TWI479785B - 功率變換器的反饋控制電路及功率變換器系統 - Google Patents

Description

功率變換器的反饋控制電路及功率變換器系統

本發明涉及一種功率變換器的反饋控制電路及一種功率變換器系統。

隨著功率變換技術的迅速發展和日趨成熟，湧現出各種具有變流能力的功率變換器，用於大功率電能的變換和控制，如應用於電力電子裝置中的有源電力濾波器(Active Power Filter，APF)、靜止無功發生器(Static Var Generation，SVG)、不間斷電源系統(Uninterruptible Power System，UPS)、變頻器、開關電源等等。

功率變換器系統一般由功率變換器、反饋控制電路組成。該反饋控制電路由採樣網路以及控制驅動電路組成。功率變換器系統根據其應用可為交流逆變系統和直流變換系統。如圖1所示傳統功率變換器系統，該傳統功率變換器系統中，功率變換器為逆變器。傳統功率變換器系統中反饋控制電路中採樣網路對逆變器的輸出進行採樣，控制驅動電路基於採樣網路輸出的採樣信號調整輸出至逆變器的控制信號。如圖2所示另一種傳統功率變換器系統。該傳統功率變換器系統中，功率變換器包括整流電路、直流變 換器。反饋控制電路中採樣網路對直流變換器的輸入進行採樣，控制驅動電路根據採樣網路輸出的信號調節輸出至直流變換器的控制信號。

因此，從圖1和圖2中可看出，在功率變換器系統中，反饋控制電路中的採樣網路既可對功率變換器的輸入，也可對功率變換器的輸出進行採樣。無論在哪種情况下，採樣網路輸出的信號中通常會存在高頻紋波干擾，這些干擾可能來自於功率變換中的開關元件也可能為其他來源。總而言之，這些高頻干擾紋波會影響反饋控制電路中採樣網路的採樣精度，或導致反饋控制電路的控制精度差等。

本發明提出一種功率變換器的反饋控制電路及一種功率變換器系統，能夠提高反饋控制電路的採樣精度，或優化反饋控制電路對功率變換器控制的效果。

本發明第一方面的一個方案，功率變換器的反饋控制電路包括：採樣網路，對功率變換器的輸入或輸出進行採樣，並輸出第一採樣信號；濾波網路，接收第一採樣信號，輸出一第二採樣信號，濾波網路在維持第二採樣信號與第一採樣信號的相位延時在預設範圍的同時，濾除第一採樣信號中預設頻率的紋波信號，保留第一採樣信號中預設頻率之外的信號；以及控制驅動電路，接收第二採樣信號，並根據第二採樣信號調節控制驅動電路輸出至功率變換器的控制信號。

根據本發明第二方面的一個方案，功率變換器系統包括：功率變 換器，實現電能轉換；如上文所述之該反饋控制電路，與該功率變換器連接，用於調節該功率變換器的輸入或輸出。

本發明可提高反饋控制電路的採樣精度，或優化反饋控制電路對功率變換器控制。

S1‧‧‧第一採樣信號

S2‧‧‧第二採樣信號

L‧‧‧陷波電感

C‧‧‧陷波電容

Fq1‧‧‧低通濾波網路截止頻率

Fq2‧‧‧高通濾波網路截止頻率

Fq‧‧‧開關次頻率

T1‧‧‧電流傳感器

圖1是傳統技術的交流逆變器系統的示意圖。

圖2是傳統技術的直流變換器系統的示意圖。

圖3是包括低通RC濾波網路的功率變換器系統的方框圖。

圖4是低階或小參數低通RC濾波網路的採樣圖。

圖5是高階或大參數低通RC濾波網路的採樣圖。

圖6是低階或小參數低通RC濾波網路與高階或大參數低通RC濾波網路的波特圖對比圖。

圖7是本發明第一方面的功率變換器的反饋控制電路的示意框圖。

圖8是圖7所示濾波網路為無源陷波單元的反饋控制電路示意框圖。

圖9是圖8所示無源陷波單元具體結構的示意圖。

圖10是圖9所示無源陷波單元的波特圖。

圖11是圖7所示濾波網路為有源帶阻濾波器的反饋控制電路的示意框圖。

圖12是圖11所示有源帶阻濾波器具體結構的示意圖。

圖13是圖12所示有源帶阻濾波器的波特圖。

圖14是圖7所示濾波網路為數字陷波器的反饋控制電路的示意框圖。

圖15是本發明第二方面的功率變換器系統的一示意圖。

下面結合圖式詳細描述本發明的具體實施例。應當注意，這裏描述的實施例只用於舉例說明，並不用於限制本發明。

本發明的第一方面公開了一種功率變換器的反饋控制電路，以下內容用以幫助理解該第一方面揭露的功率變換器的反饋控制電路。

為了抑制功率變換器系統中的高頻紋波，可在功率級(功率變換器側)的輸入或輸出端加入濾波器，然而發明人發現，在從功率變換器的輸入/輸出側獲得的採樣信號採用PWM方式進行調制的情况下，在控制級(控制驅動電路側)通常會存在著開關級高頻紋波，而在功率級加入濾波器的方式並不能針對性的濾除開關級高頻紋波。

因此，為了提高控制級的採樣精度，如圖3所示，可在控制級(如反饋控制電路中的採樣網路和控制驅動電路之間)加入RC低通濾波器。然而，低階或小參數RC低通濾波器對開關次頻率(即開關頻率)的高頻紋波的抑制效果差，容易產生採樣誤差，如圖4的低階或小參數RC低通濾波採樣圖所示。

如果要提高裝置對高頻開關次頻率紋波的抑制作用，就需要增大RC低通濾波器的參數值或增加濾波網路階數，這種高階或大參數RC低通濾波器在增加了高頻段衰減度後卻增加了低頻段有用信號幅值的衰減和相位延時，同樣將導致採樣誤差，如圖5的高階或大參數低通濾波器的採樣圖所示。

參見圖6，將低階或小參數RC低通濾波器與高階或大參數RC低通濾波器的波特圖進行對比，可看出低階或小參數RC濾波器的截止頻率較高，高頻幅值的衰減小(即對高頻的抑制較差)，而相位延時較小。相比而言，高階RC低通濾波器的截止頻率低，高頻幅值衰減大(即對高頻的抑制較好)，而相位延時較大。

為了同時克服低階或小參數RC低通濾波器與高階或大參數低通RC濾波器的問題，如圖7所示。在圖7中，功率變換器的反饋控制電路包括：採樣網路、濾波網路和控制驅動電路。採樣網路對功率變換器的輸入或輸出進行採樣，得到第一採樣信號S1；濾波網路對第一採樣信號S1進行濾波後得到第二採樣信號S2，其中該濾波網路在維持第二採樣信號S2與第一採樣信號S1的相位延時在預設範圍的同時，可濾除第一採樣信號S1中預設頻率的紋波信號，並保留第一採樣信號S1中預設頻率之外的信號；控制驅動電路接收第二採樣信號S2，並根據第二採樣信號S2調節控制驅動電路輸出至功率變換器的控制信號。控制驅動電路可包括功率變換器的PWM控制單元和驅動電路兩個部分，PWM控制單元接收第二採樣信號S2，並在進行PWM調制後經驅動電路反饋至功率變換器。

在圖7所示的反饋控制電路中的採樣網路和控制驅動電路之間加入一種濾波網路，該濾波網路可實現在將信號的相位延時保持在 較小範圍的同時，也能夠較好的濾除第一採樣信號S1中預設頻率的紋波信號，保留第一採樣信號中預設頻率之外的信號。圖3所示的RC低通濾波器會將高於一特定頻率的信號(包含預設頻率的紋波信號)全部濾除，圖7所示的濾波網路與RC低通濾波器不同，該濾波網路在濾除預設頻率的紋波信號的同時，會保留預設頻率之外的信號，同時也不會存在較大相位延時。

預設頻率的紋波信號可為開關級頻率的紋波信號，或開關級頻率及接近開關級頻率的紋波信號。開關級頻率的紋波信號對本領域的技術人員應理解為開關次頻率的紋波信號或者開關次頻率整數次倍頻的紋波信號。

根據採樣網路實際所採樣的功率變換器輸出/輸入存在的干擾信號，在實際應用中的具體情况，可僅濾除開關次頻率的紋波，或僅濾除開關次頻率的兩倍以上頻率的紋波，或同時濾除這兩者。在一些其他的情况下，也存在需要濾除開關次頻率其他倍數的情况，在此種情况下選擇要濾除的頻率的干擾信號通常是對採樣網路的採樣精度的影響相對其他頻率的干擾信號的要大。因此，在此不再一一進行例舉預設頻率可能存在的情况。

本發明第一方面所揭露的反饋控制電路中的濾波網路可實現如下的濾波效果：濾波網路輸出的第二採樣信號S2中預設頻率紋波信號的幅值衰減至第一採樣信號S1中預設頻率紋波信號幅值的十分之一或十分之一以下，濾波網路輸出的第二採樣信號S2中保留的預設頻率之外信號的幅值衰減小於第一採樣信號S1中預設頻率之外的信號的幅值的百分之二十，並且第二採樣信號S2與第一採樣信號S1的相位延時的預設範圍為小於等於二十度，而不限於此， 通過調整濾波網路的參數或其他設置可獲得不同的濾波效果。因此，在本發明第一方面揭露的功率變換器的反饋控制電路的實施例中，濾波網路的濾波效果可視具體功率變換器的反饋控制電路的具體技術參數要求而定。

為了便於更進一步理解本發明第一方面所揭露的反饋控制電路，以下對本發明第一方面的反饋控制電路的幾種實施例作更進一步的描述。

第一實施例：

請參見圖8所示的反饋控制電路示意圖。圖8中以反饋控制電路控制的功率變換器為逆變器為例，反饋控制電路中的採樣網路對逆變器的輸出進行採樣。與圖7所示反饋控制電路相比，圖8所示的反饋控制電路的濾波網路具體為無源陷波單元。反饋控制電路其他部分與圖7所示一致，因此對於其他部分不作重複描述。

通過對無源陷波單元參數的合理設計，該無源陷波單元可對預設頻率的紋波信號有較大的衰減且相位延時較小，而對其他頻段信號無幅值和相位影響。在此實施例中預設頻率的紋波信號為開關級頻率紋波信號。

無源陷波單元可包括多個並聯的陷波支路，每個支路包括至少一個陷波電感L、至少一個陷波電容C，該陷波電容C與該陷波電感串聯。每個陷波支路的結構並不侷限於此例舉的結構，當然可存在其他的元件或其他的連接形式。每個陷波支路可被設計為濾除某個頻率的紋波信號，通過適當的參數設計，合理選擇陷波電感L的電感值和陷波電容C的電容值來確定陷波頻率點(例如可為開 關次頻率)。例如，通過設計陷波電感和/或陷波電容的參數使串聯諧振頻率為待濾除的紋波信號的頻率。

請參閱圖9所示無源陷波單元的一種具體結構，該無源陷波單元包括兩個並聯的陷波支路。針對無源陷波單元作為濾波網路，一般情况下其濾除的預設頻率的紋波信號為開關級頻率紋波信號。以下以無源陷波單元待濾除的紋波信號的頻率為開關次頻率或兩倍開關次頻率進行進一步說明。這兩個並聯的陷波支路的每個支路至少包括一陷波電感L、一與陷波電感L串聯的陷波電容C，且兩個陷波支路中一個陷波支路用以濾除開關次頻率紋波信號，另外一個陷波支路用以濾除兩倍開關次頻率信號。圖10為圖9所示無源陷波單元的幅頻特性和相頻特性的波特圖，如圖10所示，該無源陷波單元可濾除開關次頻率及兩倍開關次頻率的紋波信號，並且相位偏移也比較小。

第二實施例：

反饋控制電路的第二實施例如圖11所示，第二實施例中的元件與第一實施例類似，區別在於第二實施例所示反饋控制電路中的濾波網路為有源帶阻濾波器，反饋控制電路的其他部分與圖7中一致，因此不在此作重複描述。根據有源阻帶濾波器的濾波特點，該濾波器所要濾除的預設頻率的紋波信號為開關級頻率的紋波信號及開關級頻率附近的紋波信號，而會保留阻帶以外的採樣信號。

有源帶阻濾波器的阻帶頻寬覆蓋開關級頻率的紋波信號及開關級頻率附近的紋波信號所在的範圍。請參閱圖12，圖12示意了有源 帶阻濾波器的一種具體結構示意圖。有源帶阻濾波器例如包括低通濾波器、高通濾波器以及信號處理電路；低通濾波器和高通濾波器同時接收採樣網路輸出的信號，信號處理電路同時接收低通濾波器和高通濾波器的輸出並進行處理後輸出至控制驅動電路，其中，信號處理電路可為運算放大器求和電路。在圖12中，可將低通濾波網路截止頻率Fq1設計成低於需要濾除的開關次頻率，而將高通濾波網路截止頻率Fq2設計成高於需濾除的開關次頻率，將運算放大器求和電路配置成可增大採樣波形在開關次頻率周圍頻段(Fq1到Fq2)之間的衰減度，從而達到抑制紋波的作用。如圖13的帶阻濾波網路的波特圖所示，阻帶中心頻率為開關次頻率Fq，頻寬為Fq2-Fq1。在第二實施例中，有源帶阻濾波器的結構不侷限於圖12所示的結構。

圖13示意了圖12所示有源帶阻濾波器的波特圖。圖13所示的有源帶阻濾波器可以濾除開關次頻率及接近開關次頻率的紋波信號。然而也可根據需要濾除開關次頻率或任意兩倍以上的紋波信號，也即將低通濾波網路截止頻率Fq1設計成低於需要濾除的某個或某幾個開關次頻率之中頻率最低的紋波信號的頻率，而將高通濾波網路截止頻率Fq2設計成高於需濾除的某個或某幾個開關次頻率之中頻率最高的紋波信號的頻率。採用此種性質的有源帶阻濾波器的前提是，有源帶阻濾波器的阻帶所濾除的信號不影響反饋控制電路的正常工作或性能。

第三實施例：

如圖14所示反饋控制電路的第三實施例。圖14所示的反饋控制電路中濾波網路為數字陷波器。數字陷波器是一種把一個採樣信號 或一系列的值轉換為另一系列的數值的技術過程或方法，在數字陷波濾波器設計過程中，可先進行模擬陷波器設計，然後採用例如雙線性變化法將模擬陷波濾波器轉化成數字陷波濾波器。

數字陷波器可為IIR無限脈衝響應數字濾波器或FIR有限脈衝響應數字濾波器。通常數字陷波器包括一數字帶阻濾波單元，數字帶阻濾波單元的阻帶頻寬覆蓋預設頻率紋波信號所在的範圍。該預設頻率的紋波信號為開關級頻率的紋波信號及開關級頻率附近的紋波信號，而會保留阻帶以外的採樣信號。因此，數字陷波器的作為濾波網路的工作原理與有源帶阻濾波器作為濾波網路的原理基本一致，所以不在這作進一步的描述。數字陷波器的設置也是可根據實際需求去進行設置的，為數字陷波器的常規的操作的流程，因此不再贅述。

本發明的第二方面公開了一種功率變換器系統，包括：功率變換器，實現電能轉換；以及如第一方面所公開的反饋控制電路，與功率變換器連接，用於調節功率變換器的輸入或輸出。

具體而言，參見圖15，在功率變換器系統中，功率變換器的輸入/輸出經反饋控制電路調節後反饋至功率變換器，以控制該功率變換器。反饋控制電路控制的功率變換器可以是常規的兩電平逆變器，也可是多電平逆變器，例如三電平逆變器等等。圖15所示的功率變換器以三電平逆變器為例，該三電平逆變器為PWM型功率變換器。採樣網路對三電平逆變器的輸出進行採樣。在圖15中，三電平逆變器的輸出電流通過電流傳感器T1進行採樣，經採樣網路轉換為電壓信號，經過濾波網路(該濾波網路以第一實施例中的無源陷波單元為例，而不限於此)濾除該電壓信號中含有的 大量高頻紋波，得到逆變器實際輸出的電流平均值信號，作為逆變器的控制反饋量，經控制驅動電路控制逆變器。在本發明第二方面的其他實施例中，採樣網路的採樣對象也可以是電壓。一般情况而言，對於控制相對複雜的功率變換器系統，相應地，對功率變換器系統中反饋控制電路對功率變換器的控制精度相比之下會更為嚴格。因此，本發明第一方面所揭露的功率變換器的反饋控制電路應比較適合應用於對控制精度要求較高的功率變換器系統。

本發明第二方面所揭露的功率變換器系統可應用於有源電力濾波器、靜止無功發生器、不間斷電源系統、變頻器或開關電源等等，提高系統的控制精度。

此外，在上具體內容描述中，針對預設值頻率的紋波信號進行了濾除，然而本技術領域具有通常知識者均可瞭解，預設值頻率的數值範圍至少包括測量誤差。在實際電路中，由於元件受制作工藝的影響，並非為完全理想的元件，因此當預設值頻率為某一頻率時也並非完全是數學意義上的一個值，可能是接近這個值或者這個值及其這個值附近的頻率的信號。

上面以實施例對本發明進行了說明，但需要說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而並非是對本發明保護範圍的限制。儘管參照以上較佳實施例對本發明作了盡可能詳盡的說明，但本領域的技術人員應當理解，對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，仍然屬於本發明技術方案的實質和範圍。只要對本發明所做的任何改進或變型，均應屬於本發明申請專利範圍主張保護的範圍之內。

S1‧‧‧第一採樣信號

S2‧‧‧第二採樣信號

Claims (16)

1. 一種功率變換器的反饋控制電路，該功率變換器至少包括一開關器件，包括：採樣網路，對該功率變換器的輸入或輸出進行採樣，並輸出第一採樣信號；濾波網路，接收該第一採樣信號，輸出一第二採樣信號，該濾波網路在維持該第二採樣信號與該第一採樣信號的相位延時在預設範圍的同時，濾除該第一採樣信號中預設頻率的紋波信號，保留該第一採樣信號中預設頻率之外的信號；以及控制驅動電路，接收該第二採樣信號，並根據該第二採樣信號調節該控制驅動電路輸出至該開關器件的控制信號。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之反饋控制電路，其中該預設頻率的紋波信號為開關級頻率的紋波信號，或開關級頻率及接近開關級頻率的紋波信號。
3. 根據申請專利範圍第1項所述之反饋控制電路，其中該濾波網路為無源陷波單元。
4. 根據申請專利範圍第3項所述之反饋控制電路，其中該無源陷波單元包括N個並聯的陷波支路，其中N為大於等於1的自然數。
5. 根據申請專利範圍第4項所述之反饋控制電路，其中每個該陷波支路包括至少一陷波電感和至少一陷波電容，該陷波電感與該陷波電容串聯。
6. 根據申請專利範圍第1項所述之反饋控制電路，其中該濾波網路 為有源帶阻濾波器，該有源帶阻濾波器的阻帶頻寬覆蓋該預設頻率的紋波信號所在的範圍。
7. 根據申請專利範圍第6項所述之反饋控制電路，其中該有源帶阻濾波器包括低通濾波器、高通濾波器和信號處理電路，該低通濾波器和該高通濾波器對該第一採樣信號進行帶阻濾波後輸出至該信號處理電路，該信號處理電路輸出該第二採樣信號至該控制驅動電路。
8. 根據申請專利範圍第7項所述之反饋控制電路，其中該信號處理電路為運算放大器求和電路。
9. 根據申請專利範圍第1項所述之反饋控制電路，其中該濾波網路為數字陷波器，該數字陷波器包括數字帶阻濾波單元，該數字帶阻濾波單元的阻帶頻寬覆蓋該預設頻率紋波信號所在的範圍。
10. 根據申請專利範圍第9項所述之反饋控制電路，其中該數字陷波器為無限脈衝響應數字濾波器或有限脈衝響應數字濾波器。
11. 根據申請專利範圍第1項所述之反饋控制電路，其中該控制驅動電路包括PWM控制單元和驅動電路，該PWM控制單元接收該第二採樣信號，並在進行PWM調制後經該驅動電路反饋至該功率變換器。
12. 一種功率變換器系統，包括：功率變換器，至少包括一開關器件，實現電能轉換；以及根據申請專利範圍第1項至第11項的任一項所述之反饋控制電路，與該功率變換器連接，用於調節該功率變換器的輸入或輸出。
13. 根據申請專利範圍第12項所述之功率變換器系統，其中該功率變換器為PWM型功率變換器。
14. 根據申請專利範圍第12項所述之功率變換器系統，其中該功率變換器為逆變器。
15. 根據申請專利範圍第14項所述之功率變換器系統，其中該逆變器為多電平逆變器。
16. 根據申請專利範圍第12項所述之功率變換器系統，其中該功率變換器系統應用於有源電力濾波器或靜止無功發生器。