专利名称：使用具有交错运行的中性点耦合电路的电力转换器设备和方法
技术领域：
本发明涉及电力转换设备和方法，特别涉及逆变器设备及其运行方法。
背景技术：
逆变器用在多种不同的电力系统应用中，包括不间断电源(UPS)、 电力调节器以l良电机/市电网接口。在典型的在线式UPS中，例如，整 流器可被用于从市电电源等AC源向DC母线提供电力，电池可净皮耦合到 DC母线，以便在AC源故障时向DC母线提供辅助电力。耦合到DC母线 的输出逆变器可用于产生AC电力。其他类型的UPS可不使用输入整流器， 但可包含类似的耦合到DC母线的输出逆变器，DC母线沿着类似的思路 由后备电池供电。
已经开发出多种技术来改进逆变器设备的性能。例如，授予Tracy等 人的美国专利No. 7,088,601介绍了一种电力转换器设备，例如在线式或线 路交互式UPS,其包含耦合到第一与第二 DC母线的DC/AC转换器。使 用被配置为有选择地将DC母线耦合到中性点的半桥电路，相对于输出中 性点移动DC母线之间的电压范围。这样的中性点耦合技术可用于减小开 关损耗和部件应力。授予West的美国专利No.7，046,527介绍了一种用于 将分布式能量系统(例如光电阵列、燃料电池、风力涡轮机等)连接到市 电网的逆变器，逆变器包含多个高频开关元件，其以同步、时间偏斜 (time-skewed)的布置运4亍，以l更提供紋波电流的可能的减小。
发明内容
在本发明的某些实施例中，电力转换器设备包含逆变器，其具有被耦 合到第一 DC母线以及第二 DC母线的输入，并被配置为在其相输出端子
6上相对于中性端子产生AC输出。该设备还包含第一与第二中性点耦合 电路，其各自被配置为有选择地将第一 DC母线和第二 DC母线耦合到中 性端子；控制电路，其被配置为产生中性点耦合电路的交错(interleaved) 运行。
根据其他的实施例，控制电路包含脉宽调制电路，其被配置为产生 包含一系列脉沖的脉冲串信号，脉冲具有响应于控制变量变化的宽度；驱 动电路，其被配置为响应于脉冲串信号的相应的交错脉沖组驱动中性耦合 电路中的相应各个。脉冲串信号可以为第一脉冲串信号，驱动电路可包含 脉冲分离电路，其被配置为产生包含与交错脉沖组的相应各个对应的相应
脉冲串的第二与第三脉沖串信号；相应的第一与第二驱动电路，其响应于 第二与第三脉冲串信号的相应各个对中性点耦合电路的相应各个进行驱
动。第一脉沖串信号的频率可以是第二以及第三脉冲串信号的频率的两倍 或更多倍。第二以及第三脉冲串信号的脉冲可具有第一脉冲串信号的对应 脉沖的脉沖宽度的整数倍的脉冲宽度。
在本发明的其他实施例中，UPS包含相输出端子、中性端子、第一 DC母线以及第二 DC母线。共模电感器具有耦合到第一 DC母线和第二 DC母线中的一个的第一端子以及被配置为耦合到电池的第二端子。滤波 器电容器被耦合在共模电感器的第二端子与中性端子之间。逆变器被耦合 到第一 DC母线和第二 DC母线，并被配置为在相输出端子上相对于中性 端子产生AC输出。第一与第二中性点耦合电路并联耦合在第一 DC母线 与第二 DC母线之间，并各自被配置为有选择地将第一 DC母线以及第二 DC母线耦合到中性端子。控制电,供中性点耦合电路的交错运行。控 制电路可被配置为控制中性点耦合电路，以便使得第一 DC母线与第二 DC 母线之间的电压范围相对于中性端子移动。逆变器可包含笫一与第二并联 连接的相耦合电路，其被配置为以交错方式有选择地将第一 DC母线与第 二 DC母线耦合到相输出端子。
本发明的某些实施例提供了运行电力转换设备的方法，该设备包含逆 变器，逆变器被耦合到第一与第二 DC母线并被配置为在相输出端子上相
7对于中性端子产生AC输出。提供第 配置为有选择地将第一 DC母线与第 第二中性点耦合电路的运行是交错的
性端子产生AC电压。
一与第二中性点耦合电路，其各自被 二DC母线耦合到中性端子。第一与 ，同时，运行逆变器，以便相对于中
图1为一原理图，其示出了才艮据本发明某些实施例的UPS; 图2为一原理图，其示出了根据本发明进一步的实施例的UPS; 图3为一原理图，其示出了根据本发明某些实施例的中性点耦合控制 电路；
图4为一定时图，其示出了才艮据本发明进一步的实施例的图3的控制 电路的示例性运行；以及
图5为一原理图，其示出了才艮据本发明更进一步的实施例的UPS的部
具体实施例方式
现在将参照附图介绍本发明的具体示例性实施例。然而，本发明可以 以多种不同的形式实现，不应看作限制在这里所述的实施例，相反，提供 这些实施例以便使本公开彻底且完整，并向本领域技术人员充分传达本发 明的范围。在附图中，类似的号码表示类似的元件。将会明了，当一元件 被称为被"连接"或"耦合"到另一元件时，其可被直接连接或耦合到另 一元件，或者可能存在中间的元件。这里所用的术语"和/或"包括一个或 一个以上的相关所列项的任何以及全部组合。
这里所用的术语仅仅出于说明特定实施例的目的，不是为了本发明进 行限制。这里所用的单数形式"一"、"一个"、"该"也包括复数形式， 除非明确地另有说明。还将明了，术语"包括，，、"包含"、"含有"、 和/或"具有"在用在本说明书中时，说明所述结构元件、整体、步骤、操 作、元素和/或部件的存在，但不排除存在或附加了一个或一个以上的其他结构元件、整体、步骤、操作、元素、部件和/或其组合。
除非另有限定，这里所用的所有术语(包括净支术和科学术语)具有与 本发明所属领域普通技术人员通常理解的相同的含义。还应明了，常用字 典中定义的术语应当解释为具有与其在本说明书以及相关技术背景下的含 义一致的含义，不应以理想化或过于拘泥字面的形式解释，除非这里明确 地这样限定。
本领域技术人员将会明了，本发明可被实现为系统和方法。本发明的 某些实施例可包括软件和/或硬件。本发明的某些实施例包含电路，其被配 置为提供这里介绍的功能。将会明了，这些电路可包含模拟电路、数字电 路以及模拟与数字电路的组合。
图1示出了根据本发明某些实施例的电源设备。具体而言，图1示出
了在线式UPS，其包含在这里被示为耦合到整流器110的输出的第一与第 二DC母线115a、 116b，整流器110被配置为在相输入端子VA、 VB、 VC 上接收来自AC电源的电力。UPS还包含逆变器120,其被耦合到DC母 线115a、 115b并被配置为在相输出端子VA，、 VB，、 VC，上相对于中性端 子N产生AC输出。电池转换器电路130被耦合到DC母线115a、 115b， 并,皮配置为从电池170向DC母线115a、 115传送电力以及从DC母线115a、 115传送电力。
如进一步示出的，UPS包含中性点耦合电路144,其耦合在DC母线 115a、115b之间，并被配置为经由相应的电感器146将DC母线115a、115b 有选择地耦合到中性端子N。中性点耦合电路144可用于控制DC母线 115a、 115b以及中性端子N之间的关系。例如，中性点耦合电路144的占 空比可被改变以便相对于中性端子N移动DC母线115a、 115b，使得可在 相应的DC母线115a、 115b相对于中性端子N的电压之间产生不对称。 对于例如在前面提到的授予Tracy等人的美国专利No.7，088，601——其整 体并入此处作为参考一一中所介绍的逆变器120，这样的技术可用于实现 增大的电力转换效率和减小的部件应力。
在所示出的实施例中，电池170被相应的共模电感器150a、 150b耦合
9到DC母线115a、 115b，而相应的滤波器电容器160a、 160c将电池170 的端子AC耦合到地节点。根据本发明某些实施例，共模电感器150a、 150b 可用于限制可能在DC母线115a、 115b与电池170之间感应的相对较高频 率的电流，其由于中性点耦合电路144的开关操作产生。这与滤波器电容 器160a、 160b结合可减小电池170的端子上的电压漂移。
根据本发明进一步的实施形态，性能可进一步通过提供交错中性点耦 合控制电路142来改进，该电路被配置为以交错方式运行中性点耦合电路 144，例如，控制电路142可产生中性点耦合电路144的互补开关装置对， 以便以交替的模式开关。这样的交错开关可减小经过共模电感器160a、 160b的电流，因此，可允许使用较小的电感器。另外，这些电流的减小可 进一步减小电池170的端子上的电压漂移，这可使得相对较小的滤波器电 容器160a、 160b的使用成为可能。例如，这样的技术可允许对于电池170 使用地基准电池监视电路。这样的布置也可支持对于多个UPS使用共用电 池连接。例如，电池170可以以类似的方式连接到具有图1所示无变压器 拓朴的多个UPS，而不会有多个UPS的不同步运行，不同步运行导致由于 UPS开关装置运行所产生不同步电压漂移导致的过大的循环电流的产生。 这在大型或模块化UPS应用中特别有利。
图2示出了根据本发明进一步的实施例的逆变器210、中性点耦合电 路230、电池转换器电路220的示例性实现。逆变器包^l合在第一与第 二DC母线215a、 215b之间的多个半桥电路。各个半桥包含具有相关联的 二极管的绝攀嫩型双极型晶体管(IGBT)的互补对。半桥电路以并联对布 置，即半桥的相应对被耦合到相应的相输出端子A、 B、 C,半桥的相应各 个被相应的电感器Lla、 Llb、 L2a、 L2b、 L3a、 L3b耦合到相输出端子。
中性点耦合电路230和电池转换器电路220被类似地布置。中性点耦 合电路230包含并联连接的半桥，其经由相应的电感器L4a、 L4b被耦合 到接地中性输出端子N。电池转换器电路220包含并联连接的半桥电路， 其被耦合到相应的电感器L5a、 L5b。电感器L5a、 L5b共同耦合到第一共 模电感器250a,第一共模电感器250a也被耦合到电池270的正端子。电池270的负端子被第二共模电感器250b耦合到负DC母线215b，第二共 模电感器250b可被磁耦合到第一共模电感器250a (例如，通过使用共用 磁芯上的分立绕组)。相应的滤波器电容器260a、 260b连接在电池270 的正负端子的相应各个与地之间。另一个滤波器电容器280耦合在共模电 感器250a、 250b之间。如进一步示出的，中性点耦合电路230、电池转换 器220、逆变器210中的各个并联的半桥对可以由交错驱动电路240以交 错方式运行。
图3示出了根据本发明某些实施例的中性点耦合控制电路的实施方 式。处理器一一特别是数字信号处理器(DSP) 310——被配置为实现中性 点耦合控制环的部件，包括求和点312、补偿块314、脉宽调制器(PWM) 316。求和点312用于将基准信号313 (例如希望的设置点)与表示由控制 环控制的变量(例如电流、电压或其他量)的反馈信号313进行比较，产 生被提供给补偿块314的误差信号。补偿块314产生的输出改变由PWM 316产生的脉冲串信号315的脉沖的脉沖宽度。
脉冲串信号315被提供给脉沖分离电路320，其可使用例如逻辑电路 来实现，例如可编程逻辑装置(PLD )。脉冲分离电路320做出响应地产 生第一与第二脉冲串信号325a、 325b，笫一与第二脉沖串信号325a、 325b 被提供给相应的中性点耦合电路驱动电路330a、 330b，中性点耦合电路驱 动电路330a、 330b对于相应的中性点耦合桥式电路产生交错的栅极驱动信 号335a、 335b。
例如，参照图4， PWM316可产生如图4的上面的轨迹所示的PWM 输出信号。脉冲分离电路320所产生的第一与第二脉沖串信号325a、 325b 包含与PWM输出信号315的交替脉冲对应的脉冲。如进一步所示，脉冲 分离电路也相对于PWM输出信号315中的对应的脉冲将第一与第二脉沖 串信号的脉冲宽度加倍。这能使得当PWM输出信号315的占空比从 0-100%变化时，响应于第一与第二脉沖串信号325a、 325b受到驱动的开 关装置的占空比从0-100%变化。以这样的交错方式驱动的并联连接的半桥 的使用可看作有效地将个体装置的开关速率减半(halving)，同时，保持
ii控制带宽与PWM输出信号315的较高的脉沖速率对应。
将会明了，尽管图1-4示出了使用两个交错中性点耦合电路，本发明 其他的实施例可使用两个以上的交错中性点耦合电路来类似地实现。另夕卜， 尽管图3示出了闭环控制实施方式，多种其他的开环或闭环实施方式可用 于本发明多个实施例中的中性点耦合控制。
根据本发明进一步的实施例，交错并联耦合电路可用于UPS中的附加 的转换器电路。例如，图5示出了 UPS电力系(power train )构造，其中， 耦合到相输出端子A、 B、 C的输入整流器510、耦合到相输出端子A，、 B，、 C，的输出逆变器520以及耦合到中性端子N的中性点耦合电路530各自使 用各自由交错驱动电路540以交错方式驱动的并联连接半桥电路对。这样 的构造可用在图1所示的UPS构造中，以l更进一步增强上面介绍的UPS/ 电池交互的优点。
在附图和说明书中，公开了本发明的示例性实施例。尽管使用了具体 的术语，它们仅仅出于一般性和说明性含义，不是用于限制。本发明的范 围由所附权利要求限定。
1权利要求
1.一种电力转换器设备，其包含逆变器，其具有被耦合到第一DC母线以及第二DC母线的输入，并被配置为在相输出端子上相对于中性端子产生AC输出；第一与第二中性点耦合电路，其各自被配置为有选择地将第一DC母线以及第二DC母线耦合到中性端子；以及控制电路，其被配置为引起中性点耦合电路的交错运行。
2. 根据权利要求l的设备，其中，控制电路被配置为运行中性点耦合 电路，以便相对于中性端子移动第一 DC母线与第二 DC母线之间的电压 范围。
3. 根据权利要求1的设备，其中，控制电路包含 脉宽调制电路，其被配置为产生脉沖串信号；以及驱动电路，其被配置为响应于脉沖串信号的相应的交错脉冲组来驱动 中性耦合电路的相应各个。
4. 根据权利要求3的设备，其中，脉冲串信号包含第一脉冲串信号， 且其中，驱动电路包含脉冲分离电路，其被配置为产生包含与交错脉冲组的相应各个对应的 相应脉沖串的第二与第三脉沖串信号；以及相应的第一与第二驱动电路，其响应于第二与第三脉冲串信号的相应 各个来驱动中性点耦合电路的相应各个。
5. 根据权利要求4的设备，其中，第一脉冲串信号的频率是笫二以及 第三脉冲串信号的频率的两倍或更多倍。
6. 根据权利要求4的设备，其中，第二以及第三脉冲串信号的脉冲具 有第一脉沖串信号的对应脉沖的脉沖宽度的整数倍的脉冲宽度。
7. 根据权利要求1的设备，其中，逆变器包含第一与第二并联连接 的相耦合电路，其被配置为以交错方式有选择地将第一 DC母线以及第二 DC母线耦合到相输出端子。
8. —种不间断电源(UPS)，其包含 相输出端子；中性端子；第一 DC母线以及第二 DC母线；共模电感器，其具有耦合到第一 DC母线和第二 DC母线中的一个的 第一端子以及净皮配置为耦合到电池的第二端子；滤波器电容器，其4皮耦合在中性端子与共模电感器的第二端子之间；逆变器，其祐:耦合到第一DC母线和第二DC母线，并被配置为在相 输出端子上相对于中性端子产生AC输出；第一与第二中性点耦合电路，其并联耦合在第一 DC母线与第二 DC 母线之间，并各自-皮配置为有选择地将第一 DC母线以及第二 DC母线耦 合到中性端子；以及控制电路，其被配置为引起中性点耦合电路的交错运行。
9. 根据权利要求8的UPS，其中，控制电路可被配置为使得中性点耦 合电路相对于中性端子移动第一 DC母线与第二 DC母线之间的电压范围。
10. 根据权利要求8的UPS，其中，控制电路包含 脉宽调制电路，其被配置为产生脉沖串信号；驱动电路，其被配置为响应于脉沖串信号的相应的交错脉冲组来驱动 中性耦合电路的相应各个。
11. 根据权利要求10的UPS，其中，脉沖串信号包含第一脉冲串信号， 且其中，驱动电路包含脉沖分离电路，其被配置为产生第二与第三脉冲串信号，第二与第三 脉冲串信号包含与交错脉沖组的相应各个对应的相应的第一与第二脉沖 串；以及相应的第一与第二驱动电路，其响应于第二与第三脉冲串信号的相应 各个来驱动中性点耦合电路的相应各个。
12. 根据权利要求11的UPS，其中，第一脉冲串信号的频率是第二以 及第三脉沖串信号的频率的两倍或更多倍。
13. 根据权利要求11的UPS，其中，第二以及第三脉沖串信号的脉沖 具有第一脉冲串信号的对应脉沖的脉冲宽度的整数倍的脉沖宽度。
14. 根据权利要求8的UPS，其中，共模电感器包含 第一共模电感器，其,皮配置为耦合在第一DC母线与电池的第一端子之间；以及第二共模电感器，其被配置为耦合在第二DC母线与电池的第二端子 之间；且其中，滤波器电容器包含第一滤波器电容器，其被耦合在第一共模电感器与中性点之间；以及 第二滤波器电容器，其被耦合在第二共模电感器与中性点之间。
15. 根据权利要求8的UPS，其中，逆变器包含第一与第二并联连 接的相耦合电路，其被配置为以交错方式有选择地将第一 DC母线以及第 二 DC母线耦合到相输出端子。
16. —种运行电力转换设备的方法，该设备包含逆变器，逆变器被耦 合到第一与第二 DC母线并被配置为在相输出端子上相对于中性端子产生 AC输出，该方法包含提供第 一与第二中性点耦合电路，其各自被配置为有选择地将第一 DC 母线以及第二DC母线耦合到中性端子；以及在运行逆变器以l更相对于中性端子产生AC电压的同时，交错第一与 第二中性点耦合电路的运行。
17. 根据权利要求16的方法，其还包含运行中性点耦合电路，以便 使得第一 DC母线与第二 DC母线之间的电压范围相对于中性端子移动。
18. 根据权利要求16的方法，其中，在运行逆变器以便相对于中性端 子产生AC电压的同时交错第一与第二中性点耦合电路的运行包含产生脉沖串信号，该信号包含一 系列具有响应于控制变量变化的宽度 的脉沖；以及响应于脉沖串信号的相应的交错脉沖组，驱动中性点耦合电路中的相 应各个。
19. 根据权利要求18的方法，其中，响应于脉冲串信号的相应的交错 脉沖组驱动中性点耦合电路中的相应各个包含产生第二与第三脉沖串信号，其包含与交错的脉冲组的相应各个对应的相应的脉冲串；以及响应于第二与第三脉冲串信号的相应各个，驱动中性点耦合电路的相 应各个。
20. 根据权利要求19的方法，其中，第一脉沖串信号的频率是第二以 及第三脉冲串信号的频率的两倍或更多倍。
21. 根据权利要求19的方法，其中，第二以及第三脉沖串信号的脉沖 具有第 一脉冲串信号的对应脉沖的脉沖宽度的整数倍的脉冲宽度。
全文摘要
一种电力转换器设备，例如不间断电源(UPS)，其包含逆变器，逆变器具有被耦合到第一DC母线以及第二DC母线的输入，并被配置为在其相输出端子上相对于中性端子产生AC输出。该设备还包含第一与第二中性点耦合电路，其各自被配置为有选择地将第一DC母线和第二DC母线耦合到中性端子；控制电路，其被配置为产生中性点耦合电路的交错运行。
文档编号H02M5/458GK101669274SQ200880013862
公开日2010年3月10日 申请日期2008年3月26日 优先权日2007年3月27日
发明者G·W·小奥顿, H-E·普菲策尔 申请人:伊顿动力品质公司