三相大功率ups的制作方法

专利名称：三相大功率ups的制作方法
三相大功率UPS
背景技术：
包括电压转换器的不间断电源(UPS)是许多诸如用于数据中心中的计算机和服务器的电源系统的电气系统的基本部件。UPS可以与许多包括单相连接和3相连接的典型的功率系统一起使用，以及可以与低功率系统(例如，家用计算机)和高功率系统(例如， 大的数据中心或处理设备)一起使用。高功率系统通常使用三相功率连接(例如，X、Y和 Z相)。三相UPS电压转换器通常被用于向三相负载提供三相AC功率，以将三相AC电压从一个电平转换成另一电平，以及在电源故障的情况下向负载提供三相电源。到三相UPS电压转换器的输入连接和输出连接通常是三个端子的连接或四个端子的连接，用于三相电源连接的每一相的一个连接和可选的中性连接。电池也通常被耦合到UPS电压转换器并被用于储存能量以在电源故障的情况下使用。典型的大功率(例如，超过100kV)UPS使用3X400V(在欧洲)或3X480V(在美国)的标称AC输入电压操作。无变压器的UPS可以用士450V的内部DC母线电压操作。在这样的配置中，包含在UPS中的组件由于与体积大的绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块的杂散电感相关的大的电压过冲被优选额定为至少1200V操作。然而，1200V组件的使用通常导致增加的传导损耗和切换损耗，从而降低效率。发明_既述根据一个方面，本发明的实施方式提供了功率转换器电路，其包括输入端、多条DC 母线、第一功率转换器和第二功率转换器，输入端包括多条输入线，每条输入线被配置成耦合到具有正弦波形的多相AC电源的一相；多条DC母线包括具有第一标称DC电压的第一正 DC母线、具有第二标称DC电压的第二正DC母线、具有第三标称DC电压的第一负DC母线和具有第四标称DC电压的第二负DC母线；第一功率转换器被耦合到输入端并被配置成在正弦波形的第一正区域和正弦波形的第一负区域期间从多相AC电源向多条DC母线供电；以及第二功率转换器被耦合到输入端并被配置成在正弦波形的第二正区域和正弦波形的第二负区域期间从多相AC电源向多条DC母线中的至少一些供电。根据一种实施方式，第一正区域包括在正弦波形的峰值正振幅的相位角周围的区域中的正弦波形的相位角，第一负区域包括在正弦波形的峰值负振幅的相位角周围的区域中的正弦波形的相位角，以及第二正区域和第二负区域包括在正弦波形的零交叉周围的区域中的正弦波形的相位角。根据另一方面，本发明的实施方式提供了一种从UPS提供AC输出功率的方法，UPS 包括多相AC输入端、多条DC母线、功率转换器电路，多条DC母线包括第一正DC母线、第二正DC母线、第一负DC母线和第二负DC母线，功率转换器电路包括第一功率转换器和第二功率转换器，每个功率转换器被耦合到AC输入端和多条DC母线中的至少一条。根据一些实施方式，所述方法包括以下步骤在从多相AC输入端提供的正弦波形的第一正区域期间和在正弦波形的第一负区域期间，从多相AC输入端向第一功率转换器的输入端供电以及从第一功率转换器的输出端向多条DC母线提供功率；在从正弦波形的第二正区域期间和在正弦波形的第二负区域期间，从多相AC输入端向第二功率转换器的输入端供电以及从第二功率转换器的输出端向多条DC母线中的至少一些提供功率；以及将从多条DC母线供应的功率转换成在UPS的AC输出端提供的AC输出功率。根据另外的方面，本发明的实施方式提供了一种从UPS提供AC输出功率的方法， UPS包括AC输入端、耦合到AC输入端的第一功率转换器、耦合到AC输入端的第二功率转换器、DC电源和DC母线。根据一些实施方式，所述方法包括以下步骤在UPS的第一工作状态，从AC输入端向第一功率转换器的输入端供电并从第一功率转换器的输出端向DC母线提供功率；在UPS的第一工作状态和UPS的第二工作状态中的每个状态，从AC输入端向第二功率转换器的输入端供电并从第二功率转换器的输出端向DC母线提供功率；在UPS的第二工作状态，从所述DC电源向第一功率转换器的输入端供电并从第一功率转换器的输出端向DC母线提供功率；以及在第一工作状态和第二工作状态的每个状态，将从DC母线供应的功率转换成在UPS的AC输出端提供的AC输出功率。本发明的多个方面可以提供以下功能中的一个或多个。可以向负载提供可靠的三相电源。相比现有技术可以减小三相UPS的物理尺寸。与现有技术相比可以提高效率。可以使用无变压器的电路将AC功率转换成DC功率、将DC功率转换成AC功率，以及将DC功率从第一电压转换成第二电压。相比现有技术可以减少IGBT切换损耗。当与现有技术相比时可以使用具有较低电压额定的组件。与现有技术相比可以减少热损耗。当与现有技术相比时，可以减少使用飞跨电容器和/或钳位二极管的要求。相比现有技术可以减小与UPS 一起使用的电池的电压。可以补偿由提供给三相UPS的输入端的电压和从三相UPS的输出端提取的功率的不匹配引起的不平衡的操作，而不使用变压器。在阅读了以下的图、详细描述和权利要求之后，将更充分地理解本发明的这些以及其他的功能和本发明本身。附图的简要描述附图不意图按比例绘制。在附图中，在多个图中图示的每个相同的或近似相同的组件由同样的数字表示。为了清楚的目的，可能没有在每个附图中标记出每个组件。在附
图中


图1是三相UPS的示意图2是AC/DC转换器的电路图3是表示提供给图2的AC/DC转换器的示例性的功率信号的图解；
图4A-4C是表示图2的AC/DC转换器中的开关的状态的图解；
图5是脉宽调制控制电路的电路图6是供图5的脉宽调制控制电路使用的示例性的控制信号的图7是DC/AC转换器的电路图8是表示示例性的AC和DC功率信号的图解；
图9A-9C是表示图8的DC/AC转换器中的开关的状态的图解；
图10是AC/AC转换器的电路图11是DC/DC转换器的电路图12是DC母线平衡器的电路图13是表示用于控制包括在图12的DC母线平衡器中的开关的示例性信号的图
解；
6
图14是从在图1中示出的三相UPS提供功率的过程的流程图；图15是根据另一实施方式的UPS的电路图；以及图16图示了对于在图15中图示的UPS的实施方式的负载分担的波形图。详细描述本发明不将其应用限制于在以下的描述中阐述的或在附图中图示的结构的细节和组件的布置。本发明能够具有其他的实施方式并能够以多种方式实践或实现。此外，本文所使用的措辞和术语是为了描述的目的而不应该被视为限制性的。本文使用的“包括 (including) ” “包括(comprising) ”或“具有” “包含(containing) ” “含有(involving)，， 及其变体意味着涵盖之后列出的项及其等同物以及其他的项。本发明的实施方式提供了用于向负载提供不间断的三相电源的技术。例如，无变压器的三相不间断电源包括AC/DC转换器(例如，功率因数校正模块)、DC/AC转换器(例如，逆变器)、DC/DC转换模块、多条DC母线和DC母线平衡器。AC/DC转换器从三相电源接收三相AC功率(例如，3X400V相-相或3X480V相-相)并将三相功率转换成DC功率 (例如，具有多个电压电平)。AC/DC转换器中的每一个接收三相功率连接的一相。在正常操作下(例如，当从三相电源接收到适宜的三相功率时)，在DC母线上出现的DC功率向DC/ AC转换器提供功率。而且，在正常操作期间，DC/DC转换器将在DC母线上出现的DC功率转换成用于给电池充电的电压。在其他时间(例如，当三相电源不足或不可用时)，DC功率被从电池提供给DC/AC转换器。DC/AC转换器将DC功率转换成三相AC功率(例如，DC/AC转换器中的每一个提供三相信号中的单个相)。由AC/DC转换器接收的电压和由DC/AC转换器提供的电压可以是相等的或不同的。在正常操作期间或其他情况下，DC母线平衡器通过在DC母线之间转移能量平衡在DC母线上出现的电压。其他的实施方式在本发明的范围之内。参考图1，UPS 5包括AC/AC模块10、20和30，DC/DC模块40，电池50，以及母线 60、61、62、63和64。AC/AC模块10包括经由母线60、61、62、63禾口 64耦合至Ij DC/AC转换器 12的AC/DC转换器11。AC/AC模块20包括经由母线60、61、62、63和64耦合到DC/AC转换器22的AC/DC转换器21。AC/AC模块30包括经由母线60、61、62、63和64耦合到DC/AC 转换器32的AC/DC转换器31。DC/DC模块40包括DC/DC转换器41和DC母线平衡器42。 DC/DC转换器41经由母线60、61、62、63和64耦合到DC母线平衡器42。AC/AC模块10、20 和30以及DC/DC模块40经由母线60、61、62、63和64互相连接。UPS 5被配置成从耦合到 UPS 5的三相馈电和/或从存储在电池50中的能量中的一个向负载(未示出)提供功率。AC/AC模块10、20和30中的每一个被配置成以第一 AC电压接收三相馈电中的一相(例如，X相、Y相或Z相)，以及经由输出端提供第二 AC电压。AC/DC转换器11包括输入端13和14 ；AC/DC转换器21包括输入端23和M ；以及AC/DC转换器31包括输入端33 和34。DC/AC转换器12包括输出端15和16 ；DC/AC转换器22包括输出端25和沈；以及 DC/AC转换器32包括输出端35和36。AC/AC模块10、20和30中的每一个被配置成耦合到三相馈电的一相和中性连接。例如，AC/DC转换器11的输入端13可以耦合到X相，AC/ DC转换器21的输入端23可以耦合到Y相，以及AC/DC转换器31的输入端33可以耦合到 Z相。输入端14、对和34被配置成耦合到三相馈电的中性连接(或地连接)。AC/AC模块 10,20和30中的每一个被配置成提供包括三相输出的一相的输出，尽管其他的配置是可能的。例如，输出端15可以被配置成提供X相输出，输出端25可以被配置成提供Y相输出， 以及35可以被配置成提供Z相输出。输出端16、26和36中的每一个被配置成耦合到负载的中性连接。AC/AC模块10、20和30中的每一个被配置成经由母线60、61、62、63和64分
担功率。DC-DC模块40可以从AC/AC模块10、20和/或30接收功率(即，当在充电状态时)和向AC/AC模块10、20和/或30提供功率(即，当在放电状态时)。DC/DC转换器41 被配置成经由连接43、44和45耦合到电池50。然而，连接44是可选的。尽管可以使用其他类型的电池，但电池50优选为铅酸蓄电池。DC/DC模块40被配置成当在输入端13、23和 33处出现所需的三相馈电时(即，充电状态)向电池50提供DC功率(从而为电池50充电)。同样，DC/DC模块40被配置成在输入端13、23和33处缺少所需的三相馈电时(即， 放电状态)使用来自电池50的能量向AC/AC模块10、20和30提供一个或多个DC电压。 DC/DC模块40正在运行的状态可以由被配置成监控例如三相AC输入的控制器(未示出) 控制。DC/DC转换器41被配置成在充电状态从AC/AC模块10、20和30接收DC电压组以及将DC电压组转换成由电池50所需的DC电池-充电电压。DC/DC转换器41还被配置成在放电状态期间以电池-充电电压从电池50接收DC功率，以及将其转换成DC电压组。DC/ DC转换器41被配置成在放电状态期间向AC/AC模块10、20和30提供DC电压组。DC/DC 转换器41经由母线60、61、62、63和64被耦合到DC母线平衡器42。DC母线平衡器42被配置成平衡在母线60、61、62、63和64上出现的电压，如在下面更详细地描述的。UPS 5被配置成确定在到AC/AC模块10、20和/或30的输入端上是否出现适宜的输入功率。UPS 5可以使用一种或多种方法和/或电路检测到AC/AC模块的输入端上的适宜的功率的存在。例如，UPS 5可以包括被配置成确定在输入端13、23和/或33上出现的 AC电压(如果有)是否处于所需电平的电路。UPS 5还可以包括被配置成监控DC/DC转换器电路41正工作在什么状态(例如，充电状态或放电状态)以及DC电压是否出现在母线 60、61、62、63和/或64上的电路。例如，如果DC/DC转换器41正工作在充电状态，以及母线60、61、62、63和/或64上的各自的DC电压下降到各自所需的电平以下，电路可以提供指示正被提供给AC/AC转换器11、21和31的AC电压已下降到所需电平以下的信号。其他的方法和/或电路可以被用于检测输入AC电压是否在所需电平以下。UPS 5还被配置成使其自身与三相馈电断开连接(例如，通过将开关(如以下所描述的)设置到断开位置)。脉宽调制(PWM)控制器被配置成控制UPS 5中的至少一些组件的运行。例如，不同的PWM控制器可以被用于AC/DC转换器11、21和31，DC/AC转换器12、22和32，DC/DC模块41，以及DC母线平衡器42，尽管其他的配置是可能的。例如，可以使用具有相同的物理配置但使用不同的控制信号的不同的PWM控制器，或可选地，可以使用具有不同的物理配置的PWM控制器。PWM控制器可以被配置成根据AC输入信号的频率和相位控制一部分开关的切换(例如，使用反馈环路)，或者可以根据所需的输出被设置(例如，向耦合到DC/AC 转换器12、22和32的负载提供所需频率和相位的功率)。参考图2，AC/DC转换器200 (例如，AC/DC转换器11、21和31的示例性实施方式) 包括二极管 205、215、225、235、245 和 255，开关 210、220、230、240、250 和 260，电容器 280， 以及电感器沘5。开关210、220、230、240、250和260是绝缘栅双极晶体管(IGBT)，尽管可以使用其他的开关。优选地，开关210、220、250和260具有600V的最大额定电压以及开关230和240具有1200V的最大额定电压，尽管其他的额定电压是可能的。输入端202被配置成耦合到例如三相馈电的一相(例如，X相)。耦合在输入端202和地连接之间是电容器 2800电感器观5的节点286也耦合到输入端202。耦合到电感器观5的节点7 的是二极管225的正极227、开关230的发射极232、二极管235的负极236和开关240的集电极Ml。 二极管225的负极2 耦合到开关230的集电极231。二极管235的正极237耦合到开关 240的发射极M2。负极226、集电极231、二极管205的正极207、开关210的发射极212、 二极管215的负极216和开关220的集电极221被耦合在一起。正极237、发射极M2、二极管M5的正极M7、开关250的发射极252、二极管255的负极256和开关沈0的集电极 261被耦合在一起。二极管205的负极206和开关210的集电极211被耦合到输出端沈5。 二极管215的正极217和开关220的发射极222被耦合到输出端沈6。二极管M5的负极 246和开关250的集电极251被耦合到输出端沈7。二极管255的正极257和开关沈0的发射极262被耦合到输出端268。开关210、220、230、240、250和260的栅极213、223、233、 243,253和263分别地每个被耦合到如下面将更详细地描述的脉宽调制控制器275。输出端沈5、沈6、267和268被配置成分别耦合到母线64、63、61和60。电感器285优选地具有 ΙΟΟμΗ的电感，尽管可以使用其他的电感(例如，取决于系统5的额定功率)。电容器优选地具有200 μ F的电容，尽管可以使用其他的电容(例如，取决于系统5的额定功率)。AC/DC转换器200被配置成从例如三相电源连接的一相接收AC功率以及经由输出端沈5、沈6、267和268提供多电平DC输出。例如，当AC/DC转换器200处于工作中且输入端202耦合到480VAC馈电时，AC/DC转换器200可以产生在输出端265和中性连接之间的大约+450VDC的电压(相对于馈电的中性连接)、在输出端266和中性连接之间的大约 +150VDC的电压、在输出端267和中性连接之间的大约_150VDC的电压和在输出端268和中性连接之间的大约-450VDC的电压。同样，AC/DC转换器200被配置成产生在输出端265和 266之间的(Vl)、在输出端266和267之间的卿以及在输出端267和268之间的(V3) 的大约300VDC的电压。优选地，在输出端265和268上产生的电压是输入电压的函数。在输出端265和 268上产生的电压优选地等于或大于在电容280两端的电压乘以V^的根)。在电容器280
两端的电压(即，相-中性电压)优选地实质上等于
(在输入端I2的电压)=(相-中性幢)(1)(如果中性连接可用)以及在电容器280两端的瞬时峰值电压在士(相-中性电压)(λ/ ))之间变化。优选地，AC/DC转换器200被配置成使得在输出端265上提供的电压大于在电容器280两端的正峰值瞬时电压以及在输出端268上提供的电压小于在电容器 280两端的负峰值瞬时电压。例如，假设在输入端202的输入为480V，相-中性电压近似为 277Vrms,以及在电容器280两端的瞬时峰值电压为大约392V。因此，在这个实施例中，AC/ DC转换器200被配置成使得输出端265输出大约392V的电压或更大的电压(例如，450V) 以及输出端268输出大约-392V的电压或更小的电压(例如，-450V)。增加在输出端265 和268上的电压输出的绝对值和在电容器280两端的峰值瞬时电压的绝对值之间的差异可以提高系统5的工作容限。
电容器沘0，电感器沘5，以及开关210、220、230、240、250和洸0的组合体被配置成作为升压转换器以及将提供给输入端202的AC信号转换成在电感器285的节点287处的四能级准方波(例如，如在图8中作为信号305示出的)。在节点287处的电压可以根据开关210、220、230、250、沈0的状态而变化(如下面更详细地描述的)。例如，当在输入端202 上出现的AC电压的瞬时值在等于节点265处的DC电压的第一电压电平(例如，450V，如由 AC/DC转换器200的配置所确定的)和等于节点266处的DC电压的第二电压电平(例如， 150V)之间时，在电感器观5的节点287处的方波在这些值(这里为450V和150V)之间切换；当在输入端202上出现的AC电压的瞬时值在等于节点沈6处的DC电压的第二电压电平和等于节点267处的DC电压的第三电压电平(例如，-150V)之间时，在电感器观5的节点287处的方波在这些值(例如，-150V和-150V)之间切换；以及当在输入端202上出现的AC电压的瞬时值在等于节点267处的DC电压的第三电压电平和等于节点268处的DC 电压的第四电压电平(例如，-450V)之间时，在电感器观5的节点287处的方波在这些值 (例如，-150V和-450V)之间切换。而且，电容器280和电感器观5的组合体被配置成作为低通滤波器。AC/DC转换器200被配置成通过切换开关210、220、230、240、250和260产生输出端沈5、沈6、267和268处的电压。开关被配置成由PWM控制器275驱动。PWM控制器275 被配置成根据AC/DC转换器200正工作于三种状态中的哪一个来控制开关210、220、230、 240,250和260。此外参考图3，AC/DC转换器200被配置成工作于三种状态。第一状态对应当由输入端202接收的输入电压高于由输出端265提供的电压的三分之一时(例如，如果峰值输入电压是士450VAC，那么第一状态对应当输入端高于150V时)。第二状态对应当由输入端202接收的输入在由输出端沈5提供的电压的三分之一和由输出端沈8提供的电压的三分之一之间(例如，150V和-150V)时。第三状态对应当由输入端202接收的输入低于由输出端268提供的电压的三分之一(例如，低于-150V)时。此外参考图4，PWM控制器 275被配置成使得在第一状态期间，开关230和250被设置成它们的导通(导电)状态，开关240和260被设置成它们的断开(非导电)状态，以及开关210和220在断开状态和导通状态之间切换(图4A)。PWM控制器275被配置成使得在第二状态期间，开关220和250 导通，开关210和沈0断开，以及开关230和240切换(图4B)。PWM控制器275被配置成使得在第三状态期间，开关220和240导通，开关210和230断开，以及开关250和260切换(图4C)。参考图5-6，PWM控制器275被配置成使用控制信号控制开关210、220、230、对0、 250和260。PWM控制器275包括比较器505,515和525，以及逻辑反相器510,520和530。 PWM控制器275被配置成引起AC/DC转换器200在本文所描述的状态中工作以便将输入的 AC信号转换成本文所描述的DC信号。比较器505的正输入端506被耦合到正弦波调制信号源(以接收信号60 ，以及比较器505的负输入端507被耦合到第一 PWM载波信号610。 比较器515的正输入端516被耦合到正弦波调制信号，以及比较器515的负输入端517被耦合到第二 PWM载波信号615。比较器525的正输入端5 被耦合到正弦波调制信号，以及比较器525的负输入端527被耦合到第三PWM信号620。比较器505的输出端508被耦合到开关210，以及经由逻辑反相器510耦合到开关220。比较器515的输出端518被耦合到开230以及经由逻辑反相器520耦合到开关M0。比较器525的输出端5 被耦合到开关250以及经由逻辑反相器530耦合到开关沈0。由PWM控制器275使用的控制信号被选择成实现所需的开关210、220、230、对0、 250和沈0的切换模式。信号605、610、615和620优选为例如由波形发生器产生的低电压信号。正弦波信号605是频率和相位大约等于提供给输入端202的馈电的频率和相位的正弦信号。正弦波信号605具有大约等于阈值625的峰值振幅，其可以是多种值，例如，IV。第一 PWM载波610、615和620是三角波，其具有实质上等于所需要的AC/DC转换器200的PWM 切换频率的频率，尽管其他的频率是可能的。AC/DC转换器200的PWM切换频率优选地被选作IGBT切换损耗和输入电感器和电容器(例如，电容器280和电感器观5)以及输出电感器和电容器的物理尺寸和成本之间的折中。PWM控制信号610的最大值大约等于阈值625 以及第一 PWM控制信号610的最小值大约等于阈值625的三分之一。PWM控制信号615的最大值大约等于阈值625的三分之一以及PWM控制信号615的最小值大约等于阈值625的负的三分之一。PWM控制信号620的最大值大约等于阈值625的负的三分之一以及PWM控制信号620的最小值大约等于阈值625的乘以-1。PWM控制器275被配置成使用正弦波调制信号605和PWM控制信号610、615和 620切换开关210,220,230,240,250和260。随着正弦波调制信号605变化，比较器505将对应正输入端505或负输入端507哪个较大而输出逻辑1或逻辑0。比较器505被配置成如果正输入端506大于负输入端507 (例如，正弦波调制信号605的电压大于PWM控制信号 610的电压)，则输出逻辑1。同样，比较器505被配置成如果正输入端506小于负输入端 507 (例如，正弦波调制信号605的电压小于PWM控制信号610的电压)，则输出逻辑0。虽然上面的论述专注于比较器505的工作，但比较器515和525的工作优选是类似的。优选地，PWM控制器275被配置成插入小的“死区”使得在任何给定的开关的断开和在另一开关上的导通之间稍有延迟(例如，防范不需要的开关对同时导通)。开关210、220、230、对0、 250和260被配置成使得逻辑1导通开关，而逻辑0断开开关，尽管反过来是可能的。PWM控制器275可以被配置成变化它控制的开关被切换的占空比。例如，使用信号 610、615、620和625，被重复转换的开关(例如，在第一状态中，开关210和220)的占空比被变化。比较指示开关210何时被导通和开关220何时被断开的区间630和635，区间630 大于区间635。再参考图2，将描述AC/DC转换器200的工作的实施例。AC/DC转换器200被配置成通过作为升压转换器向输出端沈5、沈6、267和268提供相应的DC电压。例如，在当开关 220导通且开关210断开的第一状态中，电感器285将储存能量。当开关220断开时，储存在电感器观5中的能量引起电流自由穿过二极管205。在当开关230导通且开关240断开的第二状态中，电感器285将储存能量。当开关230断开时，电感器285引起电流穿过二极管235。在第三状态中，当开关250导通且开关260断开时，电感器285将储存能量。当开关250断开时，储存在电感器观5中的能量引起电流自由穿过二极管255。参考图2和图7，DC/AC转换器700 (例如，DC/AC转换器的示例性实施方式是12、 22 和 32)包括二极管 705、715、725、735、745 和 755，开关 710、720、730、740、750 和 760，输入端 765、766、767 和 768，滤波器 770，以及输出端 702。开关 710、720、730、740、750 和 760 是IGBT，尽管可以使用其他的晶体管。输入端765、766、767和768被配置成从例如AC/DC 转换器200接收DC功率。耦合到输出端702的是二极管725的正极727、开关730的发射8/30 页
极732、二极管735的负极736和开关743的集电极741。二极管725的负极7 被耦合到开关730的集电极731。二极管735的正极737被耦合到开关740的发射极742。负极 726、集电极731、二极管705的正极707、开关710的发射极712、二极管715的负极716和开关720的集电极721被耦合在一起。正极737、发射极742、二极管745的正极747、开关 750的发射极752、二极管755的负极756和开关760的集电极761被耦合在一起。二极管 705的负极706和开关710的集电极711被耦合到输入端765。二极管715的正极717和开关720的发射极722被耦合到输入端766。二极管745的负极746和开关750的集电极 751被耦合到输入端767。二极管755的正极757和开关760的发射极762被耦合到输入端 768。开关 710、720、730、740、750 和 760 的基极 713、723、733、743、753 和 763 分别地每一个被耦合到如将在下面更详细地描述的脉宽调制控制器。开关730的发射极732、二极管 725的正极727、开关740的集电极741和二极管735的负极736(即，定义节点77 被耦合到滤波器770。滤波器770包括电感器785和电容器790。电感器785被耦合在节点772和输出端702之间。电容器790被耦合在输出端702和地之间。电感器785优选地具有100 μ H 的电感，尽管可以使用其他的电感(例如，取决于系统5的额定功率)。电容器790优选地具有200 μ F的电容，尽管可以使用其他的电容(例如，取决于系统5的额定功率)。
DC/AC转换器700被配置成从例如AC/DC转换器200接收DC功率，以及经由输出端702提供AC输出。例如，当DC/AC转换器700在工作中，且输入端765、766、767和768 分别被耦合到AC/DC转换器200的输出端沈5、沈6、267和沈8时，可以在输出端702上产生AC输出。DC/AC转换器700被配置成在输出端702上产生AC输出，AC输出的峰值电压 (例如，相对于中性连接)大约等于在输入端765上出现的电压(例如，在输出端702处的信号的正峰值电压)和在输入端768上出现的电压(例如，在输出端702处的信号的负峰值电压)。然而，可以产生其他的电压。 DC/AC转换器700可以被实现为电压控制DC/AC转换器或电流控制DC/AC转换器。 优选地，当使用电流控制操作DC/AC转换器700时，“外部”电压环路被用于保持所需的电压。例如，控制电路(未示出)可以被配置成监控电感器785中的电流流动以及监控在输出端702处出现的电压(例如，确定输出是否是正弦的)。控制电路可以被配置成基于所测量的电流值和电压值调整提供给开关710、720、730、740、750和760的PWM信号，以维持所需的输出电压。DC/AC转换器700可以被配置成用固定的或可变的PWM频率操作，如本文所描述的。DC/AC转换器700被配置成通过切换开关710、720、730、740、750和760将在输入端765、766、767和768出现的DC电压转换成AC输出电压。开关被配置成由PWM控制器 775驱动，PWM控制器775优选地被以与PWM控制器275类似的方式配置。提供给PWM控制器775的控制信号可以与提供给PWM控制器275的那些信号类似，尽管控制信号的频率和 /或振幅可以变化，以为耦合到输出端702的负载产生所需的输出。优选地，DC/AC转换器 700被配置成使得在线周期(例如，通过第一状态、第二状态和第三状态的周期)的任何给定的部分，六个开关710、720、730、740、750和760中的两个以互补的方式转换，而剩余的四个开关被持续断开或持续导通。此外参考图8，PWM控制器775可以引起DC/AC转换器700工作在三种状态中。第一状态对应在输出端702提供的电压输出高于在输入端765上提供的电压的三分之一的时
12间(例如，在输入端上的电压是450V，那么第一状态对应输出高于150V的时间)。第二状态对应在输出端702提供的输出在输入端765上提供的电压的三分之一和在输入端768提供的电压的三分之一之间(例如，-150V和150V)的时间。第三状态对应在输出端702提供的输出电压低于在输入端768上提供的电压的三分之一(例如，低于-150V)的时间。PWM控制器775被配置成使得在第一状态期间，开关730和750被导通，开关740和760被断开， 以及开关710和720被切换(见图9A)。PWM控制器775被配置成使得在第二状态期间，开关720和750被导通，开关710和760被断开，以及开关730和740被切换(见图9B)。PWM 控制器775被配置成使得在第三状态期间，开关720和740被导通，开关710和730被断开，以及开关750和760被切换(见图9C)。在第一状态中，开关710、720、730、740、750和 760的切换配置被配置成引起节点780处的方波电压，其在450V和150V之间变化，具有不同的占空比。例如，方波的占空比可以根据DC/AC转换器正工作于哪一状态的哪一部分变化(例如，当输出端的电压在第一状态中接近450V时，方波的占空比接近100%)。在第二状态中，开关710、720、730、740、750和760的切换配置被配置成引起节点780处的方波电压，其在150V和-150V之间变化，具有不同的占空比。在第三状态中，开关710、720、730、 740,750和760的切换配置被配置成引起节点780处的方波电压，其在-150V和-450V之间变化，具有不同的占空比。滤波器770被配置成将在节点772处提供的输出滤波成提供给输出端702的实施上的AC输出电压。滤波器770可以是L-C低通滤波器，尽管其他的滤波器配置是可能的。参考图10，AC/AC模块10包括AC/DC转换器200，DC/AC转换器700，电容器905、 910,915和920。输出端265,266,267和268被分别耦合到输入端765、766、767和768。电容器905被耦合在输出端265和输入端765之间的会合点与输出端266和输入端766的会合点之间。电容器910被耦合在输出端沈6和输入端766之间的会合点与中性连接之间。 电容器915被耦合在中性连接与输出端267和输入端767的会合点之间。电容器920被耦合在输出端267和输入端767的会合点与输出端268和输入端768的会合点之间。而且， 输出端265和输入端765的会合点被耦合到母线64。输出端266和输入端766的会合点被耦合到母线63。输出端267和输入端767的会合点被耦合到母线61。输出端268和输入端768的会合点被耦合到母线60。电容器905、910、915和920被配置成例如当提供给输入端202的功率信号的频率不同于由输出端702提供的信号频率时短时间地存储能量以及减小在母线60、61、62、63和 /或64上出现的波纹电流。AC/AC模块10被配置成在工作中在电容器905和920两端产生300V电势，以及在电容器910和915两端产生150V电势。参考图1和图11，DC/DC转换器1000 (例如，DC/DC转换器的示例性实施方式41) 被耦合到电池50并包括二极管1005、1015、1025和1035，开关1010、1020、1030和1040，电容器 1050、1055、1060、1065，电容器 1070 和 1075，以及电感器 1080 和 1085。开关 1010、 1020,1030和1040优选为IGBT，尽管可以使用其他的开关。优选地，二极管为快速或超快速反向恢复二极管(例如，如可以在系统5别处使用的)。二极管1005的负极1006被耦合到开关1010的集电极1011，以及还被耦合到节点1090。二极管1005的正极1007、开关 1010的发射极1012、二极管1015的负极1016和开关1020的集电极1021被耦合在一起。 二极管1015的正极1017和开关1020的发射极1022被耦合在一起，以及还被耦合到节点1091。电容器1050的正端子1051被耦合到节点1090以及电容器1050的负端子1052被耦合到节点1091。电容器1070和电感器1080被耦合在正极1007、发射极1012、负极1016 和集电极1021的会合点和节点1092之间。优选地，电感器1080被耦合到正极1007、发射极1012、负极1016和集电极1021的会合点，以及电容器1070被耦合到节点1092。电容器1055的正端子1056被耦合到节点1091，以及电容器1055的负端子1057被耦合到节点
1092。二极管1025的负极10 被耦合到开关1030的集电极1031，并被进一步耦合到节点1093。二极管1025的正极1027、开关1030的发射极1032、二极管1035的负极1036、 开关1040的集电极1041被耦合在一起。二极管1035的正极1037和开关1040的发射极 1042被耦合在一起，并被进一步耦合到节点1094。电容器1065的正端子1066被耦合到节点1093以及电容器1065的负端子1067被耦合到节点1094。电容器1075和电感器1085 被耦合在正极1027、发射极1032、负极1036以及集电极1041的会合点和节点1092之间。 优选地，电感器1085被耦合到正极1027、发射极1032、负极1036和集电极1041的会合点， 以及电容器1075被耦合到节点1092。电容器1060的正端子1061被耦合到节点1092，以及电容器1060的负端子1062被耦合到节点1093。节点1090、1091、1092、1093和1094被配置成分别耦合到母线64、63、62、61和60。开关被配置成耦合到PWM控制器1115。虽然电容器1050、1055、1060和1065已经在图中分配了不同的参考数字，但电容器1050、1055、 1060和1065可以分别是电容器905,910,915和920。DC/DC转换器1000被配置成向电池1095和1100提供功率以及从电池1095和 1100接收功率。电池1095和1100经由断路器1105和1110被耦合到DC/DC转换器1000。 电池1095的正端子1096经由断路器1105被耦合到电容器1070和电感器1080的会合点。 电池1095的负端子1097被耦合到电池1100的正端子1101。电池1100的负端子1102经由断路器1110被耦合到电容器1075和电感器1085的会合点。可选地，电池1095的负端子1097和电池1100的正端子1101被耦合到节点1092以减少电池断路器两端的最大电压。 优选地，电池1095和1100被配置成接收和提供在系统5的峰值电压(例如，在母线64上出现的电压)和系统5的峰值电压的三分之一(例如，在母线63上出现的电压)之间的电压。例如，电池1095和1100可以被配置成提供大约^8V。DC/DC转换器1000被配置成在两种状态——充电状态和放电状态中工作。在充电状态期间，DC/DC转换器1000作为升压转换器并从母线60、61、63和64接收第一 DC电压组，以及向电池1095和1110提供第一电平电压。在放电状态期间，DC/DC转换器1000接收第二电平DC功率并分别向母线60、61、63和64提供第二 DC电压。第一电压组和第二电压组可以实质上相等。第一 DC电压和第二 DC电压可以实质上相等。在充电状态期间，DC/ DC转换器1000积极地对电池1095和1100充电，和/或提供浮充(例如，维持完全充电的电池中的电荷)。开关1010、1020、1030和1040被配置成由PWM控制器1115控制。优选地，PWM控制器1115的配置与PWM控制器275类似，尽管其他的配置是可能的。优选地，开关1010和 1040被控制成以类似的方式切换(例如，开关1010和1040都在大约相同的时刻被导通) 以及开关1020和1030被控制成以类似的方式切换(例如，开关1020和1030都在大约相同的时刻被导通)。然而，如果负端子1097和正端子1101的会合点被耦合到节点1092，则开关1010、1020、1030和1040中的每一个可以被独立切换。PWM控制器1115被配置成通过变化开关1010的占空比变化电池1095的充电电压。同样，PWM控制器1115可以通过变化开关1040的占空比变化电池1100的充电电压。当DC/DC转换器1000在充电状态中工作时，PWM控制器1115通过重复地切换开关1010和1040同时保持开关1020和1030断开引起DC/DC转换器1000作为降压转换器工作。当开关1010和1040导通时，DC/DC转换器1000用在节点1090和1094处出现的电压对电感器1080和1085充电。当开关1010和1040断开时，扼电流(例如，由电感器1080 和1085放电所引起的)自由穿过二极管1015和1025。DC/DC转换器1000被配置成通过变化开关1010和1040被切换的占空比步降在节点1090和1094处出现的电压。例如，随着由PWM控制器1115提供的切换信号的占空比朝1增加，被提供给电池1095和1100的电压朝在节点1090和1094处出现的电压增加。电容器1070和1075被配置成通过滤除提供给电池1095和1110的信号的高频率成分减少波纹电流。当DC/DC转换器1000在放电状态中工作时，PWM控制器1115通过重复切换开关 1020和1030同时保持开关1010和1040断开引起DC/DC转换器1000作为降压转换器工作。 例如，DC/DC转换器1000从电池1095和1100向节点1090和1094提供步升电压，以及向节点1091和1093提供步降电压。当开关1020和1030导通时，电池1095和1100引起电感器1080和1085储存能量。当开关1020和1030断开时，储存在电感器1080和1085中的能量(以及由电池1095和1100提供的能量)被分别通过二极管1005和1035放电(例如，自由穿过)。DC/DC转换器1000被配置成通过变化开关1020和1030被切换的占空比将由电池1095和1100提供的电压步升成所需的电平。例如，随着由PWM控制器1115提供的切换信号的占空比朝1增加，在节点1090、1091、1093和1094处提供的电压增加。DC/DC 转换器1000还被配置成步降由电池1095和1100提供的电压以及向节点1091和1093提供步降的电压。DC/DC转换器1000被配置成以与以上描述的方式类似的方式向节点1091 和1093提供步降的电压。电容器1050、1055、1060和1065被配置成滤除节点1090、1091、 1093和1094上的信号的高频率成分。参考图1和图12，DC母线平衡器42的一实施例，这里为DC母线平衡器1200，包括电容器 1205、1210、1215、1220、1225 和 1230，开关 1235、1245、1255、1265、1275 和 1285，二极管 1240、1250、1260、1270、1280 和 1290，以及电感器 1295、1300 和 1305。电容器 1205 的正端子1206、开关1235的集电极1236和二极管1240的负极1241被耦合到节点1310。开关1235的发射极1237、二极管1240的正极1M2、开关1245的集电极1246和二极管1250 的负极1251被耦合在一起。开关1245的发射极1M7、二极管1250的正极1252、开关1255 的集电极1256和二极管1260的负极1261被耦合在一起并被进一步耦合到节点1311。开关1255的发射极1257、二极管1260的正极1沈2、开关1265的集电极1266和二极管1270 的负极1271被耦合在一起。开关1265的发射极1沈7、二极管1270的正极1272、开关1275 的集电极1276、二极管1280的负极1281被耦合在一起，并被进一步耦合到节点1313。开关1275的发射极1277、二极管1280的正极1观2、开关1285的集电极1286和二极管1290 的负极1291被耦合在一起。开关1285的发射极1287和二极管1290的正极1292被耦合在一起，并被进一步耦合到节点1314。电容器1205的正端子1206被耦合到节点1310以及电容器1205的负端子1207被耦合到节点1311。电容器1210的正端子1211被耦合到节点 1311以及电容器1210的负端子1212被耦合到节点1312。电容器1215的正端子1216被耦合到节点1312以及电容器1215的负端子1217被耦合到节点1313。电容器1220的正端子1221被耦合到节点1313以及电容器1220的负端子1222被耦合到节点1314。电容器 1225和电感器1295被串联耦合在二极管1240和1250的会合点和二极管1260和1270的会合点之间。电感器1300和电容器1230被耦合在二极管1260和1270的会合点和二极管 1280和1290的会合点之间。因此，电容器1225、电感器1四5、电感器1300和电容器1230 被串联耦合二极管1240和1250的会合点和二极管1280和1290之间。电感器1305被耦合在节点1312和二极管1260和1270的会合点之间。然而，电感器1305是可选的。例如，如果AC/DC转换器11、21和31被配置成控制从相应的正半周期和负半周期的AC输入提取的功率量。DC母线平衡器1200可以被配置成通过包括电感器1305来减少(以及可能消除) 使用AC/DC转换器11、21和31 (例如，为了平衡母线60、61、62、63和64)控制在AC输入上提取的功率的需求。1225和电感器1295的组合定义了谐振回路1320，以及电容器1230和电感器1300的组合定义了谐振回路1325。PWM控制器1315被耦合到开关12；35、1245、1255、1洸5、1275和1沘5中的每一个。 PWM控制器1315被优选地以与PWM控制器275类似的方式配置。例如，PWM控制器1315 包括多个比较器，每个比较器被配置成接收多个控制信号。控制信号被选择以便获得所需要的切换顺序(例如，如本文在DC母线平衡器42中所描述的)。PWM控制器1315被配置成提供优选具有恒定的频率和占空比的控制信号，尽管其他的配置是可能的。提供给开关 1235、1255和1275的控制信号优选实质上是相同的，以及提供给开关1M5U265和1285的控制信号优选实质上是相同的。控制信号优选具有大约50%的占空比，尽管其他的占空比是可能的。同时参考图13，PWM控制器1315被配置成在开关12；35、1对5、1255、1洸5、1275 和1285的切换之间插入“死区时间”以使被断开的开关在其他的开关被导通之前实质上是完全断开的。然而，死区时间的使用是可选的。PWM控制器1315被配置成提供控制信号以使开关1235、1245、1255、1265、1275和1285以大约等于谐振回路1320和1325的谐振频率的频率切换，尽管其他的频率是可能的。DC母线平衡器1200被配置成通过适当地将存储在电容器1205、1210、1215和 1220中的能量移动到母线64、63、61和60上来平衡和维持母线60、61、62、63和64上所需的电压。开关12；35、1对5、1255、1洸5、1275和1285被配置成由PWM控制器1315切换。P丽控制器1315被配置成控制开关为第一状态和第二状态。在第一状态中，开关1235、1255和 1275导通而开关1M5、1265和1285断开。在第二状态中，开关1235、1255和1265断开而开关1M5、1265和1285导通。由于这些开关状态，在DC母线平衡器1200内的电压如在表 1中所示交替。
权利要求
1.一种功率转换器电路，包括输入端，其包括多条输入线，每条输入线被配置成耦合到多相AC电源的具有正弦波形的一相；多条DC母线，其包括具有第一标称DC电压的第一正DC母线、具有第二标称DC电压的第二正DC母线、具有第三标称DC电压的第一负DC母线和具有第四标称DC电压的第二负 DC母线；第一功率转换器，其被耦合到所述输入端并被配置成在所述正弦波形的第一正区域和所述正弦波形的第一负区域期间从所述多相AC电源向所述多条DC母线供电；以及第二功率转换器，其被耦合到所述输入端并被配置成在所述正弦波形的第二正区域和所述正弦波形的第二负区域期间从所述多相AC电源向所述多条DC母线中的至少一些供 H1^ ο
2.如权利要求1所述的功率转换器电路，其中所述第一正区域和所述第二正区域包括所述正弦波形的不同区域，以及其中所述第一负区域和所述第二负区域包括所述正弦波形的不同区域。
3.如权利要求1所述的功率转换器电路，其中所述第一功率转换器包括正升压电路和负升压电路，其中所述正升压电路被耦合到每条所述输入线并被配置成在所述多相AC功率信号的每一相的正弦波形的所述第一正区域期间提取电流，以及其中所述负升压电路被耦合到每条所述输入线并被配置成在所述多相AC功率信号的每一相的正弦波形的所述第一负区域期间提取电流。
4.如权利要求3所述的功率转换器电路，其中所述第二功率转换器包括多个正升压电路和多个负升压电路，其中所述第二功率转换器被配置成在所述第二正区域期间使用所述多个正升压电路中的每一个提取电流以从所述多相AC电源的不同的一条所述输入线提取电流，以及其中所述第二功率转换器被配置成在所述第二负区域期间使用所述多个负升压电路中的每一个提取电流以从所述多相AC电源的不同的一条所述输入线提取电流。
5.如权利要求1所述的功率转换器电路，其中所述功率转换器电路被控制以使在所述输入端由所述功率转换器电路提取的电流总和在所述正弦波形的所有相位角提供实质上为正弦的电流。
6.如权利要求1所述的功率转换器电路，其中所述第一正区域包括在所述正弦波形的峰值正振幅的相位角周围的区域中的所述正弦波形的相位角，其中所述第一负区域包括在所述正弦波形的峰值负振幅的相位角周围的区域中的所述正弦波形的相位角，以及其中所述第二正区域和所述第二负区域包括在所述正弦波形的零交叉周围的区域中的所述正弦波形的相位角。
7.如权利要求1所述的功率转换器电路，其中所述第二功率转换器被配置成至少对于在所述正弦波形的每个零交叉周围士30度的范围中的相位角将从所述多相AC电源提取的功率供应给所述多条DC母线中的至少一些。
8.如权利要求1所述的功率转换器电路，还包括耦合到所述输入端的整流器，所述整流器包括耦合到所述第一功率转换器的输入端的输出端。
9.如权利要求8所述的功率转换器电路，还包括第一开关和第二开关，所述第一开关被配置成使所述整流器与所述多相AC电源的每一相电气隔离，所述第二开关被配置成使所述第二功率转换器与所述多相AC电源的每一相电气隔离。
10.一种从UPS提供AC输出功率的方法，所述UPS包括多相AC输入端、多条DC母线、 功率转换器电路，所述多条DC母线包括第一正DC母线、第二正DC母线、第一负DC母线和第二负DC母线，所述功率转换器电路包括第一功率转换器和第二功率转换器，每个功率转换器被耦合到所述AC输入端和所述多条DC母线中的至少一条，所述方法包括以下步骤在从所述多相AC输入端提供的正弦波形的第一正区域期间和在所述正弦波形的第一负区域期间，从所述多相AC输入端向所述第一功率转换器的输入端供电以及从所述第一功率转换器的输出端向所述多条DC母线提供功率；在所述正弦波形的第二正区域期间和在所述正弦波形的第二负区域期间，从所述多相 AC输入端向所述第二功率转换器的输入端供电以及从所述第二功率转换器的输出端向所述多条DC母线的至少一些提供功率；以及将从所述多条DC母线供应的功率转换成在所述UPS的AC输出端提供的AC输出功率。
11.如权利要求10所述的方法，还包括步骤对于在所述正弦波形的峰值正振幅的相位角周围的区域中和在所述正弦波形的峰值负振幅的相位角周围的区域中的所述正弦波形的相位角，从所述第一功率转换器的输出端向所述多条DC母线提供功率。
12.如权利要求11所述的方法，还包括步骤对于在所述正弦波形的零交叉周围的区域中的所述正弦波形的相位角，从所述第二功率转换器的输出端向所述多条DC母线中的至少一些提供功率。
13.如权利要求10所述的方法，还包括步骤操作所述第一功率转换器和所述第二功率转换器以使在所述AC输入端提取的电流总和在所述正弦波形的所有相位角提供实质上为正弦的电流。
14.如权利要求10所述的方法，还包括以下步骤产生表示所述UPS的正弦输入电流的波形；对于在表示所述正弦输入电流的所述波形的零交叉的附近中的相位角，产生关于由所述第二功率转换器提取的电流的大小的第一参考波形；通过组合所述第一参考波形和表示所述正弦输入电流的所述波形产生第一电流参考信号，其中所述第一电流参考信号在控制所述第二功率转换器的操作时采用；以及通过组合所述第一电流参考信号和表示所述正弦输入电流的所述波形产生第二电流参考信号以控制所述第一功率转换器的操作。
15.一种从UPS提供AC输出功率的方法，所述UPS包括AC输入端、耦合到所述AC输入端的第一功率转换器、耦合到所述AC输入端的第二功率转换器、DC电源和DC母线，所述方法包括以下步骤在所述UPS的第一工作状态，从所述AC输入端向所述第一功率转换器的输入端供电并从所述第一功率转换器的输出端向所述DC母线提供功率；在所述UPS的所述第一工作状态和所述UPS的第二工作状态的每个状态，从所述AC输入端向所述第二功率转换器的输入端供电并从所述第二功率转换器的输出端向所述DC母线提供功率；在所述UPS的所述第二工作状态，从所述DC电源向所述第一功率转换器的所述输入端供电并从所述第一功率转换器的输出端向所述DC母线提供功率；以及在所述第一工作状态和所述第二工作状态的每个状态，将从所述DC母线供应的功率转换成在所述UPS的AC输出端提供的AC输出功率。
16.如权利要求15所述的方法，还包括步骤在所述UPS的所述第一工作状态，从所述 DC母线向所述DC电源供电以对所述DC电源充电。
17.如权利要求16所述的方法，还包括步骤从所述第一功率转换器的输出端向包括在所述DC母线中的多条DC母线供电，所述DC母线包括具有第一标称DC电压的第一正DC 母线、具有第二标称DC电压的第二正DC母线、具有第三标称DC电压的第一负DC母线和具有第四标称DC电压的第二负DC母线。
18.如权利要求17所述的方法，还包括步骤在所述第二工作状态，从所述DC电源供应输送给所述AC输出端的大部分功率。
19.如权利要求18所述的方法，还包括步骤在从所述第二工作状态向所述第一工作状态过渡期间，从所述第二功率转换器的输出端供应输送给所述AC输出端的大部分功率。
20.如权利要求15所述的方法，其中从所述AC输入端供电的步骤包括从多相AC输入端的每一相供电。
全文摘要
根据一个方面，本发明的实施方式提供了功率转换器电路，其包括输入端、多条DC母线、第一功率转换器和第二功率转换器，输入端包括多条输入线，每条输入线被配置成耦合到具有正弦波形的多相AC电源的一相；多条DC母线包括具有第一标称DC电压的第一正DC母线、具有第二标称DC电压的第二正DC母线、具有第三标称DC电压的第一负DC母线和具有第四标称DC电压的第二负DC母线；第一功率转换器被耦合到输入端并被配置成在正弦波形的第一正区域和正弦波形的第一负区域期间从多相AC电源向多条DC母线供电；以及第二功率转换器被耦合到输入端并被配置成在正弦波形的第二正区域和正弦波形的第二负区域期间从多相AC电源向多条DC母线中的至少一些供电。
文档编号H02J9/06GK102577068SQ201080045420
公开日2012年7月11日 申请日期2010年8月16日 优先权日2009年8月20日
发明者翰宁·R·尼尔森 申请人:美国能量变换公司