用于在AC-DC功率转换装置中限制浪涌电流和延长保持时间的装置和方法与流程

所公开实施例的各方面大体涉及功率转换装置，更具体地，涉及功率因数校正的ac-dc功率转换器。

背景技术：

1、由于现代数据中心的容量不断增加，因此需要高功率密度和高效率电源。传统电源的功率密度约为100瓦/立方英寸，效率约为96％。然而，由于数据中心的容量不断增加，因此需要接近150瓦/立方英寸或以上功率密度，同时需要保持等于或低于传统较低功率密度电源的效率。

2、典型的ac-dc电源也称为功率转换器，包括输入滤波器、功率因数校正(powerfactor correction，pfc)级、dc/dc转换级等多个级以及储能元件和浪涌限流电路。储能元件通常用于内部dc母线，使用母线电容器来储存电能、延长保持时间并提供滤波功能。通常，储能元件包括正温度系数(positive temperature coefficient，ptc)电阻元件和继电器，用于限制浪涌电流。

3、提高开关频率能够减小输入滤波器元件的尺寸，但是无法减小母线电容器的尺寸。在典型的ac-dc功率转换器中，母线电容器约占电源尺寸的三分之一，ptc和继电器占剩余体积的较大部分。传统方案往往分开考虑浪涌电流和保持时间，导致ac-dc功率转换器的尺寸较大且效率较低。

技术实现思路

1、所公开实施例的各方面涉及配备母线电容器的ac-dc功率转换装置，所述母线电容器包括：一对串联连接的电容器，其中一个电容器的电容值大于另一个电容器的电容值；电能传输单元，用于通过在所述两个电容器之间传输电能的方式，限制浪涌电流并延长保持时间。所公开实施例的各方面提供了高效的高密度ac-dc功率转换装置，所述高效的高密度ac-dc功率转换装置通过新型双母线电容器拓扑技术以及新型电能传输单元增强，所述新型电能传输单元用于限制所述ac-dc功率转换装置的浪涌电流并延长保持时间。独立权利要求的主题提及了这一优点和其它优点。在从属权利要求中提供了其它有利修改。

2、根据第一方面，通过一种装置获得上述以及其它目的和优点。在一个实施例中，所述装置包括：功率因数校正级，用于接收电网电源并输出dc母线电源；dc/dc转换级，用于接收所述dc母线电源并输出dc输出电源。所述dc母线电源包括正dc母线和负dc母线。在所述正dc母线电源和所述负dc母线之间，第一电容器与第二电容器串联耦合，所述第一电容器和所述第二电容器之间形成了中心节点。所述第一电容器的电容值大于所述第二电容器的电容值。所述第二电容器与第一开关设备并联耦合。所述装置包括：电能传输单元，耦合至所述dc母线电源和所述第一中心节点，所述电能传输单元用于操作所述第一开关设备并在所述第一电容器和所述第二电容器之间传输电能。通过相同的电能传输电路，所述电能传输和母线电容器拓扑技术能够控制浪涌电流，并延长保持时间。

3、在所述装置的一种可能的实现方式中，所述第一电容器的电容值比所述第二电容器的电容值大至少五十(50)倍。通过电容值远小于所述第一电容器的电容值的第二电容器，可增加控制电能传输所获得的益处。

4、在所述装置的一种可能的实现方式中，所述电能传输单元还用于：在所述电网电源接通后，断开所述第一开关设备，并通过从所述第二电容器向所述第一电容器传输电能的方式控制浪涌电流。控制或限制所述浪涌电流可降低转换器元件的压力，并且可以降低成本、提高可靠性，并有助于达到足地方当局规定的监管要求。

5、在所述装置的一种可能的实现方式中，所述电能传输单元用于：在所述电网电源断开连接后，断开所述第一开关设备，并通过从所述第一电容器向所述第二电容器传输电能的方式延长保持时间。通过这种方式延长保持时间可提供所需的保持时间(通常，约大于15毫秒)，可通过较小母线电容实现，从而提高所述转换器的功率密度。

6、在所述装置的一种可能的实现方式中，所述电能传输单元包括：第二开关设备，与第三开关设备在所述正dc母线和所述负dc母线之间串联耦合，所述第二开关设备和所述第三开关设备之间形成了第二中心节点。电感器耦合在所述第一中心节点和所述第二中心节点之间。所述装置包括：控制器，用于操作所述第一开关设备、所述第二开关设备和所述第三开关设备。所述控制器用于：断开所述第一开关设备，并通过操作所述第二开关设备和所述第三开关设备的方式，在所述第一电容器和所述第二电容器之间传输电能。使用电感器和两个开关设备提供了一种用于在所述第一电容器和所述第二电容器之间泵浦并传输电能的简单、可靠的方法。

7、在所述装置的一种可能的实现方式中，所述控制器用于：在所述电网电源接通后且所述第二电容器的电压高于浪涌电压阈值时，将所述第一开关设备保持在断开状态，并操作所述第二开关设备和所述第三开关设备，以从所述第二电容器向所述第一电容器传输电能。在所述第二电容器的电压小于或等于所述浪涌电压阈值时，所述控制器接通所述第一开关设备，并断开所述第二开关设备和所述第三开关设备。通过比较所述第二电容器电压与电压阈值，将浪涌电流限制操作切换为更高效的正常供电模式。所述切换提供了一种用于确定何时从启动模式转换到更高效的转换器正常操作的简单、有效的方法。

8、在所述装置的一种可能的实现方式中，所述控制器用于：在所述电网电源断开连接后，断开所述第一开关设备，并操作所述第二开关设备和所述第三开关设备，以从所述第一电容器向所述第二电容器传输电能。在所述第二电容器的所述电压大于或等于保持电路的工作阈值时，所述控制器断开所述第一开关设备、所述第二开关设备和所述第三开关设备。对所述第二电容器应用阈值提供了一种用于确定何时结束电能传输的简单、有效的方法，从而防止产生多余的电流。

9、在所述装置的一种可能的实现方式中，所述电能传输单元用于通过电流回路在所述第二电容器和所述第一电容器之间传输电能。所述电流回路用于：通过从参考电流中减去电感器电流的方式产生电流误差信号；通过对所述电流误差信号应用电流补偿算法的方式产生电流控制信号；通过从所述第二电容器的所述电压除以所述母线电压的方式产生前馈信号；通过将所述电流误差信号和所述前馈信号相加的方式产生开关控制信号；通过使用载波信号调制所述开关控制信号的方式产生第二开关控制信号和第三开关控制信号。所述第二开关控制信号用于操作所述第二开关设备，所述第三开关控制信号用于操作所述第三开关设备。使用电流控制回路可直接调节并限制浪涌电流。

10、在所述装置的一种可能的实现方式中，所述电流补偿算法包括比例算法、比例+积分算法、比例+积分+衍生算法、ii型算法和iii型算法中的一个。使用易于分析的控制算法可简化设计，并实现稳定、稳健的控制器操作。

11、在所述装置的一种可能的实现方式中，所述参考电流包括预定义参考电流值。在所述转换器启动期间，使用预定义参考电流值常数，确保浪涌电流不会超过设计参数。

12、在所述装置的一种可能的实现方式中，所述电能传输单元用于通过电压回路从所述第一电容器向所述第二电容器传输电能。所述电压回路用于：通过从电压参考信号中减去所述母线电压的方式产生电压误差信号；通过对所述电压误差信号应用电压补偿算法的方式产生所述参考电流。只要存储的电能允许，通过电压回路控制电能传输可保证所述母线电压高于可接受的操作值。

13、在所述装置的一种可能的实现方式中，所述电压补偿算法包括比例算法、比例+积分算法、比例+积分+衍生算法、ii型算法和iii型算法中的一个。使用易于分析的控制算法可简化设计，并实现稳定、稳健的控制器操作。

14、在所述装置的一种可能的实现方式中，所述第一电容器连接至所述正dc母线，所述第二电容器连接至所述负dc母线。该电容器布置能够实现所述两个电容器之间的电能传输。

15、在所述装置的一种可能的实现方式中，所述第一电容器连接至所述负dc母线，所述第二电容器连接至所述正dc母线。交换所述第一电容器和所述第二电容器的位置可实现设计灵活性。

16、在所述装置的一种可能的实现方式中，所述载波信号是锯齿形信号和三角形信号中的一个。可以使用各种适当的调制技术来实现电能传输，从而进一步提高设计灵活性。

17、根据第二方面，通过一种用于操作ac-dc功率转换装置的方法来实现上述以及其它优点。所述示例性方法用于限制高功率密度和高效率ac-dc功率转换装置中的浪涌电流，并延长保持时间。在一个实施例中，所述功率转换装置包括：功率因数校正级，用于接收电网电源并输出dc母线电源；dc/dc转换级，用于接收所述dc母线电源并输出dc输出电源；第一电容器和第二电容器，通过所述dc母线电源串联连接；开关设备，与所述第二电容器并联连接。所述第一电容器的电容值大于所述第二电容器的电容值。在一个实施例中，所述方法包括：将所述功率因数校正级连接至所述电网电压；断开所述开关设备；通过电流控制回路从所述第二电容器向所述第一电容器传输电能。在所述第二电容器的电压小于或等于浪涌电压阈值时，所述方法包括：接通所述开关设备，并停止从所述第二电容器向所述第一电容器传输电能。电能传输方法可以使用基于两个串联耦合的电容器的简单电路拓扑来控制浪涌电流，所述两个电容器中的每一个具有不同的电容值。

18、在所述方法的一种可能的实现方式中，所述方法还包括：在正常供电模式下，操作所述功率转换装置；在检测到所述电网电源损失后，断开所述开关设备，并通过电压控制回路从所述第一电容器向所述第二电容器传输电能。在所述第二电容器的电压大于保持电路的工作阈值时，停止从所述第一电容器向所述第二电容器传输电能。通过单个简单电路拓扑来应用不同的电能传输方法，所述电能传输方法可以控制浪涌电流，并延长保持时间。

19、示例性实施例的这些和其它方面、实现方式和优点将从结合附图考虑的本文描述的实施例中变得显而易见。但应理解，此类描述和附图仅用于说明的目的，而不能作为对所公开发明的限制；对本发明的任何限制，应参考所附权利要求书。本发明的附加方面和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分方面和优点在说明书中显而易见，或者可以通过实施本发明而了解。此外，本发明的方面和优点可以通过所附权利要求书中特别指出的手段或结合方式实现和获得。