡，从而允许发动机加速以储存逆变器组45中的三个逆变器中的任何一个逆变器所不需要的能量。
在每个DC总线连接至足够大的储能设备以允许存储来自负载的瞬态电涌的情况下，可能不需要将电力传送至交流发电机中的旋转轴，但是在其中充电或放电能量或能量速率超过该存储容量的情况下，交流发电机转子可以用于引导或储存该额外能量。
另外，逆变器组35或逆变器电路20A至20C可以提供负载组。逆变器组35或逆变器电路20A至20C可以连接至发电机(发动机发电机组)并且向建筑物的多个位置中的电网提供电力。逆变器是双向的并且配置成向电网下沉或供电。
逆变器可以突然(例如，在很短的时间段内)改变发电机上的负载，同时允许发电机输出的频率和/或电压改变。逆变器电路通过DC总线向DC总线或电网或公用设施提供DC信号。
例如，一步瞬态测试可以应用于发电机，该发电机在瞬态测试期间向电网提供所有电力。当发电机正在恢复时，电力下降，然后随后返回全电力。如果发电机直接连接至公用设施，则公用设施将占用一些负载，直到发电机有时间进行后备并达到运行速度为止。如果发电机通过逆变器的DC链路离开或与公用设施隔离，则负载将被施加至发电机而不会浪费电力作为电阻热。
双向AC-DC逆变器可以连接至公用设施并且提供遍及房屋、建筑物、校园或其他站点分布的DC总线。多个发电机可以通过位于不同位置处的逆变器连接至站点。控制器30可以配置成向逆变器发送命令信号以设置负载。逆变器调节逆变器电路的阻抗，以充当特定的电感器和电阻器组合。命令信号可以包括电感和/或电阻的值。命令信号可以包括满载百分比的值。逆变器为公用设施提供电力。
在另一实施方式中，逆变器可以在发电机上的负载是高度电容性的情况下提供电容元件或电感元件。控制器30可以配置成向逆变器发送命令信号以设置电容性负载。用作电容元件的逆变器可以允许发电机供给电容性负载。
图8示出了逆变器可以生成的一组示例性电压和电流波形。曲线50示出了负载具有0.8电力因数的情况，其中，电流滞后于电压。曲线51示出了电压和电流直接同相的曲线。曲线52示出了负载具有0.8电力因数的曲线，其中，电流超前于电压。曲线50和曲线52上的阴影区域53示出了逆变器从负载吸收能量的时间。逆变器吸收的能量可以储存在逆变器中的储能器、连接至DC总线的储能器、交流发电机中的旋转轴的惯性储能器、或其他连接源或储存设备中。
在一个示例中，特定开关(例如，SW1)接通，这通常将导致电流沿正方向(例如，图5中的箭头方向Isw1)流动通过开关，然而电流沿以IL表示的负方向(例如，图5中的相反的箭头方向IL)流动。通过输出滤波器29A的电感器的该电流引起通过开关SW1的反向电流，从而对DC总线充电。电源从负载或输出滤波器进入DC总线。代替电力从源传送至负载，而是电力从负载流动至源。这是个问题，原因在于许多能量源不是为这种反向流而设计的。一些源比如电池可以处理反向流，但是一些源比如燃料电池不可以处理反向流。
为了避免逆转到设备比如燃料电池的可能与反向电力流不相容的电力流的方向，电流可以被转移以流动到交流发电机。交流发电机响应于来自负载的反向流而使发动机加速。有效地，发动机用于储能。但是反向流和储能只是暂时的。在一个示例中，能量被储存在发动机中几毫秒并且以每秒几转的速度使发动机加速。在一些示例中，该技术可以节省电力，这是因为储存在发动机中的能量被转移至其他负载，从而节省了电力并最终节省了燃料。更重要的是，该技术因电容器组较小或不需要电容器组而节省了成本。应当指出的是，储存在发动机中的能量远大于储存在电容器组中的该反向能量，因此发动机的操作和控制可能基本上不受影响。
如果从负载吸收的能量未储存在储能设备中，则能量可能会导致DC总线上的过电压，从而可能损坏逆变器。为了避免该风险，DC链路电容器26A可以定尺寸成储存该最大能量(在0电力因数、额定输出电流下合成的最大能量)。这可能会增加DC链路电容器的尺寸和成本。使用交流发电机中的旋转轴来储存额外的能量可以减小DC链路电容器26A的尺寸，从而降低逆变器系统的成本和复杂性且减小逆变器系统的尺寸。
为了从隔离总线移除电力并且将该电力提供至交流发电机31，整流器阵列43中的同步整流器可以被反向操作，从而在来自交流发电机的施加电压低于DC总线电压时传导电流。该反向操作可能需要对整流器进行不同的控制，但可能不涉及整流器阵列43中的同步整流器中的任何附加电路。
为了从隔离总线移除电力并且将该电力提供至其他隔离总线，同步整流器阵列43中的同步整流器可以以高频(例如100kHz)切换，以在不向交流发电机转子施加明显扭矩的情况下通过电气隔离的绕组之间的磁感应而向其他总线提供电流。该技术可能不依赖于交流发电机旋转来产生该效果，但是该技术可能在交流发电机不转动时将电流耦合通过交流发电机。
返回参照图5，当任何一对开关中的两个开关同时接通时，可能存在击穿状况。例如，如果SW1和SW3都接通，则DC总线22正极和负极短接在一起。类似地，如果SW2和SW4都接通，则DC总线22也被短路。
在一些实施方案中，称为抗击穿延迟的安全延迟时段可以在断开所述一对开关中的一个开关之后且在接通所述一对开关中的一个开关之前应用。在该延迟时段期间，电感元件中的电流可以继续流动通过开关中的一些开关的体二极管，从而为电流提供路径。
在一些情况下，尤其是高系统效率很重要的应用中，导通开关两端的电压降可能远低于体二极管两端的电压降。例如，源的在FET上的漏极电压降可以是在供电225A的情况下的0.15V，而源的在二极管上的正向压降可以是在供电225A的情况下的1.7V。在该示例中，FET可以耗散34W，而二极管可以耗散382W。虽然仅在短的持续时间内(在抗击穿延迟期间)，但是系统中的损耗可能很明显，特别是在高开关频率下和针对高效率系统而言尤为明显。
虽然FET可能表现出相比于其相关联的体二极管的明显较低的源漏间电压，但IGBT可以基于设备内部的半导体结被偏压以使其接通而在接通状态下具有与体二极管两端的正向电压降类似的发射极-集电极电压，这意味着抗击穿延迟可能不会对IGBT的效率产生明显影响。
减小抗击穿延迟可以提高效率，直到延迟太短以至于两个开关同时导通为止。电源上的该短路可能会增加开关的热耗散并且降低系统效率。虽然可以在给定的时刻及时获得最佳的抗击穿定时，但是开关定时可以随着入射电流水平、部件的温度、负载特性和其他因素而变化至下述点：在该点处，针对所有条件达到最佳定时是非常困难的。另外，每个部件可能会由于组件的制造差异而表现出不同的开关特性，这进一步使选择理想的防击穿延迟的难度变得复杂。
由体二极管加热引起的热损伤的风险通常低于因击穿电流(在接通状态下通过两个开关传导的电流)引起的损坏的风险。在一些情况下，击穿可能会导致逆变器中的开关发生灾难性故障并且可能损坏逆变器的DC总线上的供电和滤波器元件。由于风险分析，因此抗击穿延迟通常会调整至在所有组件公差都叠加到最快接通和最慢断开的情况下所需的最大抗击穿时间。在一些情况下，可能会增加额外的延迟以在该情况下提供安全因素，进而防止可能由击穿状况导致的灾难性故障。
虽然额外的热耗散可能在效率是较低的优先级的应用中或者在使用IGBT而非FET的应用中不是问题，但是因过度的抗击穿延迟造成的额外损失可能会在高效率应用中产生显著的差异。因此，需要高效率的应用可以受益于抗击穿延迟的动态调整。
抗击穿延迟的动态调整可以允许更理想的抗击穿定时，而不存在由于过低的抗击穿延迟而允许击穿所造成的灾难性损坏的风险。尽早检测微小的击穿电流可以允许进行足够快地调整以防止损坏组件。如果调整足够快地进行，则抗击穿延迟可以在每种操作情况下以及各种各样的开关下被动态地优化。
控制器24可以首先从存储器访问默认的抗击穿延迟时间段。可以根据先前学习的逆变器开关的特性来存储默认的抗击穿延迟。可以基于各种测量参数、习得行为和预编程值来计算默认的抗击穿延迟。可以在逆变器的磨合期间获悉默认延迟。默认的抗击穿延迟可以作为特定工厂测试的结果而进行编程。
抗击穿延迟可能在某些情形——比如开关接通时间明显长于断开时间的情况——下是负的。这在较低的DC总线电压下更典型，但是这可能会在逆变器以降低的电压操作的情况下发生。在大多数情况下，开关断开时间比开关接通时间长，这意味着需要抗击穿延迟来防止两个开关同时导通。IGBT可能在接通时间与断开时间之间存在显著差异。
图9A至图9D示出了针对抗击穿状况的示例性切换电压和电流波形。显示的电流是通过开关元件的，从而忽略了体二极管。另外，通过两个开关的电流被校正为正(测量-iSW3)。
图9A示出了示例性FET开关波形，其中，栅极-源极电压由驱动器电路101、103施加，并且对应的电流遍及FET 102、104分布。曲线的左侧部分示出了断开特性，而曲线的右侧部分示出了接通特性。该插图中不包括体二极管电流。
图9B示出了示例性IGBT开关波形，其中，栅极-发射极电压由驱动器电路105、107施加，并且对应的电流遍及IGBT 106、108分布。曲线的左侧部分示出了断开特性，而曲线的右侧部分示出了接通特性。该插图中不包括体二极管电流。
图9C示出了具有典型的抗击穿延迟的示例性FET开关波形，该示例性FET开关波形应用于不需要动态调整抗击穿的系统上，其中，栅极-源极电压由驱动器电路109、111施加，并且对应的电流遍及FET 110、112分布。曲线的左侧部分示出了SW1的断开特性，而曲线的右侧部分示出了SW3的接通特性(其中，电流Isw3被反向)。该插图中不包括体二极管电流。
图9D示出了具有典型的抗击穿延迟的示例性FET开关波形，该示例性FET开关波形应用于不需要动态调整抗击穿的系统上，其中，栅极-源极电压由驱动器电路113、115施加，并且对应的电流遍及FET 114、116分布。曲线的左侧部分示出了SW1的断开特性，而曲线的右侧部分示出了SW3的接通特性(其中，电流Isw3被反向)。该插图中不包括体二极管电流。
参照图5对动态调整抗击穿的示例性实施方式进行考虑。控制器24配置成监测逆变器电路的电参数，所述电参数比如为电流Isw1、电流Isw2、电流Isw3和电流Isw4中的至少两者。控制器24还可以监控电感器电流IL、输出电流IL、输入电压Vi和/或输出电压Vo。控制器24配置成将电参数中的一个或更多个电参数彼此进行比较和/或与阈值进行比较。基于比较，控制器24可以确定出是否应该增大或减小时间段。控制器24可以重复该过程以便以递增的方式对时间段进行调整。
控制器24可以确定是否存在击穿切换状况。击穿切换状况在一对开关中的一个开关从ON转换至OFF并且该对开关中的另一开关从OFF转换至ON时发生。
在图5的示例中，击穿切换状况可以在下述四种情况下发生：所述四种情况为(1)SW1接通且SW3断开、(2)SW1断开且SW3接通、(3)SW2接通且SW4断开、或者(4)SW2断开且SW4接通。
控制器24根据逆变器电路的电流方向和切换情况进行不同的比较。控制器24可以以递增的方式减小延迟时间段，直到针对特定情况检测到击穿触发为止。例如，控制器24可以选择初始默认时间段并且在切换控制信号的每个周期或每个预定数量的周期中将默认时间段减小时间减少值，直到检测到击穿状况为止。
在情况(1)中，在SW1接通且SW3断开的情况下，当通过开关1的以附图标记Isw1表示的电流与通过开关3的以附图标记Isw3表示的电流在相同方向上并且通过开关1的电流Isw1高于通过开关3的电流Isw3的噪声阈值时，检测到击穿状况。
在情况(1)中，在SW1接通且SW3断开的情况下，当通过开关3的以附图标记Isw3表示的电流在采样时间段内增加超过阈值量时，检测到击穿状况。阈值量可以是电流值如5A、系统电流的百分比如2％、或者由系统特性确定的其他值。采样时间段可以是固定时间比如10ns或者是逆变器的开关频率的因数比如开关频率的1000倍。控制器24可以比较Isw3的连续样本或一系列样本，以确定Isw3的大小何时增加超过阈值量。控制器24可以基于测量值的变化率来外推击穿电流。控制器24还可以监测其他系统参数比如每个开关两端的电压。
在情况(1)中，在SW1接通且SW3断开的情况下，当通过开关1的电流Isw1和通过开关3的电流Isw3的总和偏离电感器电流IL时，检测到击穿状况。控制器24可以首先计算差值Isw1-Isw3，然后从总和或总和的绝对值中减去IL。当差值大于预定值时，检测到击穿触发。
情况2至情况4类似于情况1，只是具有不同的开关。在这些示例中的任意示例中，如果检测到击穿状况，则控制器24可以增加延迟时间段或者停止延迟时间段的呈递增的方式的减小。行为的确定可以取决于检测到的击穿状况的严重程度。
可以针对开关的控制信号的每个周期来调整抗击穿延迟时间段。在一些加载条件下，通过开关的电流可能与预期的方向相反。例如，如果在开关1处于活动状态时电流向左行进通过滤波器电感器29A，则电流沿不期望的方向流动。在这种情况下，当电流IL为负时，可以通过SW1中的正电流检测抗击穿状况。在这种情况下，仍然可以通过将通过SW1和SW3的电流相加来检测抗击穿状况，以确定总量是否大于电感器29A的电流IL的倒数。
控制器24还可以识别至少一个相反的情况，在该情况中，控制器24将减少时间延迟。作为示例，控制器24还可以连接至与开关相关联的温度传感器(例如，在对应的体二极管附近)。控制器24可以在开关断开时监控与开关相关联的温度。温度升高指示体二极管导通电流并升温。替代性示例是抗击穿时间的周期性呈递增的方式的减小。
图10示出了示例性控制器24。控制器24可以包括处理器300、存储器352和通信接口303。控制器24可以连接至工作站或另一外部设备。控制器24可以连接至输入设备304，比如控制面板和/或用于接收用户输入的数据库、系统特性和本文中所描述的任何值。控制器24可以连接至输出设备314，输出设备314可以与比如控制面板的输入设备304集成，并且输出设备314可以显示控制器24的设置或测量。通信接口303可以连接至包括传感器中的任何一个传感器或组合的传感器阵列311并且接收如上所述的传感器测量值。通信接口303可以连接至驱动器阵列312，以用于驱动和控制逆变器中的开关中的任何开关。附加地，可以包括不同的或更少的组件。处理器300配置成执行存储在存储器352中的指令，以用于执行本文所描述的算法。图11示出了逆变器控制器24的操作的流程图。附加地，可以包括不同的或更少的动作。
在动作S101中，控制器24确定逆变器电路系统的避免击穿状况的默认时间段延迟。默认时间段延迟可以由用户通过输入设备304设置或者可以被从存储器352访问。可以根据开关的类型或开关的属性来选择默认时间段。控制器24可以使用针对开关的过去性能的历史数据来计算默认时间段延迟。控制器24可以对开关执行瞬态测试并且测量响应以便计算默认时间段延迟。
在动作S103中，控制器24监测逆变器电路的多个电参数。电参数可以包括与逆变器电路的一个或更多个元件相关联的电压、电流、电感或电容。
在动作S105中，控制器24识别与击穿场景相关联的一对开关。击穿切换状况在一对开关中的一个开关从ON转换至OFF并且该对开关中的另一开关从OFF转换至ON时发生。控制器24可以对发送至开关的命令信号进行监测，以便识别与击穿状况相关联的开关。
在动作S107中，控制器24执行与击穿场景相关联的一对开关的电参数的比较。在动作S109中，控制器24减小默认时间段，除非与击穿场景相关联的一对开关的电参数的比较指示正在发生击穿状况或者与正在发生的击穿场景相关联的一对开关的电参数存在风险。
处理器300可以包括通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、模拟电路、数字电路、其组合、或其他现在已知或以后开发的处理器。处理器300可以是比如与网络、分布式处理或云计算相关联的单个设备或设备的组合。
存储器352可以是易失性存储器或非易失性存储器。存储器352可以包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、闪存、电子可擦除程序只读存储器(EEPROM)、或其他类型的存储器中的一者或更多者。存储器352可以从网络设备移除，该存储器352比如为安全数字(SD)存储卡。
除入口端口和出口端口之外，通信接口303还可以包括任何可操作的连接。可操作连接可以是可以发送和/或接收信号、物理通信和/或逻辑通信的连接。可操作连接可以包括物理接口、电接口和/或数据接口。
通信接口303可以连接至网络。网络可以包括有线网络(例如，以太网)、无线网络或其组合。无线网络可以是蜂窝电话网络、802.11、802.16、802.20、或WiMax网络。此外，网络可以是公共网络比如因特网、诸如内联网的专用网络、或其组合，并且网络可以利用现在可用或以后开发的各种网络协议，所述各种网络协议包括但不限于基于TCP/IP的网络协议。
虽然计算机可读介质(例如，存储器352或数据库)示出为单个介质，但术语“计算机可读介质”包括单个介质或多个介质比如集中式或分布式数据库和/或相关联的高速缓冲存储器并且用于存储一组或多组指令。术语“计算机可读介质”还应包括能够存储、编码或携带一组指令以供处理器执行或使计算机系统执行本文中所公开的方法或操作中的任何一者或更多者的任何介质。
在特定的非限制性示例性实施方式中，计算机可读介质可以包括固态存储器比如存储卡或其他容纳一个或更多个非易失性只读存储器的其他封装。此外，计算机可读介质可以是随机存取存储器或其他易失性可重写存储器。附加地，计算机可读介质可以包括磁光或光学介质，比如磁盘或磁带或其他用以捕获载波信号——比如通过传输介质传送的信号——的存储设备。对电子邮件或其他自包含信息档案或档案集的数字文件附件可以被认为是作为有形存储介质的分发媒体。因此，本公开被认为包括计算机可读介质或分发介质以及其中可以存储数据或指令的其他等同物和后继介质中的任何一者或更多者。计算机可读介质可以是非暂时性的并且包括所有有形计算机可读介质。
在替代实施方式中，专用硬件执行方式——比如专用集成电路、可编程逻辑阵列和其他硬件设备——可以构造成执行本文中所描述的方法中的一个或更多个方法。可以包括各种实施方式的设备和系统的应用可以广泛地包括各种电子和计算机系统。本文中所描述的一个或更多个实施方式可以通过使用两个或更多个特定互连硬件模块或具有相关控制和数据信号的设备来实现功能，所述相关控制和数据信号可以在模块之间被传送和通过模块来传送、或者作为专用集成电路的一部分被传送。因此，本系统包含软件、固件和硬件执行方式。

Claims (16)

1.一种隔离总线逆变器系统，包括：
多个逆变器电路，所述多个逆变器电路包括开关阵列并且配置成向输出提供多相交流信号，其中，所述多个逆变器电路中的每个逆变器电路包括与所述多个逆变器电路中的其他逆变器电路隔离的至少一个能量源；以及
控制器，所述控制器配置成基于从所述至少一个能量源接收到的信号来产生用于所述多个逆变器电路的定时信号，从而产生用于所述输出端的交流信号，
其中，所述至少一个能量源向所述多个逆变器电路提供直流信号，
其中，所述多个逆变器电路中的至少一个逆变器电路配置成将所述直流信号转换成第一交流信号，并且所述多个逆变器电路中的至少一个配置成将所述直流信号转换成第二交流信号，
其中，所述第一交流信号和所述第二交流信号处于不同的频率，
其中，所述第一交流信号连接至第一源，并且所述第二交流信号连接至第二源，并且电力通过所述多个逆变器电路从所述第一源传送至所述第二源。
2.根据权利要求1所述的隔离总线逆变器系统，还包括：多个整流器电路，所述多个整流器电路配置成向所述多个逆变器电路提供供电直流信号，其中，所述多个整流器电路中的至少一个连接至所述多个逆变器电路中的一个；以及
交流发电机，所述交流发电机配置成向所述多个整流器电路提供交流电力。
3.根据权利要求1所述的隔离总线逆变器系统，其中，所述能量源是燃料电池。
4.根据权利要求1所述的隔离总线逆变器系统，其中，所述多个逆变器电路中的至少一个包括储能设备。
5.根据权利要求1所述的隔离总线逆变器系统，其中，所述多个逆变器电路中的至少一个包括用于对针对所述多个逆变器电路中的至少一个的输出进行控制的一组开关。
6.根据权利要求5所述的隔离总线逆变器系统，其中，所述一组开关包括第一组开关，所述第一组开关具有用于将所述输出连接至正轨的正开关和用于将所述输出连接至负轨的负开关。
7.根据权利要求6所述的隔离总线逆变器系统，还包括：
控制器，所述控制器配置成向隔离驱动器电路发送指令以用于驱动所述一组开关中的至少一个开关，其中，所述控制器配置成针对所述一组开关产生抗击穿延迟时段，所述一组开关在断开所述开关中的一个开关与接通所述开关中的另一开关之间等待所述抗击穿延迟时段。
8.根据权利要求7所述的隔离总线逆变器系统，其中，所述控制器对所述一组开关的特性进行监测，并且基于所述特性而产生所述抗击穿延迟时段。
9.根据权利要求8所述的隔离总线逆变器系统，其中，所述控制器识别击穿场景并且响应于所述击穿场景选择所述抗击穿延迟时段。
10.根据权利要求5所述的隔离总线逆变器系统，其中，所述一组开关连接至交流发电机的输出，使得电力沿反方向从所述一组开关流动至所述交流发电机以将所述交流发电机作为马达操作。
11.根据权利要求10所述的隔离总线逆变器系统，其中，沿所述反方向流动通过所述交流发电机的所述电力保护至少一个能量源。
12.根据权利要求1所述的隔离总线逆变器系统，还包括：
配置成减小所述输出的总谐波失真的滤波器。
13.一种隔离总线逆变器系统，包括：
多个逆变器电路，所述多个逆变器电路包括开关阵列并且配置成向输出提供交流信号，其中，所述多个逆变器电路中的每个逆变器电路包括与所述多个逆变器电路中的其他逆变器电路隔离的能量源；
多个整流器电路，所述多个整流器电路配置成向所述多个逆变器电路供给直流信号，其中，所述多个整流器电路中的至少一个连接至所述多个逆变器电路中的一个；
交流发电机，所述交流发电机配置成向所述多个整流器电路提供交流电力；以及
控制器，所述控制器配置成基于从所述多个整流器电路接收到的直流信号来产生用于所述多个逆变器电路的定时信号，从而产生用于所述输出的交流信号，
其中，所述多个逆变器电路中的至少一个逆变器电路配置成将所述直流信号转换成第一交流信号，并且所述多个逆变器电路中的至少一个配置成将所述直流信号转换成第二交流信号，
其中，所述第一交流信号和所述第二交流信号处于不同的频率，
其中，所述第一交流信号连接至第一源，并且所述第二交流信号连接至第二源，并且电力通过所述多个逆变器电路从所述第一源传送至所述第二源。
14.一种对权利要求1-13中任意一项所述的逆变器系统进行控制以避免击穿状况的方法，所述方法包括：
确定默认时间段，所述默认时间段用于避免所述击穿状况的逆变器电路；
监测所述逆变器电路的多个电参数；
识别所述逆变器电路的并且与所述击穿状况相关联的一对开关；
执行与所述击穿状况相关联的所述一对开关的电参数的比较；以及
减小默认时间段，除非与所述击穿状况相关联的所述一对开关的电参数的比较指示出正在发生所述击穿状况或存在发生所述击穿状况的风险。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：
以递增的方式减小所述默认时间段直到检测到针对所述击穿状况的击穿触发为止。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括：
从所述电参数中的电流方向中识别所述击穿状况。
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