专利名称：具有自交错启动的并行电力转换器的制作方法
技术领域：
本申请一般针对电力转换,更具体地,针对电力转换单元、操作电力转换单元的方法和采用该电力转换单元的电力转换系统。
背景技术：
如果在每个输出端上不使用隔离电路(例如，OR-ing 二极管或FET)来防止将电流吸收到电力转换单元中，则被设计具有同步整流器输出场效应晶体管(FET)或其它电力开关技术并且与利用电流共用的电压下降的并行输出连接的DC-DC电力转换单元在启动期间可能具有反向电流问题。输出电压下降是输出电压调整设定点根据输出电流减小的特征。例如，空载时的输出电压设定点可以是12. OVdc,并且在满载时可以减小到11. 5Vdc。除非电力转换单元在理想的同步的情况下开始，否则由于开始的第一单元将为那些以后接通的单元提供预偏置条件，因此当使用正常的软启动接通序列加电时，一个或多个单元可能吸收电流。所述吸收或反向电流可能与一个或多个源单元的过电流保护电平一样大，并且可能对吸收电流的那些单元引起损害。
发明内容
本公开的实施例提供一种电力转换单元、操作电力转换单元的方法和电力转换系统。在一个实施例中，所述电力转换单元包括具有耦接到共用输出总线的转换器输出端的电力转换器。所述电力转换单元还包括被配置为产生对于该电力转换器的启动延迟的延迟发生器，其中如果共用输出总线上的总线电压的预偏置值大于预定义的阈值，则激活该启动延迟。另外，该电力转换单元包括被配置为在启动延迟之后控制该转换器输出端并且在电力转换器的启动期间保持转换器输出端的电流源条件的电压控制器。在另一个方面中，所述操作电力转换单元的方法包括在启动电力转换器之前测量共用输出总线上的总线电压，当共用输出总线上的总线电压的预偏置值大于预定义的阈值时，产生用于该电力转换器的启动延迟。该方法还包括在启动延迟之后控制该电力转换器以在电力变换器的启动期间保持电流源条件。在另一个方面中，该电力转换系统包括共用输出总线和耦接到该共用输出总线的多个电力转换单元。每个电力转换单元包括具有耦接到该共用输出总线的转换器输出端的电力转换器和在共用输出总线上的总线电压的预偏置值大于预定义的阈值时产生用于该电力转换器的启动延迟的延迟发生器。每个电力转换单元还包括在启动延迟之后控制该转换器输出端并且在电力转换器的启动期间保持转换器输出端的电流源条件的电压控制器。该电力转换系统还包括耦接到该共用输出总线的负载。前面已经概述了本公开的优选和可替换的特征，以使得本领域技术人员以更好地理解下述公开的详细描述。在下文中将描述本公开的形成本公开的权利要求书的主题的附加特征。本领域技术人员将理解，他们可以容易地使用公开的构思和特定的实施例作为设计或修改用于执行本公开的相同目的的其它结构的基础。
现在结合附图进行以下描述，其中图I示出了采用根据本公开的原理构造的二级控制结构的电力转换单元的框图；图2示出了具有与服务公共负载的输出总线连接的一对电力转换单元的电力转换系统的框图；·图3示出了显示用于图2的第一和第二电力转换单元的电力转换系统启动序列的波形的集合；图4示出了显示与服务公共负载的输出总线连接的多个电力转换单元的另一个电力转换系统的框图；图5示出了显示用于图4的第一、第二和第三电力转换单元的转换器启动序列的波形的另一个集合；和图6示出了根据本公开的原理执行的操作电力转换单元的方法的实施例的流程图。
具体实施例方式已经提出了许多技术来提供没有反向电流流入输出端的软启动。这些中的一个在由 Reddy 等人在 2012 年五月 17 日提交的题为“Monotonic Pre-Bias Start-Up Of A DC-DCConverter”的美国专利申请序列号No. 13/474，578中描述,该申请与本公开共同受让并且通过引用合并于此。在此方法中，电压控制器测量DC-DC转换器的输出端上的预偏置电压。如果检测到预偏置电压，则电压控制器计算将产生稍大于预偏置电压的初始输出电压的占空系数。通过使用产生稍大于预偏置电压的电压(例如，大IOOmV)的控制信号(例如，PWM占空系数)，它确保了在启动时没有反向(吸收)电流将流回到启动的电力转换单元。然后在启动时采用此PWM占空系数。如果预偏置电压相对恒定，则此方法非常适用。但是，如果预偏置电压快速变化，则这个方法不合适。本公开的实施例提供在并联耦接的单元的非同时启动期间两个或多个并联耦接的电力转换单元的自动接通，而不需要附加的外部电路或并联耦接的单元之间的同步连接。另外，并联的电力转换单元的这些实施例通常可以采用智能控制处理器，智能控制处理器还可以检测共用输出总线的电压状态并对并联的电力转换单元的接通过程自动排序(即，自交错启动)。在被配置用于交错启动的并行转换单元的启动时的最大总线负载可以不超过单个单元的满载能力。DC输出电力转换单元可以包括由DC输入操作以及由AC输入操作的DC输出电力转换单元。在通常应用中，此共用输出总线可以向各个负载点(POL)模块随后向电力系统负载提供电力。在很多情况下，随着系统经历它的初始化过程，这些POL具有依次的启动布置，这可以限制初始启动最大负载或保证适当的系统功能。图I示出了采用根据本公开的原理构造的二级控制结构的直流电-DC电力转换单元(总体指定为100)的框图。电力转换单元100包括电力转换器105和电力控制器125。电力转换器105包括电力转换单元100的电力处理部件和一些感测和驱动电路。它具有在隔离屏障118两端彼此电隔离并且提供单独的初级和次级接地结构的初级和次级。电力控制器125还采用隔离屏障118来电隔离被指代为单独的接地结构的初级和次级部件。将电力转换器105连接在负载120两端以将DC输入电压VIN转换为DC输出电压Vout0电力转换器105包括电磁干扰(EMI)滤波器106、全桥开关电路108、主电力变压器 110、输出电感器111、第一和第二同步输出整流器开关(例如，FET) 112A、112B、可选的输出电流传感单兀114和输出滤波器电容器(Cout) 116。输出滤波器电容器(Cout) 116可以包括在电力转换器105内包含的输出滤波器电容器和在电力转换器外从+Vout连接到-Vout的滤波器电容器。主电力变压器110形成隔离屏障118的一部分。此外，电力变压器110和输出电感器111可以被组合成整合的磁结构。电力控制器125包括转换器控制器126，其具有延迟发生器127和电压控制器128。电力控制器125还包括第一和第二次级开关驱动器129A、129B、光隔离器130、初级开关驱动器132和通过偏压电源变换器136连接到次级侧DC偏压电压调节器138的偏压电源单兀134。光隔离器130和偏压电源变换器136也形成隔离屏障118的一部分。在操作期间，EMI滤波器106提供用于电力转换单元100的输入电压EMI滤波。在本实施例中，全桥开关电路108向主电力变压器110的初级绕组提供全波AC信号。主电力变压器110的次级绕组然后向第一和第二同步整流器输出开关112AU12B提供全波AC次级信号以用于整流。从主电力变压器110的次级绕组中间抽头向包含输出电感器111和输出滤波器电容器116的输出滤波器提供整流后的输出信号。可选的输出电流传感单兀114提供电力转换器105的输出电流幅度的指示。电力控制器125提供电力转换器105的操作控制使得它基于建立的设定点和来自于转换器输出117的反馈信息来将输出电压和输出电流传递到负载120。一般地,转换器控制器126建立通过初级和第一和第二次级开关驱动器132U29A和129B提供的控制信号(例如，脉冲宽度调制(PWM)信号)以控制初级和次级的传导时间。可替换地，根据电力拓扑，转换器控制器可以改变工作频率以控制输出。光隔离器130提供用于初级控制信号的电隔离，如上所述。偏压电源单元134、偏压电源变换器136和DC偏压电压调节器138提供与电力转换器105的操作状态独立的所需的二级电源电力。图I所示的电力转换单元100可以具有未示出但是满足系统需要可能需要的其它特征和部件。电力转换单元100还可以具有到它的转换器控制器126的数字通信输入端以在操作期间或在制造过程期间向系统提供数据或接收用于编程或定制的输入。图2示出了具有与服务公共负载的输出总线连接的一对电力转换单元的电力转换系统(一般地指定为200)的框图。电力转换系统200包括与公共输出电容器207和服务公共负载215的共用输出总线210并联连接的第一和第二电力转换单元205^205”第一和第二电力转换单元205^2052 (诸如参考图I讨论的电力转换单元100)的每一个包括耦接到共用输出总线210以提供输出电流(Iol或Io2)的电力转换器(诸如图I中的电力转换器105)。另外，电力转换单元205i、2052的每一个包括被配置为产生用于它的电力转换器的启动延迟的延迟发生器，其中如果公共DC总线电压Vo的预偏置值大于预定义的阈值，则激活启动延迟。电力转换单元205^20 的每一个还包括电压控制器，用于在它的电力转换器的启动期间控制它的各个电力转换器的输出以保持它的输出电流(IoI或Io2)的源条件。在所示的实施例中，第一和第二电力转换单元205^2052接收公共DC输入电压乂 并且将公共DC总线电压Vo提供给共用输出总线210。可替换地，可以存在单独的输入电压电源。有时利用这个来提供冗余输入并且提高系统可靠性。第一和第二电力转换单元205^2052由如图所示的公共外部使能(ENABLE)命令使能操作。可以在公共DC输入电压Vin的施加之前、之后或与之同时激活外部使能命令。公共输出电容器207可以是与电力转换单元205^2052的每一个有关的输出电容器(例如，图I的电力转换单元100的输出电容器116)的总和、与共用输出总线210有关的电容或二者的组合。负载120可以包括具有各 个负载的几个P0L。预定义的阈值电压是允许第一和第二电力转换单元205^2052的任何一个的非损害的启动的预偏置值。它可以在第一和第二电力转换单元205^2052的制造时被存储在非易失性存储器中或者在电力转换系统操作之前由用户提供。在预启动的情况下，每个转换器控制器引导它的电力转换单元通过保证满足适当的电力转换系统接通条件的初始化序列或检查。这些接通条件包括确定不存在一般的故障状态(例如，温度过高或不适当的输入电压条件)并且存在真的(TRUE)外部使能命令和输入电压VIN。执行初始化检查的时间可以被定义为初始化检查延迟。初始化检查延迟通常是固定的，并且可以根据定时和参数的变化在不同的单元之间可以稍微变化。在初始化序列完成以及适当的电力转换单元接通条件满足之后，转换器控制器将指示启动电力转换器是安全的。当接收到使能命令时，转换器控制器将测量共用输出总线上的总线电压以确定总线电压的预偏置值是否存在。如果不存在预偏置输出电压，则由第一和第二电力转换单兀205^205；^中的一个执行软启动,直到建立具有正常输出电压和电流负载状态的正常运行模式。在一个实施例中，第一和第二电力转换单元205^20 的延迟发生器可以在启动延迟的产生之前提供初始化检查延迟，其中每个初始化检查延迟是固定长度的时间加上具有最小和最大极限的随机选择的长度的时间。较短的随机选择的初始化检查延迟确定第一和第二电力转换单元205^2052的哪一个在启动时控制共用输出总线并且提供上述软启动。此软启动提供总线电压的预偏置值，其触发用于第一和第二电力转换单元205^20 中的另一个的启动延迟。此启动延迟大于DC总线电压Vo的最大软启动斜坡时间，并且可以从由具有最小和最大时间极限的随机长度的时间和固定长度的时间构成的组中选择。最小时间极限等于或大于电力转换系统200的最大斜坡时间。最大时间延迟可以基于其它系统限制并且保证两个单元的启动。另外，启动延迟可以是具有不同长度的时间的延迟的集合中的一个。在启动延迟结束时，第一和第二电力转换单元205^2052中的另一个启动到共用输出总线上的预偏置电压中，该预偏置电压基本上是DC总线电压Vo的设定点输出电压值。
在此启动延迟结束时并且当第一和第二电力转换单元205^2052中的另一个准备加电时，它的电压控制器测量共用输出总线210上的预偏置电压。此电压控制器然后计算将产生稍微大于预偏置电压的初始输出电压的占空系数和相应的控制环路补偿器值。它可以将下降电压考虑到此计算中。通过使用产生稍大于预偏置电压的电压(例如大IOOmV)的控制信号(例如PWM占空系数)，它确保了在启动时没有反向(吸收)电流将流回到启动的电力转换单元。然后在启动时采用此PWM占空系数。可替换地，对于改变频率以控制输出的控制方案，电压控制器可以在启动时使用产生稍微大于预偏置电压的输出电压的工作频率。此电力转换单元然后在预定的时间段内使用此占空系数产生稍微大于预偏置电压的输出电压。在此时间段结束时，使得控制环路运行，但是总线控制器的输出是变化率受限或固定的，同时它运行以使得总线电压达到由编程的设定点和合适的电压下降偏移值确 定的最终值。这产生了在共用输出总线上发生的此电力转换单元的输出电流的慢的且受控的转变，同时加电的第一电力转换单元以相同的速率跟踪它的输出电流到达最终的共用电流值。图3示出了显示用于图2的第一和第二电力转换单元205^2052的电力转换系统启动序列的波形的集合(一般指定为300)。波形300显示了包括公共DC总线电压(Vo)305和第一和第二电力转换单元输出电流(Iol) 310、(Io2) 315的系统启动序列。在所示的示例中，不管由于什么原因(例如，两个单元在部件容差之间的差别、阈值的变化或定时延迟)，第一电力转换单元205i首先响应于使能信号并且在启动线310A处首先启动。如果它具有较短的初始化检查延迟，则它也可以首先启动。或者，对于单独的输入源布置，一个输入源可以在另一个之前发生。这产生了公共DC总线电压(Vo)305上的斜坡电压，其非常迅速地大于预定义的阈值电压值。此状况由第二电力转换单元2052感测，然后第二电力转换单元2052产生启动延迟315A，同时公共DC总线电压(Vo) 305由于第一转换单元输出电流Iol而斜坡变化到12Vdc的设定点值。选择启动延迟315A大于由第一电力转换单元205i的启动提供的公共DC总线电压(Vo) 305的斜坡时间。在启动延迟315A结束时，第二电力转换单元2052的电压控制器提供稍微大于12Vdc的预偏置总线电压值的输出电压。第一和第二转换单兀输出电流Iol、Io2由第一和第二电压控制器维持在源条件，直到它们在向负载215提供最终输出总线电流方面基本上相等。图4示出了显示与服务公共负载的输出总线连接的多个电力转换单元的另一个电力转换系统(一般指定为400)的框图。电力转换系统400包括与公共输出电容器410和服务公共负载420的共用输出总线415并联连接的多个电力转换单元中的第一、第二和第三电力转换单元405^405^4053。在所示的实施例中，第一、第二和第三电力转换单元405^4052、4053接收公共DC输入电压Vin并且向共用输出总线415提供公共DC总线电压Vo。第一、第二和第三电力转换单元405^405^4053由如图所示的公共外部使能命令使能操作。公共输出电容器410可以由两个都在电力转换单元内的那些输出电容器和跨接在如上所述的总线两端的那些输出电容器构成。电力转换系统400的一般操作遵循图2的电力转换系统200的操作。图5示出了显示用于图4的第一、第二和第三电力转换单元405^405^4053的转换器启动序列的波形(一般指定为500)的另一个集合。波形500显示了包括公共DC总线电压(Vo) 505和第一、第二和第三电力转换单元输出电流(Iol) 510、(Io2) 515、(Io3) 520的转换器启动序列。在所示的示例中,第一电力转换单元AOS1在启动线510A处首先启动,其中第一电力转换器输出电流(Iol)510提供如图所示的软启动斜坡时间。已经比单元AOS1反应慢的第二和第三电力转换单元4052、4053产生基本上相等的启动延迟，如图所示，这提供了同时的(即几乎同时的)电力转换单元启动的示例。再次，选择启动延迟大于公共DC总线电压(Vo) 505的斜坡时间。如果已经采用了随机的延迟时间，则将存在三个启动来代替图5所示的两个。在启动延迟结束时，第二和第三电力转换单元4052、4053的转换器控制器感测现在基本上在它的12Vdc的设定值处的共用输出总线电压。单元4052和4053的每一个中的电压控制器计算提供稍微大于感测到的12Vdc的预偏置总线电压值的输出电压的占空系数。 该计算可以考虑下降电压因数。电压控制器然后使用该占空系数启动单元4052和4053中的电力转换器的启动。第二和第三转换器输出电流Io2、Io3由第一和第二电压控制器维持在源条件中，直到所有三个转换器输出电流Ιο 、Io2、Io3在向负载415提供最终输出总线电流(Iol+Io2+Io3)方面基本上相等。如果输出电压的预偏置值大于预定义的阈值，则激活如前所述的启动延迟。也可以选择启动延迟等于斜坡时间加上额外的缓冲时间，以保证在启动延迟时间段结束时存在稳定的输出总线电压。启动延迟可以大于共用输出总线上的设定点输出电压的最坏情况的斜坡时间。在一个实施例中，可以在启动序列期间允许仅仅一个启动延迟。在这种情况下，由于输出总线电压在启动延迟结束时将基本上在它的设定点值处并且可以使用正常的预偏置启动过程，因此可以不需要附加的延迟时间段。图5是此情况的示例。其它实施例可以允许使能多个启动延迟。另外，启动延迟时间可以不是固定的而是诸如输入电压之类的系统变量的函数。或者，它可以从由具有最小和最大时间极限的随机长度的时间和固定长度的时间构成的组中选择。最小时间极限可以等于或大于最大斜坡时间。另外，启动延迟可以从具有不同长度的时间的延迟的集合中选择。可以在存储器中存储或计算这些延迟。如果共用输出总线上的总输出电容足够大以显著影响斜坡时间，则启动延迟时间也可以是该电容的函数。启动延迟值可以是用户提供的并且在系统组装时被编程到电力转换单元中。图6示出了根据本公开的原理执行的操作电力转换单元的方法(一般指定为600)的实施例的流程图。方法600在步骤605中开始，并且在步骤610中，在测量电力转换器的共用输出总线上的总线电压之前提供初始化检查延迟。初始化检查延迟包括作为固定长度的时间加上具有最小和最大时间限制的随机选择的长度的时间的初始化检查延迟。然后，在步骤615中，在电力转换器的启动之前测量共用输出总线上的总线电压。在步骤620中，当共用输出总线上的总线电压的预偏置值大于预定义的阈值时，产生用于电力转换器的启动延迟。在步骤625中，在启动延迟之后控制电力转换器以在电力转换器的启动期间保持电流源条件。在一个实施例中，产生启动延迟包括从由具有最小和最大时间限制的随机长度的时间和固定长度的时间构成的组中选择启动延迟。在另一个实施例中，产生启动延迟包括从提供不同长度的时间的延迟的集合中选择启动延迟。在另一实施例中，产生启动延迟包括启动延迟大于共用输出总线上的设定点输出电压的最坏情况的斜坡时间。在另一个实施例中，产生启动延迟包括预定义的阈值是允许电力转换器的非损害的启动的预偏置值的幅度。方法600在步骤630中结束。虽然已经参考以特定次序执行的特定步骤描述和示出了这里公开的方法，但是应当理解，这些步骤可以被组合、细分或重新排序以形成等效的方法而不脱离本公开的教导。因此，除非这里明确指出，步骤的顺序或分组不是本公开的限制。将AC转换到DC的电力转换单元也可以采用这里描述的概念。另外，具有初级侧控制的电力转换单元也可以使用这些概念。此外，除了描述的全桥之外的其它拓扑可以使用这些概念。其它拓扑可以包括半桥、双开关正激、LLC、正激或在输出端上具有同步整流并且可以从总线或其它电源吸收输出电流的其它拓扑。不提供输入到输出隔离并且可以不具有初级和次级的诸如降压或升压之类的电力转换器拓扑也可以采用这里描述的概念，假如它们采用同步整流的话，它们可以都放出和吸收输出电流，它们的输出端并联连接，并且在它们的输出端上不采用隔离电路(例如，OR-ing 二极管或FET)来防止将电流吸收到电力转换单元中。
本申请所涉及的领域的技术人员将理解，可以对描述的实施例进行其它和进一步的增加、删除、替换和修改。
权利要求
1.一种电カ转换单元，包括 电カ转换器，具有耦接到共用输出总线的转换器输出端； 延迟发生器，被配置为产生用于所述电カ转换器的启动延迟，其中如果所述共用输出总线上的总线电压的预偏置值大于预定义的阈值，则激活所述启动延迟；以及 电压控制器，被配置为在所述启动延迟之后控制所述转换器输出端并且在所述电カ转换器的启动期间保持所述转换器输出端的电流源条件。
2.如权利要求I所述的电力转换单元，还包括在产生所述启动延迟之前的初始化检查延迟，所述初始化检查延迟包括固定长度的时间加上选择的具有最小时间极限和最大时间极限的随机长度的时间。
3.ー种操作电カ转换单元的方法，包括 在电カ转换器的启动之前，測量共用输出总线上的总线电压； 当所述共用输出总线上的总线电压的预偏置值大于预定义的阈值时，产生用于所述电力转换器的启动延迟；以及 在所述启动延迟之后控制所述电カ转换器以在所述电カ转换器的启动期间保持电流源条件。
4.如权利要求3所述的方法，其中产生启动延迟包括从由以下项构成的组中选择启动延迟 具有最小时间限制和最大时间限制的随机长度的时间；和 固定长度的时间。
5.如权利要求3所述的方法，其中产生启动延迟包括从提供不同长度的时间的延迟的集合中选择启动延迟。
6.如权利要求3所述的方法，其中产生启动延迟包括启动延迟大于所述共用输出总线上的设定点输出电压的最坏情况的斜坡时间。
7.如权利要求3所述的方法，其中产生启动延迟包括所述预定义的阈值是允许所述电力转换器的非损害的启动的预偏置值的幅度。
8.如权利要求3所述的方法，还包括在测量总线电压之前提供初始化检查延迟，其中提供初始化检查延迟包括初始化检查延迟是固定长度的时间加上具有最小时间限制和最大时间限制的随机选择的长度的时间。
9.ー种电カ转换系统，包括 共用输出总线； 多个电カ转换单元，耦接到所述共用输出总线，每个电カ转换单元包括 电カ转换器，具有耦接到所述共用输出总线的转换器输出端， 延迟发生器，如果所述共用输出总线上的总线电压的预偏置值大于预定义的阈值，则产生用于所述电カ转换器的启动延迟，和 电压控制器，在所述启动延迟之后控制所述转换器输出端并且在所述电カ转换器的启动期间保持所述转换器输出端的电流源条件；以及负载，耦接到所述共用输出总线。
10.如权利要求9所述的电カ转换系统，还包括在产生用于所述多个电カ转换单元的至少一部分的启动延迟之前提供初始化检查延迟，其中所述初始化检查延迟包括固定长度的时间加上具有最小时间极限 和最大时间极限的随机选择的长度的时间。
全文摘要
本发明公开具有自交错启动的并行电力转换器。一种电力转换系统包括共用输出总线和耦接到该共用输出总线的多个电力转换单元。每个电力转换单元包括具有耦接到该共用输出总线的转换器输出端的电力转换器和在共用输出总线上的总线电压的预偏置值大于预定义的阈值时产生对于该电力转换器的启动延迟的延迟发生器。每个电力转换单元还包括在启动延迟之后控制该转换器输出端并且在电力转换器的启动期间保持转换器输出端的电流源条件的电压控制器。该电力转换系统还包括耦接到该共用输出总线的负载。还提供一种操作电力转换单元的方法。
文档编号H02M3/335GK102843037SQ20121021152
公开日2012年12月26日 申请日期2012年6月21日 优先权日2011年6月24日
发明者S·古特列, S·帕尔 申请人:通用电气公司