CN110692190A - 使用自适应节点平衡的电源转换器设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种设备，该设备包括第一绕组和第二绕组，该第一绕组和该第二绕组位于芯上并具有共同耦接到逆变器电路的第一节点的第一抽头。该设备还包括开关电路，该开关电路被配置为选择性地将第一绕组的第二抽头耦接到逆变器电路的第二节点，并且选择性地将第二绕组的第二抽头耦接到逆变器电路的第三节点。该开关电路可以被配置为提供相对于第一节点在第二节点和第三节点中的相应节点处的第一电压和第二电压的期望平衡。本发明还描述了相关方法。

Description

使用自适应节点平衡的电源转换器设备和方法
背景技术
本发明的主题涉及电源转换器设备，并且更具体地讲，涉及具有DC总线的电源转换器设备。
电源转换器设备，诸如不间断电源(UPS)系统和并网逆变器，通常包括从DC链路接收电力的逆变器。逆变器可以产生以中性线为参考的单相或三相输出，并且DC链路可以包括相对于中性线具有相应正电压和负电压的第一总线和第二总线。
不平衡负载可以引起三相逆变器系统中的DC总线不平衡问题。具体地讲，逆变器输出的一个相基本上比其他相负载更多可以导致DC链路的正DC总线和负DC总线上的电压相对于逆变器的中性线上的电压不平衡。此类问题可以通过使用间歇地将DC总线耦接到中性线的“平衡器”电路来解决，例如在Johnson,Jr.等人的美国专利号6,483,730中所描述的。然而，即使在负载不平衡时，此类常规的平衡器电路也可以生成不期望的纹波电流。
发明内容
本发明主题的一些实施方案提供了设备，该设备包括第一绕组和第二绕组，该第一绕组和第二绕组位于芯上并具有共同耦接到逆变器电路的第一节点的第一抽头。该设备还包括开关电路，该开关电路被配置为选择性地将第一绕组的第二抽头耦接到逆变器电路的第二节点，并且选择性地将第二绕组的第二抽头耦接到逆变器电路的第三节点。开关电路可以被配置为提供相对于第一节点在第二节点和第三节点中的相应节点处的第一电压和第二电压的期望平衡。在一些实施方案中，第一节点可以是中性线，并且第二节点和第三节点可以是第一DC总线和第二DC总线。在另外的实施方案中，第一节点、第二节点和第三节点可以是对应于多电平逆变器的各种输出电平的节点。
开关电路可以包括：第一开关(例如，第一晶体管)，该第一开关被配置为将第一绕组的第二抽头耦接到第二节点；第二开关(例如，第二晶体管)，该第二开关被配置为将第二绕组的第二抽头耦接到第三节点；以及控制电路，该控制电路被配置为控制第一开关和第二开关。控制电路可以被配置为按基本上相同的相应第一占空比和第二占空比操作第一开关和第二开关。第一占空比和第二占空比可以各自小于或等于约50％，并且可以被配置为在第一开关和第二开关打开的周期期间允许芯中的通量返回基本上为零。
在另外的实施方案中，该设备还可以包括第三绕组和第四绕组，该第三绕组和第四绕组位于第二芯上并具有共同耦接到第一节点的第一抽头。第三开关可以被配置为选择性地将第三绕组的第二抽头耦接到第二节点，并且第四开关可以被配置为选择性地将第四绕组的第二抽头耦接到第三节点。控制电路可以进一步被配置为控制第三开关和第四开关。在一些实施方案中，控制电路可以被配置为按与第一占空比和第二占空比互补的相应第三占空比和第四占空比操作第三开关和第四开关。
本发明主题的另外的实施方案提供了设备，该设备包括DC链路，该DC链路包括第一DC总线和第二DC总线以及耦接到第一DC总线和第二DC总线的平衡器电路。平衡器电路包括：第一绕组和第二绕组，该第一绕组和第二绕组位于芯上并具有共同耦接到中性线的第一抽头；第一开关和第二开关，该第一开关和第二开关被配置为选择性地将第一绕组和第二绕组中的相应绕组的第二抽头耦接到第一DC总线和第二DC总线中的相应DC总线；以及控制电路，该控制电路被配置为控制第一开关和第二开关以平衡第一DC总线和第二DC总线与中性线之间的电压。设备还可以包括：第三绕组和第四绕组，该第三绕组和第四绕组位于第二芯上并具有共同耦接到中性线的第一抽头；以及第三开关和第四开关，该第三开关和第四开关被配置为选择性地将第三绕组和第四绕组的第二抽头耦接到第三绕组和第四绕组中的相应绕组的第二抽头。控制电路可以被进一步配置为控制第三开关和第四开关以平衡第一DC总线和第二DC总线与中性线之间的电压。
又一些另外的实施方案提供了操作逆变器的方法，该方法包括：提供第一绕组和第二绕组，该第一绕组和第二绕组位于芯上并具有共同耦接到逆变器的第一节点的第一抽头；以及选择性地将第一绕组的第二抽头耦接到逆变器的第二节点，以及选择性地将第二绕组的第二抽头耦接到逆变器的第三节点，以使相对于第一节点在第二节点和第三节点处的第一电压和第二电压平衡。
附图说明
图1是示出根据一些实施方案的平衡器电路的示意图。
图2是示出根据一些实施方案的图1的平衡器电路的操作的波形图。
图3是示出根据一些实施方案的平衡器电路的示例性应用的示意图。
图4是示出根据另外的实施方案的交错式平衡器电路的示意图。
图5是示出图4的平衡器电路的操作的波形图。
图6是示出根据一些实施方案的图4的平衡器电路的3电平逆变器电路应用的示意图。
图7是示出根据另外的实施方案的平衡器电路的5电平逆变器电路应用的示意图。
具体实施方式
现在将参照附图描述本发明主题的具体示例性实施方案。然而，本发明主题可具体体现为许多不同形式，并且不应理解为限于本文所阐述的实施方案；相反，提供这些实施方案使得本公开将是周密且完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本发明主题的范围。在附图中，类似的标号表示类似的项目。应当理解，当项目被称为“连接”或“耦接”到另一个项目时，该项目可以直接连接或直接耦接到另一个项目，或者可存在居间项目。如本文所用，术语“和/或”包括一个或多个相关联的列出的项目的任何组合和所有组合。
本文所用的术语仅是为了描述特定实施方案，而并非旨在限制本发明主题。除非另外明确规定，否则如本文所用，单数形式“一个”、“一种”和“该”旨在也包括复数形式。还应当理解，在本说明书中使用的术语“包括”和/或“包含”指明存在所述的特征、整数、步骤、操作、项目和/或部件，但不排除存在或增加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、项目、部件和/或其组合。
除非另有定义，否则本文所用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本发明主题所属领域的普通技术人员通常所理解的相同含义。还应当理解，术语诸如常用词典中定义的那些术语应解释为具有与它们在本说明书和相关领域的上下文中的含义一致的含义，并且除非本文中明确地定义，否则将不在理想化或过于形式化的意义上进行解释。
图1示出了根据本发明主题的一些实施方案的平衡器电路100。平衡器电路100包括开关电路，该开关电路被配置为选择性地将变压器110的第一绕组L1和第二绕组L2的第一抽头耦接到第一DC总线105a和第二DC总线105b中的相应DC总线。绕组L1、L2设置在公共磁芯112上，并且该绕组L1、L2具有共同耦接到中性线N的第二抽头。更具体地说，开关电路包括将第一绕组L1的第一抽头连接到第一DC总线105a的第一开关S1，以及将第二绕组L2的第一抽头连接到第二DC总线105b的第二开关S2。第一二极管D1将第二绕组L2的第一抽头连接到第一DC总线105a，并且第二二极管D2将第一绕组L1的第一抽头连接到第二DC总线105b。
绕组L1、L2优选具有约1:1的匝数比，并且平衡器电路100利用该单位匝数比来相对于中性线N平衡第一DC总线105a和第二DC总线105b上的电压V+、V-。在一些实施方案中，控制电路120控制开关S1、S2，使得开关S1、S2以基本上相同的占空比操作。具体地，当第一开关S1和第二开关S2导通时，1:1的匝数比将电压V+、V-的量值驱动向平衡。第一开关S1和第二开关S2然后关断以启动第一绕组L1和第二绕组L2经由第一二极管D1和第二二极管D2的放电，并且在第一开关S1和第二开关S2再次接通之前允许磁芯112中的通量下降到零。在一些实施方案中，第一开关S1和第二开关S2可能以大约50％的占空比操作，如图2所示。在一些实施方案中，占空比可小于图2所示的50％，但减小的占空比可以导致不太理想的性能(例如，增大的纹波电流)。
应当理解，平衡器电路100可以使用多种不同类型的部件中的任一种部件来实现。例如，在一些实施方案中，第一开关S1和第二开关S2可以使用晶体管(诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)或功率MOSFET，或其他类型的半导体开关)来实现。第一开关S1和第二开关S2可以是双向的，例如，使得如果IGBT用于第一开关S1和第二开关S2，则相应反并联二极管可以与IGBT一起使用以提供双向性(MOSFET可以具有本征体二极管，从而可以消除对单独反并联二极管的需要)。控制电路120可以使用各种不同的模拟电路部件和/或数字电路部件中的任一种电路部件来实现。例如，控制电路120可以使用数据处理装置(诸如微控制器)以及被配置为驱动第一开关S1和第二开关S2的外围电路来实现。在一些实施方案中，可以使用提供类似功能的模拟电路和/或离散数字电路来控制开关S1、S2。
图3示出了根据另外的实施方案的平衡器电路100的示例性应用。具体地，图3示出了可以例如在不间断电源中使用的电源转换器布置。第一DC总线105a和第二DC总线105b从整流器电路130接收电力，该整流器电路可以耦接到AC电源(诸如公用电源和/或电动机/发电机组)。第一DC总线105a和第二DC总线105b也可以耦接到DC电源(诸如电池、燃料电池和/或光伏电源)。第一DC总线105a和第二DC总线105b耦接到逆变器电路140，该逆变器电路可以耦接到负载。例如，逆变器电路140可以是用于向数据中心或其他环境中的配电系统供应电力的三相逆变器电路。沿着以上讨论的线路，如果逆变器电路140产生50/60Hz的AC输出，则平衡器电路100可以例如以基本上更高的频率(例如，10kHz)按约50％的占空比操作第一开关S1和第二开关S2以使第一DC总线105a和第二DC总线105b上的电压V+、V-的量值相等来补偿逆变器电路140的不平衡负载。
根据另外的实施方案，可以通过使用以至少部分交错的方式操作的多个平衡器电路来实现改善的性能。参考图4，平衡器系统可以包括耦接到第一DC总线405a和第二DC总线405b的第一平衡器电路400a和第二平衡器电路400b。第一平衡器电路400包括如以上参考图1讨论的那样布置的第一变压器410a、第一开关S1和第二开关S2、以及第一二极管D1和第二二极管D2。第二平衡器电路400b包括类似布置的第二变压器410b、第三开关S3和第四开关S4、以及第三二极管D3和第四二极管D4。控制电路420以交错方式操作第一对开关S1、S2和第二对开关S3、S4。例如，如图5所示，第一平衡器电路400a的开关S1、S2可以按第一50％占空比一致地操作，并且第二平衡器电路400b的开关S3、S4可以按与第一占空比互补(相对于第一占空比偏移180°)的第二50％占空比一致地操作。由于第一平衡器电路400a和第二平衡器电路400b中的至少一者在任何给定时间是活动的，因此这种布置可以提供减小的纹波电流。当与多电平逆变器电路(诸如图6所示的三电平逆变器电路600)一起使用时，此类布置可能是特别有利的。然而，应当理解，此类布置也可以有利地与两电平逆变器电路一起使用。
在另外的实施方案中，沿着上述线路的平衡器电路的组合可以与更高阶的多电平逆变器电路一起使用，以平衡逆变器电路的各个节点处的电压。例如，如图7所示，第一平衡器电路700a可以用于平衡与5电平逆变器电路710的上部部分相关联的第一对总线电容器C1、C2两端的电压V1、V2，即，使第一DC总线705a上的电压V+和中性线N处的电压相对于逆变器电路710的中间第一节点N1的量值相等。第二平衡器电路700b可以类似地用于平衡与5电平逆变器电路710的下部部分相关联的第二对总线电容器C3、C4两端的电压V3、V4，即，使中性线N处的电压和第二DC总线705b上的电压V-相对于逆变器电路710的中间第二节点N2的量值相等。第三平衡器电路700c可以用于使第一DC总线705a和第二DC总线705b上的电压V+、V-相对于中性线N平衡。第一平衡器电路700a、第二平衡器电路700b和第三平衡器电路700c可以具有以上参考图1至图6描述的任何配置。例如，第一平衡器电路700a、第二平衡器电路700b和第三平衡器电路700c中的各个可以具有如图1所示的单配置或如图5所示的双配置。
在附图和说明书中，已经公开了本发明主题的示例性实施方案。尽管采用了具体术语，但是这些术语仅按一般和描述性意义使用，而非用于限制目的，本发明主题的范围由以下权利要求书限定。

Claims (20)

1.一种设备，包括：
第一绕组和第二绕组，所述第一绕组和所述第二绕组位于芯上并具有共同耦接到逆变器电路的第一节点的第一抽头；和
开关电路，所述开关电路被配置为选择性地将所述第一绕组的第二抽头耦接到所述逆变器电路的第二节点以及选择性地将所述第二绕组的第二抽头耦接到所述逆变器电路的第三节点。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述开关电路被配置为提供相对于所述第一节点在所述第二节点和所述第三节点中的相应节点处的第一电压和第二电压的期望平衡。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一绕组和所述第二绕组具有约1:1的匝数比。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述开关电路包括：
第一开关，所述第一开关被配置为将所述第一绕组的所述第二抽头耦接到所述第二节点；
第二开关，所述第二开关被配置为将所述第二绕组的所述第二抽头耦接到所述第三节点；和
控制电路，所述控制电路被配置为控制所述第一开关和所述第二开关。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述控制电路被配置为按基本上相同的相应第一占空比和第二占空比操作所述第一开关和所述第二开关。
6.根据权利要求5所述的设备，其中所述第一占空比和所述第二占空比各自小于或等于约50％。
7.根据权利要求4所述的设备，其中所述第一占空比和所述第二占空比在所述第一开关和所述第二开关打开的周期期间允许所述芯中的通量返回至基本上为零。
8.根据权利要求4所述的设备，其中所述第一开关和所述第二开关包括相应的第一晶体管和第二晶体管。
9.根据权利要求4所述的设备，其中所述芯包括第一芯，并且其中所述设备还包括：
第三绕组和第四绕组，所述第三绕组和所述第四绕组位于第二芯上并具有共同耦接到所述第一节点的第一抽头；
第三开关，所述第三开关被配置为选择性地将所述第三绕组的第二抽头耦接到所述第二节点；和
第四开关，所述第四开关被配置为选择性地将所述第四绕组的第二抽头耦接到所述第三节点，
其中所述控制电路被进一步配置为控制所述第三开关和所述第四开关。
10.根据权利要求9所述的设备，其中所述控制电路被配置为按与所述第一占空比和所述第二占空比互补的相应的第三占空比和第四占空比操作所述第三开关和所述第四开关。
11.根据权利要求9所述的设备，其中所述逆变器电路包括多电平逆变器电路。
12.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一节点包括所述逆变器电路的输出部的中性线。
13.一种设备，包括：
DC链路，所述DC链路包括第一DC总线和第二DC总线；
平衡器电路，所述平衡器电路耦接到所述第一DC总线和所述第二DC总线并包括：
第一绕组和第二绕组，所述第一绕组和所述第二绕组位于芯上并具有共同耦接到中性线的第一抽头；
第一开关和第二开关，所述第一开关和所述第二开关被配置为选择性地将所述第一绕组和所述第二绕组中的相应绕组的第二抽头耦接到所述第一DC总线和所述第二DC总线中的相应DC总线；和
控制电路，所述控制电路被配置为控制所述第一开关和所述第二开关以平衡所述第一DC总线和所述第二DC总线与所述中性线之间的电压。
14.根据权利要求13所述的设备，其中所述控制电路被配置为按小于或等于约50％的占空比操作所述第一开关和所述第二开关中的每一者。
15.根据权利要求14所述的设备：
其中所述芯包括第一芯；
其中所述设备还包括：
第三绕组和第四绕组，所述第三绕组和所述第四绕组位于第二芯上并具有共同耦接到所述中性线的第一抽头；以及
第三开关和第四开关，所述第三开关和所述第四开关被配置为选择性地将所述第三绕组和所述第四绕组的第二抽头耦接到所述第三绕组和所述第四绕组中的相应绕组的第二抽头；并且
其中所述控制电路被进一步配置为控制所述第三开关和所述第四开关以平衡所述第一DC总线和所述第二DC总线与所述中性线之间的所述电压。
16.一种操作逆变器的方法，所述方法包括：
提供第一绕组和第二绕组，所述第一绕组和所述第二绕组位于芯上并具有共同耦接到所述逆变器的第一节点的第一抽头；以及
选择性地将所述第一绕组的第二抽头耦接到所述逆变器的第二节点，以及选择性地将所述第二绕组的第二抽头耦接到所述逆变器的第三节点，以使相对于所述第一节点在所述第二节点和所述第三节点处的第一电压和第二电压平衡。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述第一绕组和所述第二绕组具有约1:1的匝数比。
18.根据权利要求16所述的方法，其中选择性地将所述第一绕组的第二抽头耦接到所述逆变器的第二节点，以及选择性地将所述第二绕组的第二抽头耦接到所述逆变器的第三节点，以使相对于所述第一节点在所述第二节点和所述第三节点处的第一电压和第二电压平衡包括：按第一占空比操作第一开关以将所述第一绕组的所述第二抽头耦接到所述第二节点，以及按第二占空比操作第二开关以将所述第二绕组的所述第二抽头耦接到所述第三节点，所述第二占空比与所述第一占空比基本上相同。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述第一占空比和所述第二占空比各自小于或等于约50％。
20.根据权利要求16所述的方法，其中所述第一节点包括中性线。
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