包括三个单相模块的三相交流到直流电力转换器的控制的制作方法

本发明属于电力电子设备领域，更具体地，涉及从三相交流(AC)输入到单个隔离直流(DC)输出的电力转换及其控制。

背景技术：

在三相电力转换中，期望从全部三个相相等地提取电力，以从AC电源得到最大输出和得到AC电源中的最小损耗。虽然存在许多可以考虑的三相电力转换器拓扑，但吸引人的是，考虑使用享有高效率、高可靠性、低噪声和低成本的三个单相AC到DC转换器。这些单相转换器在其部件的额定值方面是针对相电压(phase to neutral voltage)优化的，所以通常不能相至相连接这些单相转换器(在这种情况下出现该电压的1.7倍)。可以简单地以星形配置在中性点和每个相之间连接这些转换器并且并联其输出，以实现平衡相功率的目的，但是对此实践存在一些反对。

在一些方面中，中性点连接是不可靠的，并且如果发生中性点断开，则单相转换器由于AC过电压或欠电压将很有可能关闭，并且很可能故障。而且在一些实例中，中性点没有被用电线连接到设备的连接点，并且有时由于三角形连接的次级绕组而不能从干线电源变压器得到中性点。

因为以上原因，许多用户不想要在他们的三相电力转换器中的中性点连接。

存在允许在不具有中性点连接的情况下以星形方式使用三个单相转换器的各种方案。在被标识为D1至D3的以下参考文献中描述了三个示例，通过交叉引用将每个参考文献整体合并到本公开内容中。

在参考文献D1(1986年INTELEC上Gauger等人的“A Three Phase Off-Line Switching Power Supply with Unity Power Factor and Low TIF”)中，对全部三个升压级的共同控制导致具有或不具有所连接的中性点的稳定星点。使用滞后控制来控制驱动DCDC转换器前面的很小的存储电容器的升压功率因数校正级的输出，其中DCDC转换器导致每个单相转换 器携带100Hz的脉动功率，其降低效率并对输出产生噪声，此外输出环路的低宽带对减弱所产生的300Hz输出纹波几乎没有作用。该参考文献教导使用对升压级的共同控制能够实现稳定星点，但是不在输出上实现低噪声，并且需要必须针对两倍于平均功率的峰值功率设置每个DCDC转换器的大小，这具有显著的成本损失。

在参考文献D2(US 5757637中Tuch等人的“Power Converter with Star Configured Modules”)中，额外电路将星点与由三个电阻器形成的理想中性点进行比较，并且给每个升压级提供快速校正电路。未分析该布置的稳定性。复杂性较高。这个参考文献提供了对实现星点稳定性的参考文献1的替代方法，该可替选方法不需要任何DCDC转换器中的脉动功率，但是具有相当大的复杂性和不确定的性能。

在参考文献D3(1999年的PESC上Heldwein等人的“A Simple Control Strategy Applied to Three-Phase Rectifier Units for Telecommunication Applications Using Single-Phase Rectifier Modules”)中，向导致低输出噪声的全部三个DCDC级供给单个电流需求，但是留下升压级自我调节。除非连接了中性点，否则此布置在高功率下不稳定。

发明人期望在不以任何方式牺牲转换器的性能的情况下在三相配置中使用单相两级转换器的现有设计。为了此目的而开发了新的控制方法和电路，并在下面描述。

技术实现要素：

本发明的一个方面提供了一种在没有中性点连接的情况下工作的三相AC到DC电力转换器，该三相AC到DC电力转换器包括：

a)三个单相电力转换器模块，每个单相电力转换器模块包括：

功率因数校正(PFC)级，该功率因数校正级被配置成提取由其输入电压乘以可控输入需求信号而确定的输入电流；

储能电容器，该储能电容器连接到PFC级的输出；以及

DC到DC转换器(DCDC)级，该DC到DC转换器级连接到储能电容器，并且具有能够被输出需求信号控制的输出，

其中，三个单相电力转换器模块在其输入处星形连接并且在其输出处并联连接；以及

b)控制电路，该控制电路用于确定输入需求信号以及输出需求信号，使得在使用时：

通过由三个储能电容器上的平均电压确定的相等的输入需求信号一起控制全部三个PFC级；并且

通过输出需求信号单独控制每个DCDC级，该输出需求信号包括：

基于连接到三相电力转换器的负载所需要的总输出电流的共用输出需求电流，以及

对相应模块的相关储能电容器上的电压进行调节所需要的校正量。

本发明的另一方面提供了一种控制在没有中性点连接的情况下工作的三相AC到DC电力转换器的方法，该转换器包括：

三个单相电力转换器模块，每个单相电力转换器模块包括：

功率因数校正(PFC)级，该功率因数校正级被配置成提取由其输入电压乘以可控输入需求信号而确定的输入电流；

储能电容器，该储能电容器连接到功率因数校正级的输出；以及

DC到DC转换器级(DCDC)，该DC到DC转换器级连接到储能电容器，并且具有能够被输出需求信号控制的输出，

其中，三个单相电力转换器模块在其输入处星形连接并且在其输出处并联连接，并且

该方法包括以下步骤：

测量每个储能电容器上的电压；

确定三个储能电容器上的平均电容器电压；

生成调节平均电容器电压的输入需求信号；

通过应用相等的输入需求信号来一起控制全部三个功率因数校正级；

测量来自每个模块的DCDC级的电流输出；以及

针对每个DCDC级生成输出需求信号，该输出需求信号包括：

基于连接到三相电力转换器的负载在设定输出电压下所需要的总输出电流的共用输出需求电流，以及

对相应模块的相关储能电容器上的电压进行调节所需要的校正 量；以及

基于相应输出需求信号控制每个DCDC级。

本发明的进一步的优选特征可以为如所附权利要求中所概括的特征，通过交叉引用将所附权利要求合并到本文中作为本公开内容的一部分。

到三个PFC级的相等输入需求信号使得PFC级的输入阻抗中的每个表现得如同具有相等值的电阻器，并且这在无需连接中性点导体的情况下使星点稳定。

调节三个储能电容器的平均电压而不是它们的各个值，这允许要发送至PFC级的相等的输入需求信号以及要维持的星点稳定性，而不管相不平衡或瞬态状况。在优选实施例中，正如在单相两级AC-DC电力转换器中通常发生的，可以使控制环路的闭环带宽较低(例如，5Hz)，这允许在没有稳定性问题的情况下连接高阻抗源，例如电动发电机组。

优选地设置每个储能电容器的大小以在全功率下具有小的纹波电压，从而每个DCDC级经历几乎恒定的转换率。在一个实施例中，电压环路放大器将三个DCDC级的输出电压与基准进行比较，并且产生单个共用DCDC输出电流需求信号，从而在输出处抑制任何残余100Hz和300Hz纹波(假设50Hz电源)。此放大器保证输出上的低噪声和良好的瞬态响应。

优选地将共用DCDC输出需求信号馈送到三个单独的输出电流环路放大器中，这些输出电流环路放大器将各个DCDC级的三个输出电流与共用需求进行比较，并且控制每个DCDC级以实现所需要的输出电流并抑制每个DCDC输出处出现的100Hz纹波。三个DCDC级由于其并联连接而实现相等的输出电流且有相等的输出电压，从而传送相等的输出功率。

在优选实施例中，使用具有适度DC增益的环路放大器将每个储能电容器电压与平均储能电容器电压进行比较，并且其输出被加到来自每个DCDC级的当前反馈信号，或者被从来自每个DCDC级的当前反馈信号减去，使得能够进行对各个储能电容器电压的控制。有益的是，这些环路具有低闭环带宽(例如4Hz)，或者100Hz纹波将被施加到DCDC级的输出电流上。优选地使环路放大器的DC增益足以实现储能电容器电压的可接受匹配但不更高，使得避免环路放大器的饱和并且来自三个环路放大器的平均输出为零，从而储能电容器控制的存在对电压环路放大器的输出几 乎没有影响。

当包括(comprises/comprising)及其语法变化被用在本说明书中时，应被当作说明所陈述的特征、整体、步骤或部件或它们的组的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其它特征、整体、步骤、部件或者它们的组合。

附图说明

图1示出了具有储能电容器C的现有技术单相两级AC到DC转换器的框图。

图2示出了如图1中所示的三个单相转换器，这三个单相转换器在其输入处星形连接并且在没有中性点的情况下连接到三相电源，并且输出并联。

图3以理想形式示出了利用图1和图2中示出的电路的本发明的优选实施例。

图4示出了可以在本发明中使用的类型的单相转换器的一个可能实现。该转换器包括二极管桥、升压电路、电容器C以及隔离LLC谐振级。升压控制器包括使表观输入电阻随控制电压变化的乘法器。

图5示出了使星点稳定并保持三个储能电容器上的平均DC电压的布置的实现。

图6示出了包含图5的稳定星点布置和各个输出电流和输出电压的感测以及至DCDC级的隔离控制信号的本发明的实现。

图7示出了根据本发明的优选实施例的控制方案的实现。

具体实施方式

现参考附图，图1示出了具有两个电力转换级的单相转换器。功率因数校正(PFC)级包含整流装置和电流控制装置，使得PFC级能够提取与输入电压成比例的电流，并且将能量传送至储能电容器C。因为AC输入电压是在比如说50Hz(取决于电源频率)处的正弦波，所以被传送至电容器C的电流将以两倍输入频率或100Hz从零变化到两倍平均值。电容器C的大小必须被设置成承受100Hz纹波电流，并且还允许100Hz处 的电压纹波可接受地小。

通常在单相转换器中，通过调节电容器C上的电压来确定输入电流需求并且该调节的带宽较低(比如说5Hz)，使得电容器上出现的纹波电压不明显干扰输入电流需求(这会导致输入电流失真以及减小的功率因数)。通常由PFC级实现的功率因数接近1(通常为0.98-0.99)，并且输入电流失真在5％以下。

存在包括升压级之前的桥形整流器的功率因数校正级的许多可能实现，无桥升压包括两个升压级和两个二极管、具有两个二极管的相分支输入、全桥输入以及其它，所有这些实现与输入电压成比例的输入电流，从而表现得如电阻器一样，从而提供功率因数校正。

随后的DCDC级包括隔离装置并且通常包含具有环路放大器的调节装置以将输出噪声减小到C上的每单位纹波的输出噪声以下。也存在包括对高效率有用的移相全桥和LLC谐振的隔离DC-DC级的许多可能实现。

图2示出了三个单相两级转换器的输入处的星形(或Y形)连接以及其输出的并联连接。

图3以理想形式示出了利用图1和图2中示出的电路布置的本发明的优选实施例。将PFC级建模成提取与输入电压AC in成比例的电流的输入电阻器Ri1、Ri2、Ri3，以及在电压VC1、VC2、VC3下将电流传送到电容器C1、C2、C3中的输出电流源I1、I2、I3，每个输出电流源传送与输入电阻器提取的功率相同的功率。

由输入需求信号PFCdem1、PFCdem2、PFCdem3来设定每个输入电阻器Ri1、Ri2、Ri3的值，其中，使输入需求信号PFCdem1、PFCdem2、PFCdem3相等，所以输入电阻器具有相等的值。

将DCDC级建模成从PFC级的输出提取功率的电流吸收器Ii1、Ii2、Ii3以及将功率传送至输出DC out的电流源Io1、Io2、Io3，并且由输出需求信号DCDCdem1、DCDCdem2、DCDCdem3来确定DC out的值。在电容器电压VC1、VC2、VC3下由每个DCDC输入电流吸收器Ii1、Ii2、Ii3提取的功率等于在输出电压Vout下由每个输出电流源Io1、Io2、Io3传送的功率。

为了控制该布置，通过环路放大器G7来控制平均电容器电压，在环路放大器G7处对各个电容器电压Vc1、Vc2、Vc3取平均以形成VCave 并与基准VCaveref进行比较，误差信号被增益G7放大并且被作为相等的输入需求信号PFCdem1、PFCdem2、PFCdem3相等地发送以控制每个PFC级。这些相等的输入需求信号由于相等的输入电阻值而保证了来自每个级的相等的功率消耗以及稳定的星点。根据该控制，仅控制了平均电容器电压VCave，所以各个电容器能够具有与平均值不同的电压。

由环路放大器G8调节输出电压Vout，在环路放大器G8处将测量的输出电压Vout与基准Voutref进行比较，并且由增益G8来放大误差以形成被用作针对全部三个DCDC级的输出电流需求的共用输出电流需求Ioutdem。由各个输出电流环路放大器G4、G5、G6控制每个输出电流，在各个输出电流环路放大器G4、G5、G6处将每个输出电流Io1、Io2、Io3与共用输出电流需求Ioutdem进行比较，并且由增益G4、G5、G6来放大误差信号以形成输出电流需求信号DCDCdem1、DCDCdem2、DCDCdem3。

因为在该布置中输出电流相等，所以来自每个级的功率输出相等。但是随后附加控制变化这些输出电流以通过将三个误差信号VCe1、VCe2、VCe3添加到输出电流Io1、Io2、Io3来调节每个电容器电压。由各个电容器电压环路放大器G1、G2、G3来生成这些电容器电压误差信号VCe1、VCe2、VCe3，其中，各个电容器电压环路放大器G1、G2、G3将平均电容器电压VCave与各个电压VC1、VC2、VC3进行比较，然后由增益G1、G2、G3来放大误差信号。因此，如果任何电容器电压VC1、VC2、VC3与平均值不同，则对输出电流进行修正以修复该电压。

通过限制各个电容器电压环路放大器G1、G2、G3的DC增益，三个控制信号(即电容器电压误差信号VCe1、VCe2、VCe3)具有为零的平均值，所以即使各个输出电流可能大于或小于由共用输出电流需求Ioutdem所设定的它们的平均值，也能维持平均输出电流。通过单独调整输出电流实现了对全部三个电容器电压的控制。

图4示出了单相两级转换器的一个可能拓扑。AC输入电压AC in被二极管桥整流，然后被升压电路处理，升压电路由升压电感器LB、升压开关SWB以及升压二极管DB构成，该升压电路将电力传送到储能电容器C中。通过使用脉冲宽度调制器(PWM)控制升压开关SWB使得输入电流的大小等于输入电压的大小乘以需求信号PFCdem，该级表现得如同AC输入的电阻器，并且实现了接近1的功率因数。

由开关SW1和SW2，谐振元件LR、CR1、CR2，以及变压器Tx 的磁化电感，以及连接到变压器Tx的次级的二极管桥组成隔离LLC DCDC级。通过按差不多50％占空比控制开关反相，以及使用频率调制器(FM)来变化频率，能够使用谐振网络的特性由需求信号DCDCdem实现对输出电压和电流的控制。

图5示出了根据图2组合的三个单相PFC级，使得其输入星形(或Y形)连接，并且为了清楚的目的省略了DCDC级，并且图3中示出了稳定星点的控制电路。每个PFC的控制电路(例如，如图4中所示出的)保证了所提取的输入电流与输入电压乘以要求值成比例，从而形成表观输入电阻。通过变化需求，将提取变化的输入功率。

在单相转换器中，变化需求以调节单个储能电容器电压，但是这里没有那样做。每个PFC级输入需求信号PFCdem1、PFCdem2、PFCdem3相同，并且被单个环路放大器A7控制，环路放大器A7将作为通过R1、R2、R3的三个电容器电压Vc1、Vc2、Vc3的平均值的平均电容器电压VCave控制成等于基准VCaveref。

使用单个控制信号的原因是为了保证全部三个电路的需求是相同的，所以全部三个电路的表观输入电阻是相同的。这即使在AC不平衡的情况下也保证了星点的稳定性。平均电容器电压环路放大器A7的闭环带宽较低(比如说5Hz)，使得其输出处的需求信号在电源频率周期期间基本上恒定，从而允许低失真以及对AC高线路阻抗的高抗扰度，具有与典型单相控制电路相似的性能。

各个PFC控制电路的增益应当在控制范围上良好地匹配(比如说+/-5％)，以针对每个级实现相似的表观输入电阻值以及相等的AC输入电压。任何增益失配由于不相等的表观电阻而导致不相等的AC电压，并且虽然不期望，但是该情况因为表观电阻恒定而稳定。

当控制全部三个电容器的平均电容器电压VCave时，各个电容器电压Vc1、Vc2、Vc3可以彼此有少量或大量的不同并仍满足平均值要求。这种不同是不期望的并且可以导致故障。所以解决了星点稳定性但是出现了新问题。

参考图6，根据图1、图2和图5组合了三个单相转换器，使得它们的输入星形连接并且它们的输出并联连接。与隔离DCDC控制信号一起示出输出电流和电压的感测点，并且在图7中示出了控制DCDC级的电路。

参考图7，输出电压环路放大器A8将经由R13的输出电压Vout与基准Voutref进行比较，并且具有高闭环带宽(比如说2kHz)以抵制噪声并准确地调节电压输出。其输出是被相等地馈送到各个输出电流环路放大器A4、A5、A6的共用输出需求电流Ioutdem。如下面将描述的，由环路放大器A4、A5、A6控制各个DCDC级，并且该单独控制使得能够解决以上概述的电容器不平衡问题。

每个输出电流环路放大器A4、A5、A6将经由R4、R5、R6的输出电流Iout1、Iout2、Iout3与来自输出电压环路放大器A8的需求电流Ioutdem进行比较，并且以高闭环带宽(比如5kHz)调节每个DCDC级以实现所要求的电流并抑制出现在储能电容器上的任何100Hz纹波(假设50Hz线频率)。调制器Mod 1、Mod 2、Mod 3被示出在隔离级DCDCdem1、DCDCdem2、DCDCdem3之前的环路放大器的输出处，但是同样它们可以被放置在具有相同功能的隔离级之后。

由于输出的并联连接而实现相等的输出电流以及相等的输出电压的结果是相等的输出功率以及因此得到的来自三个单相转换器的相等的输入功率，因此实现转换器之间的功率的相等共用。但是如下所述有时不期望相等的功率。

考虑三个转换器的表观输入电阻器的匹配有缺陷或者三个输出电流的感测有缺陷的情况。任何一种情况都将导致储能电容器持续损失或持续获得能量，从而失控至零或者很高的电压，以及保护电路的开启或转换器很可能故障。期望调节各个电容器电压以使此情况减轻。

考虑AC相不平衡的情况，在该情况下，与其它两相电压相比一个相电压较低。PFC级会继续将三个相等电容器呈现给在星点处连接在一起的AC输入。因为输入电压较小，所以低相中被提取到的电流会会较小，所以由连接到该相的PFC级提取的平均功率会较小。

为了实现平衡，DCDC级必须消耗与PFC级一样的平均功率，否则电容器电压将会稳定下降或升高。通过变化DCDC功率消耗而调节每个电容器电压，使得每个DCDC中的功率与由PFC级提供的功率匹配。

各个电容器电压环路放大器A1、A2、A3通过改变输出电流Iout1、Iout2、Iout3来实现电容器电压调节。它们将经由R10、R11、R12的各个电容器电压与平均电容器电压VCave进行比较，并且经由环路放大器A4、A5、A6的输入节点处的R7、R8、R9将校正信号VCe1、VCe2、 VCe3提供到输出电流中的每个。

各个电容器电压环路放大器A1、A2、A3的闭环带宽较低(比如说4Hz)，使得电容器电压Vc1、Vc2、Vc3上的100Hz处出现的纹波基本不出现在电容器电压环路放大器A1、A2、A3的输出上，并且由各个输出电流环路放大器A4、A5、A6控制的DCDC级基本不携带100Hz纹波。各个电容器电压环路放大器A1、A2、A3的DC增益可以被有益地限制到足以实现电容器电压的可接受匹配的值(比如说2％内)，并且具有以下好处：避免这些放大器A1、A2、A3的限幅(clipping)，以及电容器误差电压VCe1、VCe2、VCe3的平均值为零，因此输出电压环路放大器A8的行为基本上不被电容器电压调节所影响。

当在本发明的优选实施例中使用所有以上控制时，星点是稳定的，并且输入电流享有与单相转换器相似的低失真，控制了电容器电压，DCDC级中的100Hz纹波低，除了相不平衡的情况之外，三个转换器均衡地共用功率，并且输出享有与单相转换器类似的低噪声。

最后，虽然在本文中已经详细描述了本发明的优选实施例，但是本领域的技术人员将理解的是，其它实施例是可能的，并且这样的实施例被包括在所附权利要求的范围内。例如，如图7中所示，可以用硬件来实现附图中示出的控制电路，或者可以完全地或部分地用软件来实现。应当认为，控制电路的软件实现将完全在本领域的技术人员的能力内，因此在本文中不需要详细说明。应认为这样的实现落在所附权利要求的范围内。