CN113508521B - 交流/直流或直流/交流多相电源转换器的控制器 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于具有N个电源转换器相的类型的交流转直流或直流转交流多相电源转换器的控制器，其中N大于或等于2。该控制器包括控制模块，控制模块被配置为改变或变化N个电源转换器相中的每一个的输入电流或输出电流的相移角，以使得所述N个电源转换器相中的每一个在控制模块交流线路周期内的平均相移值约为、接近或基本为相同的值。在具有并联布置的N个电源转换器相的类型的交流/直流或直流/交流多相电源转换器的实施例中，将每个电源转换器相的平均相移值设置为在交流线路周期内基本相等或大约相等的优点是减少或消除了N个电源转换器相的输入电流或输出电流中的任何不平衡。在优选的布置中，控制模块使用相应的脉宽调制开关控制信号在每个交流线路周期上变化N个电源转换器相中的每一个的输入电流或输出电流的相移角。

Description

交流/直流或直流/交流多相电源转换器的控制器
技术领域
本发明总体上涉及用于交流转直流或直流转交流多相电源转换器的控制器，更具体地涉及一种用于在多个电源转换器相之间共享或平衡电流的交流转直流或直流转交流多相电源转换器的控制器。
背景技术
传统上，单相电源转换器已被普遍使用。但是，这样的转换器越来越不能满足许多现代电子设备的高功率额定值和高功率密度要求。多相电源转换器是功率额定值和功率密度问题的主要解决方案之一，但是多相电源转换器遇到的一个问题是，各相之间可能会出现电流不平衡，从而导致电源转换器故障。
现在，多相电源转换器被广泛用作诸如计算机系统之类的电子设备的电源，以例如为微处理器提供稳定的电压。可以发现以并联布置的两相或更多相运行的多相电源转换器拓扑结构布置在功耗随时间增加的系统中。例如计算机服务器和大型通信系统，其中可能会添加新的系统块(单元)以增强系统的功能，因而需要增加电源容量。
与传统的转换器相比，多相电源转换器具有许多优点，例如体积减小和高效率。多相电源转换器通常由N个并联排列的相同拓扑(相)组成，所述拓扑(相)的脉宽调制(PWM)开关控制信号相对彼此的固定相移为360°/N，其中N为相数。电源转换器相的交错操作可带来诸多好处，包括降低电流纹波和减小电感器体积。N相转换器中的元件的额定值应为电源转换器电流的1/N。但是，由于不同相之间可能存在的元件和/或开关周期偏差，如果不使用某些有源电流平衡/共享方案，则电流可能无法平均分配。因此，在许多现有可用的多相电源转换器中，构成级的元件的额定值必须远高于电源转换器电流的1/N，这导致需要使用比没有相之间准确而有效的电流平衡/共享时所需的元件更大、更昂贵的元件。
实现电流平衡/共享的常规方法是使用N个电流传感器，即每个相一个，每个相中的电流是独立控制的。但是，这大大增加了每个相所需的元件数量，并增加了控制相的计算复杂性。
US2009/167080是使用多个电流传感器的电源转换器的示例，每个电流传感器被配置为检测电源转换器的相应相的电流。多相转换器系统包括平衡电路，该平衡电路可以通过独立地调制多个相中的电流来平衡不同相中的电流。
US6246222描述了一种具有多个功率通道(相)的直流转直流(DC-DC)电源转换器和为每个功率通道生成脉宽调制控制信号的开关控制器。每个通道的相移角每隔相应个开关周期便会切换一次，但在开关周期内不会改变。该解决方案仅适用于直流转直流转换器，并且需要N个脉宽调制器来执行电流平衡。
M.Soldano等人的发表在2012年第二十七届IEEE年度应用电力电子会议及展览会(APEC)上的题为“A New Current Balancing Method for Digitally ControlledInterleaved PFC”的出版物描述了一个具有两个电流传感器的N相电源转换器，一个电流传感器用于电流整形，一个电流传感器用于电流平衡，但是每个相的相移角是固定的。此外，电源转换器需要N-1个附加控制环路来执行电流平衡。
Jens C.Schroeder等人的发表在第十五届国际电力电子与运动控制会议上的题为“Current Sharing in Multiphase Interleaved Converters by Means of OneCurrent Sensor”的出版物描述了通过一个电流传感器在多相转换器中共享电流。然而，单个电流传感器测量串联连接到下部开关的相的电流。
想要的是一种在不需要多个电流传感器和/或额外的处理功率的情况下平衡/共享相电流的装置和方法，并且在每个交流线路周期内都平衡/共享相电流。
发明内容
本发明的目的是在一定程度上减轻或消除与控制电源转换器的已知方法相关的一个或多个问题，尤其是与控制已知的交流/直流或直流/交流多相电源转换器相关的问题。
通过结合独立权利要求的特征来实现上述目的，从属权利要求公开了本发明的其他有利实施例。
本发明的另一个目的是提供减少交流/直流或直流/交流多相电源转换器中的相之间的电流不平衡的装置和方法。
本发明的另一个目的是提供一种控制电源转换器的多个相的装置和方法，以使得每个相在交流线路周期中具有相同或相似的平均相移角值。
本发明的另一个目的是提供一种使用相应的脉宽调制开关控制信号来变化每个电源转换器相的输入电流或输出电流的相移角的装置和方法。
本领域技术人员将从以下描述中得出本发明的其他目的。因此，前述目的的陈述不是穷举性的，仅用于说明本发明的许多目的中的一部分。
本发明描述了一种用于具有N个电源转换器相的类型的交流转直流或直流转交流多相电源转换器的控制器，其中N大于或等于2。该控制器包括控制模块，该控制模块被配置为改变或变化N个电源转换器相中的每一个的输入电流或输出电流的相移角，以使得所述N个电源转换器相中的每一个在控制模块交流线路周期内的平均相移值约为、接近或基本为相同的值。在具有并联布置的N个电源转换器相的类型的交流/直流或直流/交流多相电源转换器的实施例中，将每个电源转换器相的平均相移值设置为在交流线路周期内基本相等或大约相等的优点是减少或消除了N个电源转换器相的输入电流或输出电流中的任何不平衡。在优选的布置中，控制模块使用相应的脉宽调制开关控制信号在每个交流线路周期上变化N个电源转换器相中的每一个的输入电流或输出电流的相移角。
在第一主要方面，本发明提供了一种用于具有N个电源转换器相的交流/直流或直流/交流多相电源转换器的控制器，其中N是大于或等于2的自然数。该控制器包括：控制模块，该控制模块被配置为在到控制模块的交流(AC)线路周期期间改变所述N个电源转换器相中的每一个电源转换器相的相移角，从而在所述N个电源转换器相之间共享电流。优选地，控制模块被配置为改变所述N个电源转换器相中的每一个的相移角，以使得所述N个电源转换器相中的每一个在所述交流线路周期内的平均相移值是大约相同的值。控制模块优选地在所述交流线路周期上维持所述N个电源转换器相的改变的或变化的相移角彼此异相。
在第二主要方面，本发明提供了一种交流/直流或直流/交流多相电源转换器，该电源转换器包括：N个电源转换器相，其中N是大于或等于2的自然数；及控制模块，该控制模块被配置为在到控制模块的交流(AC)线路周期期间改变所述N个电源转换器相中每个的相移角，从而在所述N个电源转换器相之间共享电流。
在第三主要方面，本发明提供了一种操作交流/直流或直流/交流多相电源转换器的方法，该交流/直流或直流/交流多相电源转换器包括N个电源转换器相，其中N是大于或等于2的自然数，该方法包括:在到控制模块的交流(AC)线路周期期间改变所述N个电源转换器相中每一个的相移角，从而在所述N个电源转换器相之间共享电流。
本发明内容并不一定公开定义本发明必不可少的所有特征；本发明可以属于所公开特征的子组合。
前面已经相当广泛地概述了本发明的特征，以便可以更好地理解以下本发明的详细描述。下文将描述构成本发明权利要求主题的本发明的附加特征和优点。本领域技术人员将可以理解，本发明所公开的概念和特定实施例可以容易地用作修改或设计用于实现本发明相同目的的其他结构的基础。
附图说明
通过以下优选实施例的描述，本发明的前述和进一步的特征将变得明白易懂，所述优选实施例仅通过示例的方式结合附图提供，其中：
图1示出了根据本发明的交流/直流或直流/交流多相电源转换器的示意框图；
图2示出了根据本发明的交流/直流或直流/交流多相电源转换器的示例性实施例的更详细示图；
图3示出了包括根据本发明的直流/交流多相电源转换器的电动机控制系统的示意框图；
图4示出了图3的电动机系统的操作参数，包括电动机电压，该电动机电压包括控制模块交流线路周期；
图5示出了根据本发明的控制交流/直流或直流/交流多相电源转换器的方法的流程图；
图6示出了用于根据本发明的5相交流/直流或直流/交流电源转换器的第一示例性相移角序列的图形表示；
图7是图6的相移角序列的表；
图8示出了根据本发明的用于5相交流/直流或直流/交流电源转换器的第二示例性相移角序列的图形表示；和
图9示出了根据本发明的用于5相交流/直流或直流/交流电源转换器的第三示例性相移角序列的图形表示。
具体实施方式
以下描述是仅作为示例的优选实施例，并且不限于实施本发明所必需的特征的组合。
在本说明书中提及“一个实施例”或“一实施例”是指结合该实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。说明书中各个地方出现的短语“在一个实施例中”不一定全部指的是同一实施例，也不是与其他实施例互斥的单独或替代的实施例。此外，描述了可以由一些实施例而不是其他实施例展现的各种特征。类似地，描述了可能是一些实施例但不是其他实施例的要求的各种要求。
应当理解，附图中所示的元件可以以各种形式的硬件、软件或硬件、软件的组合来实施。这些元件可以在一个或多个适当编程的通用设备上以硬件和软件的组合来实施，该通用设备可以包括处理器、存储器和输入/输出接口。
本说明书示出了本发明的原理。因此，将可以理解的是，本领域的技术人员将能够设计出尽管未在本文中明确描述或示出但体现本发明的原理并且包括在本发明精神和范围内的各种布置。
此外，本文中引用本发明的原理、本发明的方面和本发明的实施例及本发明的特定示例的所有陈述旨在涵盖本发明结构和功能上的等同物。另外，意图为等同物包括当前已知的等同物以及将来开发的等同物，即，开发的执行相同功能的任何元件，而与结构无关。
因此，例如，本领域技术人员将可以理解的是，本文呈现的框图表示体现本发明原理的系统和设备的概念图。
附图中所示的各种元件的功能可以通过使用专用硬件以及能够与适当的软件相关联地执行软件的硬件来提供。当由处理器提供时，功能可以由单个专用处理器、单个共享处理器或其中一些可以共享的多个单独的处理器提供。此外，术语“处理器”或“控制器”的明确使用不应解释为专门指代能够执行软件的硬件，而可以隐含地包括但不限于：数字信号处理器(“DSP”)硬件、用于存储软件的只读存储器(“ROM”)、随机存取存储器(“RAM”)和非易失性存储器。
在本文的权利要求中，表示为用于执行指定功能的手段的任何元件旨在涵盖执行该功能的任何方式，例如包括：a)执行该功能的电路元件的组合，或b)任何形式的软件(包括固件、微代码等)，以及用于执行该软件以执行功能的适当电路的组合。这样的权利要求书所定义的本发明在于以下事实：由各种所述装置提供的功能以权利要求书所要求的方式被组合和集合在一起。因此可以提供那些功能的任何手段都被认为等同于本文所示的手段。
图1是根据本发明的电源转换器10的示意性框图。电源转换器10是具有被表示为“1”至“N”的N个电源转换器相15的类型，其中N是大于或等于2的自然数。电源转换器10优选地为其中N个电源转换器相15共享电压源20的类型，即，N个电源转换器相15相对于电压源20并联布置。电源转换器10包括交流转直流电源转换器或直流转交流电源转换器之一。电源转换器10可以包括处理器25和存储器30，尽管处理器25和存储器30不是必需的。可以使用存储在存储器30中以由处理器25执行的逻辑电路和/或可执行代码/机器可读指令来实施电源转换器10的一些功能。
电源转换器10具有控制器35。控制器35包括控制模块40，控制模块40可以实施为微处理器单元(MCU)、专用集成电路(ASIC)、固态电路或前述的任意组合。在控制模块40包括微处理器单元的情况下，控制模块40可以具有一个或多个处理器45和一个或多个用于存储机器可读代码的存储器50，当所述机器可读代码由一个或多个处理器45执行时，所述机器可读代码配置控制模块40以实现如下所述的本发明的方法。
在一实施例中，控制器35可包括用于执行所述控制器35各种功能的多个功能块。例如，控制器35包括控制模块40及其一个或多个处理器45及其一个或多个存储器50。因此，可使用存储在控制器35的一个或多个存储器50中的逻辑电路和/或可执行代码/机器可读指令来实施控制器35，以通过一个或多个处理器45执行，从而执行本文所述的功能。例如，可执行代码/机器可读指令可以存储在一个或多个存储器50中(例如，随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存、磁性存储器、光学存储器等)，所述一个或多个存储器50适合于存储一个或多个指令集(例如应用软件、固件、操作系统、小程序和/或其他等)、数据(例如配置参数、操作参数和/或阈值、收集的数据、处理的数据和/或其他等)等等。一个或多个存储器50可包括针对一个或多个处理器45使用的处理器可读存储器，所述一个或多个处理器45可操作以执行控制模块40的代码段。另外地或替代地，控制器35可包括一个或多个专用的处理器(例如，专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、图形处理单元(GPU)和/或其他等)，所述处理器被配置为执行本文描述的控制器35的功能。
在另一个实施例中，控制器35可以由模拟电路实现，该模拟电路可以包括用于数字控制的编码。
因此，将可以理解的是，控制器35可以通过硬件、固件和软件中的任何一种或任何组合来实施。
图2是图1的电源转换器10的更详细的视图，为了方便起见，仅示出了分别表示为“相1”和“相2”的N个电源转换器相15中的两个，“相1”和“相2”相对于电压源20以并联布置示出，在该实施例中，该电压源20包括交流电压源。
在图2中，控制器35的控制模块40优选地包括单个脉宽调制器，用于向每个电源转换器相15提供脉宽调制开关控制信号，例如门信号。提供了误差放大器(EA)电路55、包括单个电流传感器60的电流感测电路以及包括单个电压传感器62的电压感测电路。
将可以理解的是，在图2中，所有电源转换器相15具有相同的电路拓扑。
单个电流传感器60被配置为感测N个电源转换器15中的总输入电流iin，并将总输入电流iin转换为电压信号，电压信号与作为到误差放大器电路55的输入的总输入电流iin成比例，以说明控制模块40支持电压信号输入的事实。
单个电压传感器62被配置为感测到N个电源转换器15的输入电压信号vin，从而提供控制模块40的交流线路周期。控制模块40的交流线路周期包括到控制模块40的电压信号vin频率的一个周期。因此，在某些实施例中，到控制模块40的电压信号vin的频率可以包括诸如电压源20之类的电网或市电交流电源的频率，因此电压信号vin的频率可以是固定的或至少几乎没有变化。在其他实施例中，如图3所示，情况并非总是如此，并且交流线路周期可能会随着到控制模块40的电压信号vin的频率变化而显著变化。
误差放大器电路55被配置为将N个电源转换器15的总输入电流iin与参考电流iref(或参考电压)进行比较，并且将作为总输入电流iin与参考电流iref之差的信号输出至控制模块40。电流差信号被控制模块40用来控制N个电源转换器相15的输入(或输出电流)，使得它们的组合电流与总输入电流iin平衡。控制模块40用源自交流线路周期的电压信号vin通过改变、调整和/或变化N个功率转换器相15的输入电流(或输出电流)的相移角以共享和/或平衡N个功率转换器相15的输入电流(或输出电流)。
图3示出了包括根据本发明的直流/交流多相电源转换器的电动机控制系统的示意框图。在该实施例的描述中，将使用与图1和图2中所使用的附图标记相似的附图标记来表示相似或功能相似的部分，但是这些附图标记后面接“*”。
电动机控制系统70包括直流电压源20*、直流/交流多相电源转换器10*、信号滤波器75、电动机80和控制器35*。控制器35*包括控制模块40*。
图4示出，随着电动机80的速度变化，电动机电压的频率也变化。在该实施例中，到控制模块40*的电压信号vin源自电动机电压。因此，在该实施例中，到控制模块40*的交流线路周期随电动机电压的频率的变化而变化。
图3和图4的实施例仅是本发明的实施例的示例，其中交流线路周期随电压信号vin的频率的变化而变化。
参考图5的流程框图，根据本发明的示例性方法100包括可选的第一步骤105：检查构成电源转换器10、10*的电源转换器相15的数量。将可以理解到的是，该步骤不是必需的，因为在固定电路布置中，电源转换器相的数量将是固定的并且是已知的。然而，该步骤的优点是能够将电源转换器相块添加到电源转换器10、10*，然后根据本发明继续操作电源转换器10、10*，而无需更新任何代码或机器可读指令。无论如何，方法100的下一步骤110是由控制模块40使用相应的脉宽调制开关控制信号(门信号)来确定、选择或计算在下一个交流线路周期上将施加至电源转换器相15的相移角序列。在下一步骤115中，建立或更新每个电源转换器相15的相移角序列，以准备在步骤120处实施。在步骤120，各个脉宽调制开关控制信号根据各个相移角序列来改变每个电源转换器相15处的输入电流或输出电流的相移角。在步骤120之后，在判定框125中，确定交流线路周期是否完成。如果为“否”，则步骤120的方法继续进行直到交流线路周期完成。如果为“是”，则该方法可以可选地返回到步骤105或步骤110，但是优选地返回到步骤115。因此，在一些实施例中，步骤110可以仅在方法100开始时被调用一次，并且一旦确定、选择或计算出相移角序列，则该序列在方法100的持续时间内被用于每个交流线路周期。后一步骤仅适用于如图2的实施例中的交流线路周期不变的情况，但不适用于图3的实施例，其中交流线路周期随电压信号vin的频率(即本特定实施例中的电动机电压频率)的变化而随时间变化。
本发明的方法试图改变在每个电源转换器相15处的输入电流的相移角，使得所述N个电源转换器相15中的每一个在交流线路周期上的平均相移值大约是相同的值，并且优选地基本上是相同的值，即满足以下条件：
θPS_1.avg＝θPS_2.avg＝…………＝θPS_N.avg。
因此，在交流线路周期上的第一转换器相15的平均相移角的值与在所述交流线路周期上的第二转换器相15的平均相移角的值大致相同，反过来，在所述交流线路周期上的第二转换器相15的平均相移角的值大致上与所述交流线路周期内第N相的平均相移角的值相同。在所有电源转换器相15具有相同的电路拓扑的情况下，所有所述相15汲取的功率将是相同的，因此对于相同的负载电压汲取的负载电流将是相同的。
尽管优选的是，每个电源转换器相15的相移角在每个交流线路周期内根据预定的、选择的或计算的序列改变，该序列具有一定程度的均匀性或规则性，并且在本质上甚至可以是周期性的，即该序列具有可识别的相移角模式，但是应该理解该序列不必是均匀的、规则的或周期性的。对于每个交流线路周期上的每个电源转换器相15，只需要该序列满足上述条件即可。在这方面，如果在每个交流线路周期内，控制模块40控制每个电源转换器相15的相移角变化以满足上述条件，则施加到每个电源转换器相15的相移角模式的序列可能是不规则的。
本发明方法的模拟结果表明，可以改变所述N个电源转换器相15的每一个的相移角，使得所述平均相移值落在交流线路周期中所述N个电源转换器相15之一的最低平均相移值的15％的范围内，并且使得可以将所述范围缩小到交流线路周期内最低平均相移值的10％的范围内，甚至缩小到所述交流线路周期内最低平均相移值的5％的范围内。
然而，优选的是，由控制模块40施加到每个电源转换器相15的相移角改变，即改变的序列确实体现了可识别的相移角改变的模式，并且该模式本质上是周期性的。
第一优选序列定义为：
Seq[]＝[0,2(2π/N),3(2π/N)………,(N-2)(2π/N),(N-1)(2π/N)] (1)
该序列由图6和图7示出。该序列包括电源转换器的五个相中的每个相的相移角变化的循环序列，其中五个相的相移角变化的循环序列彼此保持异相。在图6中，可以看出，对于该示例，在一个交流线路周期内的脉宽调制开关周期的数量包括10个脉宽调制开关周期，即，交流线路周期的频率是脉宽调制开关周期的10倍。但是，将可以理解的是，这是一个示例，并且在其他实施例中，一个交流线路周期中的脉宽调制开关周期数可以大于或小于10，而且一个交流线路周期中的脉宽调制开关周期数可以随时间变化，如图3所示的实施例。
图6是五个电源转换器相的相移角变化的循环序列的图形表示，其中表示为“210”的线是追踪图7中表示为“M1”的第一电源转换器相的相对于一个交流线路周期的10个开关周期的相移角变化的图形线，线“220”、“230”、“240”和“250”分别追踪图7中表示为“M2”、“M3”、“M4”和“M5”的第二至第五功率转换器相的相对于所述交流线路周期的10个开关周期的相移角变化。
第二优选序列定义为：
Seq[]＝[(N-1)(2π/N),(N-2)(2π/N),……,3(2π/N),2(2π/N),0] (2)
该序列由图8以图形方式示出，其中各个电源转换器相由“210*”、“220*”、“230*”、“240*”和“250*”表示。可以看出，该序列与图6所示的第一优选序列相反。同样，在每个交流线路周期中，五个相的相移角变化的循环序列“210*”，“220*”，“230*”，“240*”和“250*”彼此异相。
第三优选序列定义为：
Seq[]＝[0,(N-1)(2π/N),2(2π/N),…………,(N-2)(2π/N)] (3)
该序列由图9以图形方式示出，其中各个电源转换器相由“210**”、“220**”、“230**”、“240**”和“250**”表示。可以看出，该序列具有与图6或图8中的任一个不同的循环模式。同样，在每个交流线路周期中，五个相的相移角变化的循环序列“210**”，“220**”，“230**”，“240**”和“250**”彼此异相。
将可以理解的是，图6至图9示出了一些优选的循环序列，但是将可以理解的是，图6至9的优选序列仅作为示例提供，并且不限制要在根据本发明的电源转换器的交流线路周期内实施的相移角变化的周期性序列的范围。
再次参照图2和图3，本发明提供了一种控制器35，所述控制器35用于以交错的方式相对于功率输入端20并联操作具有N个电源转换器相15的电源转换器10的多个电源转换器相。控制模块40被配置为使用相应的脉宽调制(PWM)开关控制信号在每个交流线路周期上变化所述N个电源转换器相15中的每一个的输入电流(或输出电流)的相移角。控制模块40被配置为变化所述N个电源转换器相15中的每一个的相移角，以便减少所述输入电流(或输入电压)之间的任何不平衡。
在优选实施例中，N个电源转换器相15中的每个包括桥式或无桥式交流/直流转换器或桥式或无桥式直流/交流转换器。
与以交错方式操作的已知的多相电源转换器相比，本发明可以通过使每个电源转换器相15的相移角沿着与交流线路周期等效的一组脉宽调制开关周期以特定序列变化，从而平衡相输入电流/电压，而无需任何额外的电流传感器。而且与已知的多相电源转换器相比，根据本发明的方法需要相当少的计算工作量(处理功率)。
本发明的电流平衡方法使得电源转换器的电流能够在电源转换器级之间更加均匀和准确地平衡/共享。这具有显着的优点，即每个电源转换器级中的电流将不会大大超过电源转换器电流的1/N，使得每个电源转换器级的元件不必额定超过电源转换器电流的1/N。因此，可以选择便宜得多且体积较小的元件来实施电源转换器级。对于诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)之类的场效应晶体管(FET)尤其如此，其成本通常随额定电流指数地增加。与相同容量的传统交错式电源转换器相比，根据本发明的交错式电源转换器的金属氧化物半导体场效应晶体管的成本可以减少多达32％。因此，本发明提供了一种交错式电源转换器的设计，该设计具有设计比相同容量的传统交错式电源转换器更小和/或更便宜的交错式电源转换器的机会。
单个脉宽调制调制器作为本发明的控制模块的存在也是有利的，因为控制模块减少或消除了使用多个脉宽调制调制器影响已知交错式电源转换器的已知的热量问题。这是特别有利的，因为在已知的采用多个脉宽调制调制器的交错式电源转换器中，热量问题加剧了电源转换器相之间的电流不平衡。通过减少或消除热量问题，在实施本发明的装置和应用方法之前已经改善了电流不平衡问题。
上述装置可以至少部分地以软件实施。本领域技术人员将理解，可以至少部分地使用通用计算机设备或使用定制设备来实施上述设备。
在此，本文描述的方法和装置的各方面可以在包括通信系统的任何装置上执行。可以将技术的程序方面视为通常为可执行代码和/或在一类机器可读介质上承载或体现的相关数据形式的“产品”或“制品”。“存储”类型的介质包括移动站、计算机、处理器等的任一或全部存储器或其相关模块，例如各种半导体存储器、磁带驱动器、磁盘驱动器等，“存储”类型的介质可以随时为软件编程提供存储。软件的全部或部分有时可以通过互联网或其他各种电信网络进行通信。例如，这样的通信可以使得能够将软件从一个计算机或处理器加载到另一计算机或处理器中。因此，可以承载软件元素的另一种类型的介质包括光波、电波和电磁波，例如通过有线和光纤固定电话网络以及通过各种空中链路跨本地设备之间的物理接口。诸如有线或无线链路、光学链路等之类的携带这种波的物理元件也可以被视为承载软件的介质。如本文所使用的，除非限于有形的非暂时性“存储”介质，否则诸如计算机或机器“可读介质”的术语是指参与向处理器提供指令以供执行的任何介质。
尽管已经在附图和前面的描述中详细示出和描述了本发明，但是本发明应被认为是说明性的，而不是限制性的，应当可以理解的是，仅示出和描述了示例性实施例，并且不以任何方式限制本发明的范围。应当可以理解的是，本文描述的任何特征可以与任何实施例一起使用。示例性实施例并不彼此排斥，也不排斥本文未列举的其他实施例。因此，本发明还提供了包括上述一个或多个示例性实施例的组合的实施例。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行修改和变型，因此，仅应施加如所附权利要求书所示的限制。
在所附的权利要求书和本发明的前述说明中，除非上下文由于表达语言或必要的暗示另有要求，词语“包括(comprise)”或变形诸如“包括(comprises)”或“包含(comprising)”以包括性含义使用，即用于指定所陈述的特征的存在，但不排除在本发明的各种实施例中其他特征的存在或增加。
应当理解，如果在本文中引用了任何现有技术出版物，则这种引用并不意味着承认该出版物构成了本领域公知常识的一部分。

Claims (17)

1.控制器，所述控制器用于具有N个电源转换器相的交流/直流或直流/交流多相电源转换器，所述N个电源转换器相与电源并联布置，所述N个电源转换器相中的每一个具有相同的电路拓扑，其中N是大于或等于2的自然数，所述控制器包括：
控制模块，所述控制模块被配置为在到所述控制模块的交流线路周期期间改变用于所述N个电源转换器相中的每一个的相移角，所述交流线路周期包括输入电压信号的一个周期，所述控制模块被配置为通过改变所述N个电源转换器相中的每一个在所述交流线路周期期间的所述相移角以在所述N个电源转换器相之间共享电流，使得所述N个电源转换器相中的每一个在所述交流线路周期内的平均相移值是相同的值。
2.根据权利要求1所述的控制器，其中所述控制模块被配置为在所述交流线路周期上维持所述N个电源转换器相的改变的相移角彼此异相。
3.根据权利要求1所述的控制器，其中所述控制模块被配置为改变所述N个电源转换器相的每一个的所述相移角，使得所述平均相移值在所述交流线路周期内所述N个电源转换器相之一的最低平均相移值的15％的范围内，或在所述交流线路周期内最低平均相移值的10％的范围内，或在所述交流线路周期内最低平均相移值的5％的范围内。
4.根据权利要求1所述的控制器，其中所述控制模块被配置为通过控制所述N个电源转换器相中的每一个的相移角在所述交流线路周期上周期性地变化，从而改变所述N个电源转换器相中的每一个的相移角。
5.根据权利要求1所述的控制器，其中所述控制模块被配置为通过控制所述N个电源转换器相中的每一个的相移角根据预定的、选择的或计算的相移角的序列在所述交流线路周期上改变，从而改变所述N个电源转换器相中的每一个的相移角。
6.根据权利要求5所述的控制器，其中所述相移角的序列满足以下条件：
θPS_1.avg = θPS_2.avg = ………… = θPS_N.avg，
其中θPS_N.avg是所述第N个电源转换器相的平均相移角。
7.根据权利要求5所述的控制器，其中所述相移角的序列由以下任一项限定:
Seq[]=[0, 2(2π/N), 3(2π/N) ………, (N-2)(2π/N), (N-1)(2π/N)]或
Seq[] = [(N-1)(2π/N), (N-2)(2π/N), ……, 3(2π/N), 2(2π/N), 0] 或
Seq[] = [0, (N-1)(2π/N), 2(2π/N), …………, (N-2)(2π/N)]，
其中Seq[] 为所述N个电源转换器相在所述交流线路周期内的相移角变化的循环序列。
8.根据权利要求1所述的控制器，其中所述控制模块被配置为通过每个交流线路周期上相应的开关控制信号改变所述N个电源转换器相中的每一个的相移角。
9.根据权利要求8所述的控制器，其中所述开关控制信号包括脉宽调制（PWM）开关控制信号，为脉宽调制门信号。
10.根据权利要求1所述的控制器，其中所述控制模块被配置为在每个交流线路周期上改变用于所述N个电源转换器相中的每一个的输入电流或输出电流的相移角。
11.根据权利要求1所述的控制器，其中所述控制模块包括单个脉宽调制模块。
12.根据权利要求1所述的控制器，其中所述控制模块包括硬件、固件和软件中的任意一个或任意组合。
13.根据权利要求1所述的控制器，其中所述控制模块被配置为使用相应的脉宽调制开关控制信号在每个交流线路周期上变化用于所述N个电源转换器相中的每一个的输入电流/输出电流的所述相移角，以便减少所述输入电流/输出电流之间的任何不平衡。
14.根据权利要求1所述的控制器，其中所述控制模块被配置为使用相应的脉宽调制开关控制信号在每个交流线路周期上变化用于所述N个电源转换器相中的每一个的输入/输出电流的所述相移角，以便平衡所述输入电流/输出电流，和/或使得所述N个电源转换器相中的每一个在交流线路周期上的平均相移值是相同的值。
15.交流/直流或直流/交流多相电源转换器，所述电源转换器包括：
N个电源转换器相，所述N个电源转换器相与电源并联布置，所述N个电源转换器相中的每一个具有相同的电路拓扑，其中N是大于或等于2的自然数；和
控制模块，所述控制模块被配置为在到所述控制模块的交流线路周期期间改变用于所述N个电源转换器相中的每一个的相移角，所述交流线路周期包括输入电压信号的一个周期，所述控制模块被配置为通过改变所述N个电源转换器相中的每一个在所述交流线路周期期间的所述相移角以在所述N个电源转换器相之间共享电流，使得所述N个电源转换器相中的每一个在所述交流线路周期内的平均相移值是相同的值。
16.根据权利要求15所述的交流/直流或直流/交流多相电源转换器，其中，所述N个电源转换器相中的每一个包括桥式或无桥式交流/直流转换器或桥式或无桥式直流/交流转换器。
17.操作交流/直流或直流/交流多相电源转换器的方法，所述交流/直流或直流/交流多相电源转换器包括N个电源转换器相，所述N个电源转换器相与电源并联布置，所述N个电源转换器相中的每一个具有相同的电路拓扑，其中N是大于或等于2的自然数，所述方法包括：
在到控制模块的交流线路周期期间改变用于所述N个电源转换器相中的每一个的相移角，所述交流线路周期包括输入电压信号的一个周期，通过改变所述N个电源转换器相中的每一个在所述交流线路周期期间的所述相移角以在所述N个电源转换器相之间共享电流，使得所述N个电源转换器相中的每一个在所述交流线路周期内的平均相移值是相同的值。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11843322B2 (en) 2021-10-28 2023-12-12 Hong Kong Applied Science And Technology Research Institute Co., Ltd Power converter apparatus and a method of modulating thereof

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6246222B1 (en) * 2000-08-30 2001-06-12 National Semiconductor Corporation Switching DC-to-DC converter and conversion method with rotation of control signal channels relative to paralleled power channels
CN102064707A (zh) * 2011-01-21 2011-05-18 浙江大学 共同移相角控制下的输入并联输出并联组合变换器
CN103248231A (zh) * 2013-04-02 2013-08-14 浙江大学 多相均流控制的并联调整电路及控制方法
CN105099152A (zh) * 2014-05-15 2015-11-25 现代自动车株式会社 多相交织转换器及其控制方法
CN105790626A (zh) * 2014-12-25 2016-07-20 台达电子工业股份有限公司 谐振型功率转换电路及控制谐振型功率转换电路的方法
CN110190768A (zh) * 2018-02-22 2019-08-30 固纬电子实业股份有限公司 直流交流换流装置及其并联均流控制方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7903433B2 (en) 2007-12-26 2011-03-08 Texas Instruments Incorporated Current balancing for multi-phase converters
US8829869B2 (en) * 2011-11-08 2014-09-09 Lincoln Global, Inc. Dynamic power factor correction and dynamic control for converter in power supply

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6246222B1 (en) * 2000-08-30 2001-06-12 National Semiconductor Corporation Switching DC-to-DC converter and conversion method with rotation of control signal channels relative to paralleled power channels
CN102064707A (zh) * 2011-01-21 2011-05-18 浙江大学 共同移相角控制下的输入并联输出并联组合变换器
CN103248231A (zh) * 2013-04-02 2013-08-14 浙江大学 多相均流控制的并联调整电路及控制方法
CN105099152A (zh) * 2014-05-15 2015-11-25 现代自动车株式会社 多相交织转换器及其控制方法
CN105790626A (zh) * 2014-12-25 2016-07-20 台达电子工业股份有限公司 谐振型功率转换电路及控制谐振型功率转换电路的方法
CN110190768A (zh) * 2018-02-22 2019-08-30 固纬电子实业股份有限公司 直流交流换流装置及其并联均流控制方法

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