专利名称：采用dc母线变动的功率变换装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种功率变换装置和方法，特别是从DC连接产生多相AC输出的功率变换装置和方法。
背景技术：
不间断电源(UPS)普遍用于向提供关键功能的电子设备——例如计算机系统、电信系统和医疗设备——提供经调节的和/或备用的电源。在公用供电网停电或衰减的情况下，UPS典型地可从例如电池、发电机或燃料电池等后备电源提供AC电能。
某些UPS系统采用了从DC连接上的DC电压产生AC电压的结构。如图1所示，典型的传统双向变换UPS 100包含从例如公用电力网等AC电源10接收AC电能的整流器110，整流器110在DC连接115上产生DC电压。UPS 100还包含逆变器120，逆变器120由DC连接115上的DC电压产生施加到负载20上的AC输出。DC连接115典型地包含第一和第二母线，第一和第二母线上各自的电压典型地在AC输出的中性点的正侧和负侧被平衡。后备或附加电能可由例如电池等备用DC电源130通过DC连接提供。
图2示出了传统的“在线互动”UPS结构。在线互动UPS 200包含逆变器/充电器电路220，逆变器/充电器电路220被配置为耦合到AC电源10和负载20。当AC电源10停电或衰减时，逆变器/充电器电路220起到逆变器的作用，从通过DC连接215耦合到逆变器/充电器电路220的例如电池等备用DC电源230产生AC电压为负载20供电。当AC电源10处于正常状态时，逆变器/充电器电路220可起到整流器的作用，通过DC连接215向备用电源230提供充电电流。与图1所示的双向变换结构相类似，DC连接215典型地包含第一和第二母线，第一和第二母线各自的电压典型地在AC输出/输入中性点的正侧和负侧被平衡。
发明内容
根据本发明的某些实施例，功率变换装置——例如UPS——包含第一和第二DC电压母线以及多相DC至AC变换器电路，多相DC至AC变换器电路耦合到第一和第二DC电压母线并产生多相AC输出。该装置还包含控制电路，该控制电路与多相DC至AC变换器电路有效关联，并被配置为对与多相AC输出相关联的相分量中的关系做出响应地相对于参考电压对第一和第二DC电压母线的DC电压范围进行变动。举例而言，参考电压可以为对于多相AC输出的中性点电压，例如从这些相得出的合成中性点电压或实际中性点电压。
在某些实施例中，控制电路被配置为对多相AC输出的相电压做出响应地相对于参考电压对第一和第二DC电压母线的DC电压范围进行变动。在其他实施例中，控制电路可被配置为对相调制命令(例如调制计数)做出响应地相对于参考电压对第一和第二DC电压母线的DC电压范围进行变动，其中，由所述相调制命令产生多相AC输出。这类调制命令可以是相调节器输出，例如用于脉宽调制器的调节器的输出，其中，所述脉宽调制器驱动多相AC输出。根据本发明进一步的实施形态，多相DC至AC变换器电路包含驱动多相AC输出各相的各个半桥电路。控制电路提供半桥电路中至少一个的不连续调制。
在本发明更进一步的实施例中，该装置可包含AC至DC变换器电路，AC至DC变换器电路由AC输入在第一和第二DC电压母线之间产生DC电压。控制电路可对与AC输入及多相AC输出相关联的相分量中的关系做出响应地对第一和第二DC电压母线之间的DC电压范围进行变动。控制电路还可进一步对与AC输入及多相AC输出相关联的相分量中的关系做出响应地对第一和第二电压母线之间的DC电压进行调节。
在本发明的特定实施例中，控制电路在与AC输入和/或AC输出相关联的相分量中确定最大相电压和最小相电压，以便基于所确定的最大和最小相分量之间的差值来调节第一和第二DC电压母线之间的DC电压，并基于所确定的最大和最小值的相对大小、相对于参考电压对第一和第二DC电压母线之间的DC电压范围进行变动。控制电路可进一步调节第一和第二DC电压母线之间的DC电压，使得第一和第二DC电压母线之间电压的大小至少与所确定的最大和最小相分量之间差值的大小一样大。控制电路也可与最大和最小相分量的相对大小成比例地、相对于中性点电压保持第一和第二DC电压母线上的电压的相对大小。控制电路还可使第一和第二DC电压母线的电压与AC输出和/或AC输入的相电压极值所确定的包络一致。
在附加实施例中，DC至AC变换器电路包含逆变器电路，该逆变器电路对逆变器控制信号做出响应地将AC输出有选择地耦合至第一和第二DC电压母线。控制电路包含对与多相AC输出相关联的相分量中的关系做出响应地产生逆变器控制信号的控制电路。逆变器电路可对脉宽调制控制信号做出响应地将第一和第二DC电压母线有选择地耦合至AC输出，并且，控制电路可包含PWM计数发生器、零序偏置发生器以及PWM信号发生器。PWM计数发生器对电压参考信号做出响应地产生PWM计数。零序偏置发生器对与多相AC输出相关联的相分量中的关系做出响应地产生零序偏置。PWM信号发生器根据零序偏置对PWM计数进行偏置并由偏置后的PWM计数产生脉宽调制控制信号。
逆变器电路可包含对各自的脉宽调制控制信号做出响应地、将第一和第二DC电压母线有选择地耦合至AC输出各相的各个半桥电路。PWM计数发生器可对电压参考信号做出响应地为AC输出的各相产生各自的PWM计数，并且，PWM信号发生器可根据零序偏置对PWM计数进行偏置，并从各个偏置后的PWM计数产生各自的脉宽调制控制信号。脉宽调制控制信号可包含第一脉宽调制控制信号。控制电路可包含中性点桥式电路(neural bridge circuit)，该桥式电路对第二脉宽调制控制信号做出响应地将第一和第二DC电压母线有选择地耦合至中性点。PWM信号发生器可由偏置后的PWM计数产生第二脉宽调制控制信号。
根据本发明的某些实施例，在从包含第一和第二DC电压母线的DC连接上的DC电压产生多相AC输出的多相功率变换器中，对与多相AC输出相关联的相分量中的关系做出响应地相对于用于多相AC输出的参考电压对第一和第二DC电压母线之间的电压范围进行变动。可对多相AC输出的相电压中的关系做出响应地相对于参考电压变动第一和第二DC电压母线之间的电压范围。相分量可包含相调制命令，其中，由所述相调制命令产生多相AC输出。
图1为一原理图，其示出了传统的双向变换UPS；图2为一原理图，其示出了传统的在线互动UPS；图3为一原理图，其示出了根据本发明某些实施例的功率变换装置；图4为一原理图，其示出了根据本发明进一步的实施例的双向变换功率变换装置；图5为一原理图，其示出了根据本发明进一步的实施例的双向变换功率变换装置；图6为一流程图，其示出了在根据本发明某些实施例的功率变换装置中用于调节DC连接的典型运行；图7为一原理图，其示出了根据本发明进一步的实施例、用于功率变换装置的典型控制环结构；图8为一原理图，其示出了根据本发明进一步的实施例、用于功率变换装置的典型控制结构；图9A-9E为图表，其示出了与传统功率变换器的仿真运行形成对比的、根据本发明进一步的实施例的功率变换仿真运行；图10为一原理图，其示出了根据本发明进一步的实施例的典型UPS。
具体实施例方式
下面参照附图介绍本发明具体的典型实施例。然而，本发明可用许多不同的形式实施，且不应被认为限于这里给出的实施例，相反，给出这些实施例是为了使本公开更为彻底、完善并能向本领域技术人员充分传达本发明的范围。在附图中，同样的号码指的是同样的元件。应当明了，当元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，其可以直接连接或耦合到另一元件，也可存在中间元件。
图3-10包括框图、流程图和波形图，它们示出了根据本发明不同实施例的典型装置和方法。附图中的项目及其组合可采用一个或一个以上的电子电路进行实施，例如由诸如微处理器或微控制器等处理器控制的驱动电路和半桥电路等功率电子电路。还应当明了，图表中描述的运行及其组合通常可在一个或一个以上电子电路中实施，例如一个或一个以上的分立电子部件、一个或一个以上集成电路(IC)、一个或一个以上专用集成电路(ASIC)、专用电路模块以及计算机程序指令，所述计算机程序指令可由计算机或诸如微处理器或数字信号处理器(DSP)等其他数据处理装置执行以产生某种机构，使得在计算机或其他可编程数据处理装置上执行的指令能够建立起实施规定操作的电子电路或其它装置。所述计算机程序指令还可在一个或一个以上计算机或其他数据处理装置上执行，以引起一系列将由计算机或其他可编程装置执行的动作，以便产生由计算机实施的、包含规定运行在内的过程。因此，框图和流程图支持电子电路和执行规定运行以及用于执行规定运行的动作的其他装置。还应明了，方框表示电路系统的功能组，且即使示出的是分立的功能方框，同样的电路系统可用于实施分立方框的功能。
图3示出了根据本发明某些实施例的功率变换装置300。装置300具体包含DC电源310(例如电池、整流器或其他电源)，DC电源310在包含第一和第二DC电压母线315a、315b的DC连接上产生第一和第二DC电压V+、V-。装置300还包含多相DC至AC变换器电路，例如逆变器电路320。逆变器电路320由DC电压母线315a、315b上的DC电压V+、V-产生多相AC输出325。装置300还包含DC范围变动控制电路330，DC范围变动控制电路330相对于参考电压——例如AC输出325的中性点电压——对DC电压母线315a、315b上的电压V+、V-的范围进行变动。具体而言，DC范围变换控制电路330对AC输出325的相分量中的关系做出响应地变动DC电压母线315a、315b之间的电压范围。
应当明了，设备300可通过许多不同的方法实施和/或用在许多不同应用中。例如，图3所示的结构对双向变换和在线互动UPS的功率变换电路系统都适用。在这些应用中，用于DC范围变动控制电路的参考电压可以为例如实际负载中性点(“Y”形连接的输出结构)或由线间电压计算得出的“合成”中性点(“Δ”输出结构)，且DC范围变动控制电路330可用于关于中性点(实际或合成)对DC电压母线315a、315b所跨的电压范围进行变动。如同下面进一步介绍的那样，这种技术可用于提高变换效率和/或减小开关部件压力。
图4示出了双向变换结构的典型实施方式。如图4所示，根据本发明进一步的实施例的功率变换装置400包含整流器410形式的DC电源，整流器410由AC输入405(公用供电网)在包含第一和第二DC电压母线415a、415b的DC连接上产生第一和第二DC电压V+、V-。装置400还包含相对于中性点425b产生多相AC输出425a的多相逆变器420。逆变器420由DC范围变动控制电路430控制，DC范围转换控制电路430对AC输出425a的相电压中的关系做出响应地相对于中性点425b对母线415a、415b之间的电压范围V+、V-进行变动。如虚线所示以及如下面所详细讨论的那样，控制电路430可进一步对相分量407中的关系做出响应地控制由整流器410产生的DC母线电压V+、V-之间的差值，以便在DC电压母线415a、415b之间提供足够支持产生所希望的AC输出的DC电压差值。如同下面详细讨论的那样，对整流器的这种控制可以为对AC输入405和AC输出425a处的相电压中的关系做出响应的。
尽管图4示出了适用于双向变换UPS的变换器拓扑图，可以明了，本发明可适用于各种各样其他多相功率变换应用。例如，再次参照图3，在在线互动UPS应用中，DC电源310可以为电池和/或电池与DC-DC变换器的组合，而不是图4所示的整流器410。变换器320可包含多相整流器/逆变器电路，即在第一模式下对DC电源310产生的DC电压进行逆变以产生AC电压并在第二模式下对AC输出325处的AC电压进行整流以提供电池充电的电路。
图5示出了根据本发明某些实施例的三相双向变换型功率变换装置500。装置500包含多个绝缘栅双极晶体管(IGBT)半桥电路510a、510b与510c，它们由包含相Ain、Bin与Cin的三相AC输入501在第一和第二DC电压母线530a、530b上产生第一和第二DC电压。在控制电路550的控制下，各个半桥电路510a、510b与510c有选择地将相Ain、Bin与Cin中的各相通过各自的输入电感器LAin、LBin、LCin耦合到第一和第二DC电压母线530a与530b。装置500还包含附加的IGBT半桥电路520a、520b与520c，它们在控制电路550的控制下有选择地将AC输出502的各输出相Aout、Bout与Cout通过各自的输出电感器LAout、LBout、LCout耦合至第一和第二电压母线530a、530b。可提供附加的IGBT半桥电路540，以便将AC输出502的中性点有选择地耦合至第一和第二电压母线530a、530b。
控制电路550包含处理器552，其中，采用将处理器配置为提供对半桥电路510a、510b、510c、520a、520b、520c、540的控制的固件和/或软件来实施DC范围变动控制电路553。控制电路550运行半桥电路510a、510b、510c以调节第一和第二DC电压母线530a、530b之间的DC电压(V+-V-)，并控制半桥电路520a、520b、520c以及控制视情况可以具有的附加半桥电路540，以便对输入相Ain、Bin与Cin以及输出相Aout、Bout与Cout的相电压做出响应地相对于中性点N对电压范围V+至V-进行变动。能量存储由耦合至第一和第二电压母线530a、530b的电容器560提供。
由于桥式电路的IGBT中的二极管，正DC电压母线530a的最小瞬态电压近似为该瞬间输出相Aout、Bout与Cout或输入相Ain、Bin与Cin中任意一个的最大正电压。类似地，负DC母线530b上的最小瞬态负DC电压近似为输出相Aout、Bout与Cout或输入相Ain、Bin与Cin中任意一个的最小(即最负的)电压。因此，运行所需要的、第一和第二DC电压母线530a、530b之间的最小DC电压(V+-V-)至少和最大正相电压减去最大负相电压一样大。
处理器552优选为包含速度相对较高的数字控制处理器，例如数字信号处理器(DSP)控制器，其对DC母线530a、530b上的电压V+与V-、输入相Ain、Bin与Cin以及输出相Aout、Bout与Cout上的相电压、中性点N上的电压(用于参考)进行采样。控制电路550可采用该采样信息在AC输入501上产生线性且平衡的负载，并在输出502处提供基本无失真的三相电源。图5可看作7极机(如果不对中性点进行开关则为6极)，三个第一极(310a、310b、310c)形成由AC电压产生DC电压的整流器。本领域技术人员将会明了，本发明的某些实施例可被限于具有例如电池等传统DC电源的4极输出(320a、320b、320c)的运行。
本发明的某些实施例从这样一种实现中产生产生用于调节第一和第二DC电压母线530a、530b之间DC电压(V+-V-)的DC电压参考，并且产生用于调节AC输出502处的相电压的“零序”参考，以便相对于AC输出中性点提供对DC电压V+、V-所跨范围的调制或变动，这种调制或变动可改进变换效率和/或减小电压压力。参照图6，控制电压550可确定输入相Ain、Bin与Cin以及输出相Aout、Bout与Cout的相电压中的最大电压和最小相电压(例如瞬时或准瞬时电压)(方框610)。输出相Aout、Bout与Cout的相电压信息可通过直接对相电压采样(例如采用模拟至数字变换器)获得和/或采用用于产生输出相电压的参考电压向量获得。最小和最大相电压之间的差可用于产生电压参考，该电压参考用于调节DC母线之间DC电压(V+-V-)，也即使得该DC电压(V+-V-)的大小至少与最小和最大相电压之间的差的大小一样大(方框620、630)。可对这一DC电压差值进行峰值滤波(即随时间平均)。
最小和最大相电压的平均可用于产生零序(共模)参考，零序参考用于相对于中性点N调节直流母线电压V+与V-，也就是说，可将零序参考用作可以加到用于调节输出相Aout、Bout与Cout的其他参考向量上的参考向量(方框640、650)。在这种方式下，DC电压V+与V-的相对大小可基本保持为与最小和最大相电压的相对大小成比例。可以明了，零序参考可以使得多相变换器的一极不需要开关(不连续调制)。
图7示出了根据本发明某些实施例、将这样一种零序参考用在例如图5的变换器500的三相功率变换器中的典型方式。具体而言，变换器500可包含具有各自的PWM信号发生器电路732a、732b、732c的PWM信号发生器电路730，PWM信号发生器电路732a、732b、732c产生用于驱动各自的输出半桥电路520a、520b、520c的脉宽调制控制信号733a、733b、733c。PWM信号发生器电路732a、732b、732c接收来自计数发生器电路710的、各自的计数703a、703b、703c，计数发生器电路710对参考信号701做出响应地产生计数703a、703b、703c。举例而言，参考信号701可包含表示对于AC输出所希望的电压的正弦波参考，计数703a、703b、703c可表示用于产生所希望的输出电压的PWM开关持续时间(占空比)。
在PWM信号发生器732a、732b、732c中，根据零序偏置发生器720对零序参考信号702做出响应地产生的零序偏置725，对计数703a、703b、703c进行偏置。PWM信号发生器732a、732b、732c产生偏置后的计数731a、731b、731c，由偏置后的计数731a、731b、731c产生各自的脉宽调制控制信号733a、733b、733c。将这种偏置施加到A、B、C三相PWM电路中的每一个的最终结果是引入了零序分量，零序分量相对于负载侧的中性点(其可以为从线间电压得到的合成中性点或实际中性点)有效地调制了变换器300的DC电压母线330a、330b。
如图7进一步所示，如果存在实际中性点，也可将三相的偏置后的计数731a、731b、731c提供给中性点PWM信号发生器734。中性点PWM信号发生器734做出响应地产生用于驱动图5的中性点半桥电路540的脉宽调制控制信号735。具体而言，中性点PWM信号发生器734可计算三个偏置后的相计数731a、731b、731c的向量平均以产生中性点计数，由中性点计数可产生脉宽调制控制信号735。
图8示出了根据本发明进一步的实施例的功率变换装置的典型控制结构。该装置包含整流器810和由DC连接815连接并由控制电路830控制的多相逆变器820。如图所示，整流器810可包含例如IGBT半桥等开关部件以及用于为这些开关部件产生驱动信号的电路系统。
控制电路830包含对由整流器810所产生的DC输出电压进行控制的第一调节器831。具体而言，基于DC连接815上的电压，第一调节器831产生用于对整流器810进行控制的命令向量，例如，用于控制整流器以在DC连接815上提供所希望的电压的命令向量。向量定标器832将此命令向量定标到整流器810的控制空间(例如PWM计数范围)。向量修改确定器837确定零序(或共模)偏置。该偏置在向量修改器833中被施加到定标后的命令向量，以提供用于整流器810中PWM变换器的运行的、修改后的命令向量。
类似的结构被用于控制多相逆变器820。具体而言，控制电路830还包含第二调节器834，第二调节器834对DC连接815上的电压以及多相逆变器820的AC输出上的电压做出响应地产生命令向量。该命令向量由向量定标器835定标到PWM空间。向量修改确定器837确定向该定标后的命令向量施加的、合适的偏置，以获得对DC连接815的DC电压范围的、所希望的变动。该偏置在向量修改器836中被施加，以便提供用于多相逆变器820的、修改后的PWM命令向量。如果该整流器和逆变器共用共同参考，例如共同的中性点或地线，它们应当具有基本相同的零序。
可以明了，控制电路830中不同的方框可作为在例如基于DSP的微控制器等控制处理器上执行的软件对象、程序、模块等等进行实施。可以进一步明了的是，控制电路830的整流器侧，即调节器831、定标器832以及修改器833可用被设计为对连接815提供足够支持由控制电路830逆变器侧所引起的DC范围变动的电压跨度的、更为传统的整流器结构代替。
在本发明的某些实施例中，可对实际AC输出和输入做出响应地确定零序偏置。例如，沿上面介绍的线，可从输入和输出相电压的分析来确定偏置。例如，如图8中的短划线所示，向量修改确定器837可直接由相电压839确定零序偏置。或者，同样如图8中的短划线所示，可从向量定标器832、835所产生的向量来确定零序偏置，向量定标器832、835根据调节器831、834的作用对相电压做出响应地产生定标后的向量。尽管图8中的实施例示出了零序分量的闭环确定，在本发明进一步的实施例中，例如在非闭环应用中，可将在没有这种反馈含量的情况下产生的定标后的向量——例如作为对脉宽调制器的简单的开环命令的向量——用于产生零序偏置。
在本发明的某些特定实施例中，DC母线变动可通过完全在“调制域”中确定并施加零序偏置来完成。参照图8，例如，计数发生器可用于产生用于调制器的计数，该调制器控制整流器810以及逆变器820各相，也就是说，该调制器驱动用于整流器810和逆变器820各相的各个半桥电路。这种调制器可包含可逆计数器，该计数器连续运行以产生锯齿波的数字近似值，例如，计数器从0向上计到1000并接着从1000向下计到0，等等。数字控制器向调制器提供某个值(例如，介于0到1000之间的值)。当调制器中的计数器向上计到所提供的值时，调制器使半桥电路的第一晶体管(例如耦合到正DC母线的)关断且该半桥电路的第二晶体管(例如耦合到负DC母线的)开通。相反，当计数器向下计数并到达所提供的值时，调制器关断第二晶体管并开通第一晶体管。
作为示出如何在这种调制域中实施本发明实施例的实例，假设在例如UPS等功率变换器的正负DC母线间可获得DC 333伏，且控制器确定相对于中性点的相电压如表I所示表I
假设DC 333伏的空间对应于0到1000的调制计数空间，表I中的电压定标为表II中的计数值表II
可以注意到，表I中电压的平均值为零，表II中计数值的平均值为500，且尽管计数值中有两个落在0到1000的范围之外，但最大与最小计数值之间的差(895)落在计数范围内，即落在可获得的电压空间内。可将这些定标后的计数值而不是实际相电压用于根据本发明某些实施例确定零序偏置。
表II中最大与最小计数值的平均值为609，其与平均值500相差109。从表II中的值减去此差值得到表III中的值表III
可将这些值提供给用于整流器810和逆变器820的各个相调制器。可将500-109＝391的计数提供给中性点调制器，即对将正负DC母线有选择地耦合至中性点的半桥电路进行驱动的调制器。这种过程可对将新的值提供给调制器的每一实例重复进行。
通常，人们希望对DC母线电压进行调节，使其略高于所需要的绝对最小值，使得可以抵御瞬态和/或非线性干扰。因此，对于给定的实例，可以确定对应于AC波形周期的最大和最小计数值之间的平均差值为900。为了在调制空间中提供100的“净空(headroom)”，可命令DC调节器以在正负DC母线之间提供对应于计数1000的DC电压。
根据本发明进一步的实施例，这种调制技术可被修改为提供不连续的调制。在上一实例中，最大与最小计数值之间的差值为895，且最大与最小计数值的平均值为609。这导致了109的偏置，其为从所有相中减去的值。根据另外的实施例，可对该计数值进行偏置，使得值中有一个对应于最大计数(1000)，也就是说，对表1的每一计数值通过最大值(1057)超出1000的量(57)进行偏置，得到表IV中的值表IV
因此，对于给定的一组值，将一相连续地保持为DC电压母线中的一个，提供不连续的调制。相比于前面的方法，这可引起开关损耗的某些下降。
图9A示出了传统的、无变压器的480/277伏Y型到480/227Y型功率变换器的仿真电压波形，图9B-9E示出了根据本发明某些实施例在不同的输入及输出条件下的三相变换器的波形。如图9A所示，在输入到变换器的三相AC电压900a、900b、900c基本与被调节的输出电压(出于简化目的未示出)相同的条件下，相对于输出中性点，传统的变换器保持相对恒定的DC母线电压值。对于所示出的实例，正负DC母线之间的DC电压大约为784伏。
图9B示出了在输入到变换器的三相AC电压901a、901b、901c基本与被调节的输出电压(出于简化目的未示出)相同的条件下，即在图9A的输入/输出端口条件下，根据本发明实施例、沿图5中的变换器500的线所配置的、无变压器的480/277伏Y型到480/227Y型功率变换器的仿真电压波形。在这些条件下，相对于输出中性点(“0”伏轴)，根据本发明实施例的变换器对DC母线电压902a、902b进行调制，使得DC母线电压902a、902b之间的差值下降到680伏左右，并使DC母线电压902a、902b基本与输入/输出电压901a、901b、901c的正负极值所确定的包络一致。可以明了，如同这里所用的一样，与极值“一致”包含确切一致，也包含具有预先确定的余量或“净空”的一致。
图9C示出了对于根据本发明实施例的同一变换器的“高线”的仿真情况，其中，输入相电压911a、911b、911c大约高出输出相电压912a、912b、912c 20％。如图所示，正负DC电压913a、914a之间的差值增大到815伏左右，其仍然比典型的传统系统中的情况要小。图9D示出了输入相电压921a、921b、921c与输出相电压922a、922b、922c具有基本相同的大小但彼此之间在相位上被平移(60°左右)的情况。这导致正负DC母线电压923a、923b之间的差值大约为784伏。最后，图9E示出了对同样的变换器的这种情形输入相电压931a、931b、931c比输出相电压932a、932b、932c高出20％左右且在相位上平移60°左右，这导致正负DC母线电压933a与933b间的差值大约为862伏。
表V总结了图9B-9E所示本发明上述实施例的变换器与图9A的传统变换器之间的差值表V
最高的最小DC电压需求为在高线情况下。本实例所用的20％的高线可能仅为暂态条件，但根据本发明某些实施例的变换器在面对这些暂态时表现出改进的耐久性。根据本发明进一步的实施形态，相移情况下所需要的最小DC可通过在这种暂态条件期间降低输出电压来进一步减小。例如，在图9B-9E的典型变换器中，对于图9D和9E的情况，输出电压5％的降低可使最小DC母线电压下降约20伏，即分别为764和843伏。
图10示出了根据本发明其他实施例的典型双向变换UPS 1000。UPS1000包含AC输入1001和AC输出1002。UPS 1000进一步包含整流器电路1010，整流器电路1010耦合至AC输入端口1001，并如上面所介绍的那样对输入和输出端口1001、1002上的相电压1003做出响应地——例如，基于其最小和最大值——在第一和第二DC电压母线1015a、1015b上产生第一和第二DC电压V+、V-。UPS 1000还包含多相逆变器电路1020，多向逆变器电路1020耦合至DC电压母线1015a、1015b，并相对于输出端口1002的第二接线端1025b处的中性点在AC输出端口1002的第一接线端1025a上产生AC电压。UPS 1000还包含辅助DC电源1040，辅助DC电源1040耦合至DC电压母线1015a、1015b并向其供电。UPS 1000还包含DC母线调制器电路1030，DC母线调制器电路1030耦合至DC电压母线1015a、1015b，并对输入和输出端口1001、1002上的相电压做出响应地相对于中性点(其也可被联系到输入端口1001)对DC母线电压V+、V-进行调制。可以明了，DC母线调制器电路1030可沿着上面介绍的线运行。可以进一步明了的是，尽管在图10中被示为分立的功能方框，DC母线调制器电路1030在实际的实施方式中可包含与整流器电路1010和/或多相电路1020相同的部件，并可进一步包含用于有选择地将DC母线1015a、1015b连接至中性点以实现所希望的零序分量的部件，例如如图3所示的半桥电路340。还可明了，尽管图10示出了双向变换结构，本发明可同样适用于其他UPS结构，包括在线互动实施方式在内。
在附图和说明书中披露了本发明的典型实施例。尽管采用了具体的术语，但它们仅用于一般性及说明性意义，并非作为限制目的。本发明的范围由所附权利要求书限定。
权利要求
1.一种功率变换装置，其包含第一和第二DC电压母线；多相DC至AC变换器电路，该电路耦合至所述第一和第二DC电压母线并产生多相AC输出；以及控制电路，该电路与所述多相DC至AC变换器电路有效关联，并被配置为对与所述多相AC输出相关联的相分量中的关系做出响应地、相对于参考电压对所述第一和第二DC电压母线的DC电压范围进行变动。
2.根据权利要求1的装置，其中，所述参考电压包含对于所述多相AC输出的中性点电压。
3.根据权利要求2的装置，其中，所述AC输出包含中性点接线端，该中性点接线端被配置为被连接至负载，该负载被连接至所述AC输出，且其中，所述中性点电压包含所述中性点接线端处的电压。
4.根据权利要求2的装置，其中，所述中性点电压包含合成中性点电压。
5.根据权利要求1的装置，其中，所述控制电路被配置为对所述多相AC输出的相电压做出响应地、相对于所述参考电压对所述第一和第二DC电压母线的所述DC电压范围进行变动。
6.根据权利要求1的装置，其中，所述控制电路被配置为对由其产生所述多相AC输出的相调制命令做出响应地、相对于所述参考电压对所述第一和第二DC电压母线的所述DC电压范围进行变动。
7.根据权利要求6的装置，其中，所述相调制命令包含各个相调节器输出。
8.根据权利要求1的装置，其中，所述多相DC至AC变换器电路包含对所述多相AC输出的各个相进行驱动的各个半桥电路，且其中，所述控制电路提供所述半桥电路中至少一个的不连续调制。
9.根据权利要求1的装置，其进一步包含AC至DC变换器电路，该电路由AC输入在所述第一和第二DC电压母线之间产生DC电压。
10.根据权利要求9的装置，其中，所述控制电路对与所述AC输入和所述多相AC输出相关联的相分量中的关系做出响应地、对所述第一和第二DC电压母线之间的所述DC电压范围进行变动。
11.根据权利要求10的装置，其中，所述控制电路对与所述AC输入和所述多相AC输出相关联的所述相分量中的关系做出响应地、进一步对所述第一和第二DC电压母线之间的DC电压进行调节。
12.根据权利要求9的装置，其中，所述控制电路在与所述AC输入和/或所述AC输出相关联的所述相分量之中确定最大相分量和最小值，以便基于所述确定的最大相分量和所述确定的最小相分量之间的差值来调节所述第一和第二DC电压母线之间的所述DC电压，并基于所述确定的最大相分量和所述确定的最小相分量的相对大小来相对于所述参考电压对所述第一和第二DC电压母线之间的所述DC电压范围进行变动。
13.根据权利要求12的装置，其中，所述控制电路调节所述第一和第二DC电压母线之间的所述DC电压，使得所述第一和第二DC电压母线之间的所述电压的大小至少与所述确定的最大相分量和所述确定的最小相分量之间的所述差值的大小一样大。
14.根据权利要求12的装置，其中，所述控制电路与所述最大和最小相分量的相对大小成比例地相对于所述中性点电压保持所述第一和第二DC电压母线上的电压的相对大小。
15.根据权利要求12的装置，其中，所述控制电路使所述第一和第二DC电压母线的电压与由所述AC输入和/或所述AC输出的相电压极值所确定的包络一致。
16.根据权利要求1的装置其中，所述DC至AC变换器电路包含逆变器电路，该逆变器电路对逆变器控制信号做出响应地、将所述AC输出有选择地耦合至所述第一和第二DC电压母线；且其中，所述控制电路包含对与所述多相AC输出相关联的所述相分量中的所述关系做出响应地产生所述逆变器控制信号的控制电路。
17.根据权利要求16的装置其中，所述逆变器电路对脉宽调制控制信号做出响应地、将所述第一和第二DC电压母线有选择地耦合至所述AC输出；其中，所述控制电路包含PWM计数发生器，其对电压参考信号做出响应地产生PWM计数；零序偏置发生器，其对与所述多相AC输出相关联的所述相分量中的所述关系做出响应地产生零序偏置；以及PWM信号发生器，其根据所述零序偏置对所述PWM计数进行偏置并由所述偏置后的PWM计数产生所述脉宽调制控制信号。
18.根据权利要求17的装置其中，所述逆变器电路包含各个半桥电路，所述各个半桥电路对各自的脉宽调制控制信号做出响应地、将所述第一和第二DC电压母线有选择地耦合至所述AC输出的各个相；其中，所述PWM计数发生器对所述电压参考信号做出响应地、为所述AC输出的所述相中各自的一个产生各自的PWM计数；且其中，所述PWM信号发生器根据所述零序偏置对所述PWM计数进行偏置并由各个所述偏置后的PWM计数产生各自的所述脉宽调制控制信号。
19.根据权利要求17的装置，其中，所述脉宽调制控制信号包含第一脉宽调制控制信号，其中，所述控制电路包含中性点桥式电路，该桥式电路对第二脉宽调制控制信号做出响应地、将所述第一和第二DC电压母线有选择地耦合至所述中性点，且其中，所述PWM信号发生器由所述偏置后的PWM计数产生所述第二脉宽调制控制信号。
20.一种不间断电源(UPS)，其包含第一和第二DC电压母线；DC电源，其向所述第一和第二DC电压母线供电；多相DC至AC变换器电路，该电路耦合至所述第一和第二DC电压母线并产生多相AC输出；以及控制电路，该电路与所述多相DC至AC变换器电路有效关联，并被配置为对与所述多相AC输出相关联的相分量中的关系做出响应地、相对于参考电压对所述第一和第二DC电压母线的DC电压范围进行变动。
21.根据权利要求20的UPS，其中，所述参考电压包含对于所述多相AC输出的中性点电压。
22.根据权利要求21的UPS，其中，所述AC输出包含中性点接线端，该中性点接线端被配置为被连接至负载，该负载被连接至所述AC输出，且其中，所述中性点电压包含所述中性点接线端处的电压。
23.根据权利要求21的UPS，其中，所述中性点电压包含合成中性点电压。
24.根据权利要求20的UPS，其中，所述控制电路被配置为对所述多相AC输出的相电压做出响应地、相对于所述参考电压对所述第一和第二DC电压母线的所述DC电压范围进行变动。
25.根据权利要求20的UPS，其中，所述相分量包含由其产生所述多相AC输出的相调制命令。
26.根据权利要求25的UPS，其中，所述相调制命令包含各个相调节器输出。
27.根据权利要求20的UPS，其中，所述多相DC至AC变换器电路包含各个半桥电路，所述各个半桥电路对所述多相AC输出的各个相进行驱动，且其中，所述控制电路提供所述半桥电路中至少一个的不连续调制。
28.根据权利要求20的UPS，其中，所述DC电源包含AC至DC变换器电路，该电路作为由AC输入在所述第一和第二DC电压母线之间产生DC电压的主要电源；以及辅助DC电源，其由AC输入在所述第一和第二DC电压母线之间产生DC电压。
29.一种运行多相功率变换器的方法，该多相功率变换器由包含第一和第二DC电压母线的DC连接上的DC电压产生多相AC输出，该方法包含对与所述多相AC输出相关联的相分量中的关系做出响应地、相对于对所述多相AC输出的参考电压、对所述第一和第二DC电压母线之间的电压范围进行变动。
30.根据权利要求29的方法，其中，所述参考电压包含中性点电压。
31.根据权利要求30的方法，其中，所述中性点电压是对于接收所述多相AC输出的负载的合成中性点或接收所述多相AC输出的负载的中性点实际的电压中的一个。
32.根据权利要求29的方法，其中，变动电压范围包含对所述多相AC输出的相电压中的关系做出响应地、相对于所述参考电压对所述第一和第二DC电压母线间的所述DC电压范围进行变动。
33.根据权利要求29的方法，其中，所述相分量包含由其产生所述多相AC输出的相调制命令。
34.根据权利要求33的方法，其中，所述相调制命令包含各个相调节器输出。
35.根据权利要求29的方法，其中，变动电压范围包含对产生所述多相AC输出的多相DC至AC变换器电路中多个半桥电路中的至少一个不连续地进行调制。
36.根据权利要求29的方法，其中，变动电压范围包含确定最大相分量和最小相分量；以及基于所确定的最大相分量和所确定的最小相分量的相对大小来相对于所述中性点对所述第一和第二DC电压母线上的电压进行调节。
37.根据权利要求36的方法，其进一步包含基于所述确定的最大相分量和所述确定的最小相分量，调节所述第一和第二DC电压母线之间的电压差值。
38.根据权利要求29的方法，其中，变动电压范围包含对所述相分量中的所述关系做出响应地、产生对输出逆变器的PWM命令，其中，所述输出逆变器产生所述多相AC输出。
全文摘要
一种功率变换器装置，例如双向变换或在线互动式UPS，其包含第一和第二DC电压母线以及耦合到所述第一和第二DC电压母线、产生多相AC输出的多相DC至AC变换器电路。该装置进一步包含控制电路，该控制电路与所述多相DC至AC变换器电路相关联并被配置为对与所述多相AC输出相关联的相分量中的关系做出响应地、相对于参考电压对所述第一和第二DC电压母线的DC电压范围进行变动。这些分量可包含例如实际相电压或由其产生多相AC输出的调制命令(例如计数值)。参考电压可以为中性点电压，例如合成中性点电压或接收AC输出的负载的实际中性点电压。
文档编号H02M5/00GK1910809SQ200580002891
公开日2007年2月7日 申请日期2005年1月21日 优先权日2004年1月23日
发明者J·G·特蕾西, H-E·普菲策尔 申请人:伊顿动力品质公司