專利名稱：使用具有交錯運行的中性點耦合電路的電力轉(zhuǎn)換器設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力轉(zhuǎn)換設(shè)備和方法，特別涉及逆變器設(shè)備及其運行方法。
背景技術(shù)：
逆變器用在多種不同的電力系統(tǒng)應(yīng)用中，包括不間斷電源(UPS)、 電力調(diào)節(jié)器以l良電機/市電網(wǎng)接口。在典型的在線式UPS中，例如，整 流器可被用于從市電電源等AC源向DC母線提供電力，電池可凈皮耦合到 DC母線，以便在AC源故障時向DC母線提供輔助電力。耦合到DC母線 的輸出逆變器可用于產(chǎn)生AC電力。其他類型的UPS可不使用輸入整流器， 但可包含類似的耦合到DC母線的輸出逆變器，DC母線沿著類似的思路 由后備電池供電。
已經(jīng)開發(fā)出多種技術(shù)來改進逆變器設(shè)備的性能。例如，授予Tracy等 人的美國專利No. 7,088,601介紹了一種電力轉(zhuǎn)換器設(shè)備，例如在線式或線 路交互式UPS,其包含耦合到第一與第二 DC母線的DC/AC轉(zhuǎn)換器。使 用被配置為有選擇地將DC母線耦合到中性點的半橋電路，相對于輸出中 性點移動DC母線之間的電壓范圍。這樣的中性點耦合技術(shù)可用于減小開 關(guān)損耗和部件應(yīng)力。授予West的美國專利No.7，046,527介紹了一種用于 將分布式能量系統(tǒng)(例如光電陣列、燃料電池、風(fēng)力渦輪機等)連接到市 電網(wǎng)的逆變器，逆變器包含多個高頻開關(guān)元件，其以同步、時間偏斜 (time-skewed)的布置運4亍，以l更提供紋波電流的可能的減小。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的某些實施例中，電力轉(zhuǎn)換器設(shè)備包含逆變器，其具有被耦 合到第一 DC母線以及第二 DC母線的輸入，并被配置為在其相輸出端子
6上相對于中性端子產(chǎn)生AC輸出。該設(shè)備還包含第一與第二中性點耦合 電路，其各自被配置為有選擇地將第一 DC母線和第二 DC母線耦合到中 性端子；控制電路，其被配置為產(chǎn)生中性點耦合電路的交錯(interleaved) 運行。
根據(jù)其他的實施例，控制電路包含脈寬調(diào)制電路，其被配置為產(chǎn)生 包含一系列脈沖的脈沖串信號，脈沖具有響應(yīng)于控制變量變化的寬度；驅(qū) 動電路，其被配置為響應(yīng)于脈沖串信號的相應(yīng)的交錯脈沖組驅(qū)動中性耦合 電路中的相應(yīng)各個。脈沖串信號可以為第一脈沖串信號，驅(qū)動電路可包含 脈沖分離電路，其被配置為產(chǎn)生包含與交錯脈沖組的相應(yīng)各個對應(yīng)的相應(yīng)
脈沖串的第二與第三脈沖串信號；相應(yīng)的第一與第二驅(qū)動電路，其響應(yīng)于 第二與第三脈沖串信號的相應(yīng)各個對中性點耦合電路的相應(yīng)各個進行驅(qū)
動。第一脈沖串信號的頻率可以是第二以及第三脈沖串信號的頻率的兩倍 或更多倍。第二以及第三脈沖串信號的脈沖可具有第一脈沖串信號的對應(yīng) 脈沖的脈沖寬度的整數(shù)倍的脈沖寬度。
在本發(fā)明的其他實施例中，UPS包含相輸出端子、中性端子、第一 DC母線以及第二 DC母線。共模電感器具有耦合到第一 DC母線和第二 DC母線中的一個的第一端子以及被配置為耦合到電池的第二端子。濾波 器電容器被耦合在共模電感器的第二端子與中性端子之間。逆變器被耦合 到第一 DC母線和第二 DC母線，并被配置為在相輸出端子上相對于中性 端子產(chǎn)生AC輸出。第一與第二中性點耦合電路并聯(lián)耦合在第一 DC母線 與第二 DC母線之間，并各自被配置為有選擇地將第一 DC母線以及第二 DC母線耦合到中性端子?？刂齐?供中性點耦合電路的交錯運行。控 制電路可被配置為控制中性點耦合電路，以便使得第一 DC母線與第二 DC 母線之間的電壓范圍相對于中性端子移動。逆變器可包含笫一與第二并聯(lián) 連接的相耦合電路，其被配置為以交錯方式有選擇地將第一 DC母線與第 二 DC母線耦合到相輸出端子。
本發(fā)明的某些實施例提供了運行電力轉(zhuǎn)換設(shè)備的方法，該設(shè)備包含逆 變器，逆變器被耦合到第一與第二 DC母線并被配置為在相輸出端子上相
7對于中性端子產(chǎn)生AC輸出。提供第 配置為有選擇地將第一 DC母線與第 第二中性點耦合電路的運行是交錯的
性端子產(chǎn)生AC電壓。
一與第二中性點耦合電路，其各自被 二DC母線耦合到中性端子。第一與 ，同時，運行逆變器，以便相對于中


圖1為一原理圖，其示出了才艮據(jù)本發(fā)明某些實施例的UPS; 圖2為一原理圖，其示出了根據(jù)本發(fā)明進一步的實施例的UPS; 圖3為一原理圖，其示出了根據(jù)本發(fā)明某些實施例的中性點耦合控制 電路；
圖4為一定時圖，其示出了才艮據(jù)本發(fā)明進一步的實施例的圖3的控制 電路的示例性運行；以及
圖5為一原理圖，其示出了才艮據(jù)本發(fā)明更進一步的實施例的UPS的部
具體實施例方式
現(xiàn)在將參照附圖介紹本發(fā)明的具體示例性實施例。然而，本發(fā)明可以 以多種不同的形式實現(xiàn)，不應(yīng)看作限制在這里所述的實施例，相反，提供 這些實施例以便使本公開徹底且完整，并向本領(lǐng)域技術(shù)人員充分傳達本發(fā) 明的范圍。在附圖中，類似的號碼表示類似的元件。將會明了，當(dāng)一元件 被稱為被"連接"或"耦合"到另一元件時，其可被直接連接或耦合到另 一元件，或者可能存在中間的元件。這里所用的術(shù)語"和/或"包括一個或 一個以上的相關(guān)所列項的任何以及全部組合。
這里所用的術(shù)語僅僅出于說明特定實施例的目的，不是為了本發(fā)明進 行限制。這里所用的單數(shù)形式"一"、"一個"、"該"也包括復(fù)數(shù)形式， 除非明確地另有說明。還將明了，術(shù)語"包括，，、"包含"、"含有"、 和/或"具有"在用在本說明書中時，說明所述結(jié)構(gòu)元件、整體、步驟、操 作、元素和/或部件的存在，但不排除存在或附加了一個或一個以上的其他結(jié)構(gòu)元件、整體、步驟、操作、元素、部件和/或其組合。
除非另有限定，這里所用的所有術(shù)語(包括凈支術(shù)和科學(xué)術(shù)語)具有與 本發(fā)明所屬領(lǐng)域普通技術(shù)人員通常理解的相同的含義。還應(yīng)明了，常用字 典中定義的術(shù)語應(yīng)當(dāng)解釋為具有與其在本說明書以及相關(guān)技術(shù)背景下的含 義一致的含義，不應(yīng)以理想化或過于拘泥字面的形式解釋，除非這里明確 地這樣限定。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將會明了，本發(fā)明可被實現(xiàn)為系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的 某些實施例可包括軟件和/或硬件。本發(fā)明的某些實施例包含電路，其被配 置為提供這里介紹的功能。將會明了，這些電路可包含模擬電路、數(shù)字電 路以及模擬與數(shù)字電路的組合。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明某些實施例的電源設(shè)備。具體而言，圖1示出
了在線式UPS，其包含在這里被示為耦合到整流器110的輸出的第一與第 二DC母線115a、 116b，整流器110被配置為在相輸入端子VA、 VB、 VC 上接收來自AC電源的電力。UPS還包含逆變器120,其被耦合到DC母 線115a、 115b并被配置為在相輸出端子VA，、 VB，、 VC，上相對于中性端 子N產(chǎn)生AC輸出。電池轉(zhuǎn)換器電路130被耦合到DC母線115a、 115b， 并,皮配置為從電池170向DC母線115a、 115傳送電力以及從DC母線115a、 115傳送電力。
如進一步示出的，UPS包含中性點耦合電路144,其耦合在DC母線 115a、115b之間，并被配置為經(jīng)由相應(yīng)的電感器146將DC母線115a、115b 有選擇地耦合到中性端子N。中性點耦合電路144可用于控制DC母線 115a、 115b以及中性端子N之間的關(guān)系。例如，中性點耦合電路144的占 空比可被改變以便相對于中性端子N移動DC母線115a、 115b，使得可在 相應(yīng)的DC母線115a、 115b相對于中性端子N的電壓之間產(chǎn)生不對稱。 對于例如在前面提到的授予Tracy等人的美國專利No.7，088，601——其整 體并入此處作為參考一一中所介紹的逆變器120，這樣的技術(shù)可用于實現(xiàn) 增大的電力轉(zhuǎn)換效率和減小的部件應(yīng)力。
在所示出的實施例中，電池170被相應(yīng)的共模電感器150a、 150b耦合
9到DC母線115a、 115b，而相應(yīng)的濾波器電容器160a、 160c將電池170 的端子AC耦合到地節(jié)點。根據(jù)本發(fā)明某些實施例，共模電感器150a、 150b 可用于限制可能在DC母線115a、 115b與電池170之間感應(yīng)的相對較高頻 率的電流，其由于中性點耦合電路144的開關(guān)操作產(chǎn)生。這與濾波器電容 器160a、 160b結(jié)合可減小電池170的端子上的電壓漂移。
根據(jù)本發(fā)明進一步的實施形態(tài)，性能可進一步通過提供交錯中性點耦 合控制電路142來改進，該電路被配置為以交錯方式運行中性點耦合電路 144，例如，控制電路142可產(chǎn)生中性點耦合電路144的互補開關(guān)裝置對， 以便以交替的模式開關(guān)。這樣的交錯開關(guān)可減小經(jīng)過共模電感器160a、 160b的電流，因此，可允許使用較小的電感器。另外，這些電流的減小可 進一步減小電池170的端子上的電壓漂移，這可使得相對較小的濾波器電 容器160a、 160b的使用成為可能。例如，這樣的技術(shù)可允許對于電池170 使用地基準(zhǔn)電池監(jiān)視電路。這樣的布置也可支持對于多個UPS使用共用電 池連接。例如，電池170可以以類似的方式連接到具有圖1所示無變壓器 拓樸的多個UPS，而不會有多個UPS的不同步運行，不同步運行導(dǎo)致由于 UPS開關(guān)裝置運行所產(chǎn)生不同步電壓漂移導(dǎo)致的過大的循環(huán)電流的產(chǎn)生。 這在大型或模塊化UPS應(yīng)用中特別有利。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明進一步的實施例的逆變器210、中性點耦合電 路230、電池轉(zhuǎn)換器電路220的示例性實現(xiàn)。逆變器包^l合在第一與第 二DC母線215a、 215b之間的多個半橋電路。各個半橋包含具有相關(guān)聯(lián)的 二極管的絕攀嫩型雙極型晶體管(IGBT)的互補對。半橋電路以并聯(lián)對布 置，即半橋的相應(yīng)對被耦合到相應(yīng)的相輸出端子A、 B、 C,半橋的相應(yīng)各 個被相應(yīng)的電感器Lla、 Llb、 L2a、 L2b、 L3a、 L3b耦合到相輸出端子。
中性點耦合電路230和電池轉(zhuǎn)換器電路220被類似地布置。中性點耦 合電路230包含并聯(lián)連接的半橋，其經(jīng)由相應(yīng)的電感器L4a、 L4b被耦合 到接地中性輸出端子N。電池轉(zhuǎn)換器電路220包含并聯(lián)連接的半橋電路， 其被耦合到相應(yīng)的電感器L5a、 L5b。電感器L5a、 L5b共同耦合到第一共 模電感器250a,第一共模電感器250a也被耦合到電池270的正端子。電池270的負端子被第二共模電感器250b耦合到負DC母線215b，第二共 模電感器250b可被磁耦合到第一共模電感器250a (例如，通過使用共用 磁芯上的分立繞組)。相應(yīng)的濾波器電容器260a、 260b連接在電池270 的正負端子的相應(yīng)各個與地之間。另一個濾波器電容器280耦合在共模電 感器250a、 250b之間。如進一步示出的，中性點耦合電路230、電池轉(zhuǎn)換 器220、逆變器210中的各個并聯(lián)的半橋?qū)梢杂山诲e驅(qū)動電路240以交 錯方式運行。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明某些實施例的中性點耦合控制電路的實施方 式。處理器一一特別是數(shù)字信號處理器(DSP) 310——被配置為實現(xiàn)中性 點耦合控制環(huán)的部件，包括求和點312、補償塊314、脈寬調(diào)制器(PWM) 316。求和點312用于將基準(zhǔn)信號313 (例如希望的設(shè)置點)與表示由控制 環(huán)控制的變量(例如電流、電壓或其他量)的反饋信號313進行比較，產(chǎn) 生被提供給補償塊314的誤差信號。補償塊314產(chǎn)生的輸出改變由PWM 316產(chǎn)生的脈沖串信號315的脈沖的脈沖寬度。
脈沖串信號315被提供給脈沖分離電路320，其可使用例如邏輯電路 來實現(xiàn)，例如可編程邏輯裝置(PLD )。脈沖分離電路320做出響應(yīng)地產(chǎn) 生第一與第二脈沖串信號325a、 325b，笫一與第二脈沖串信號325a、 325b 被提供給相應(yīng)的中性點耦合電路驅(qū)動電路330a、 330b，中性點耦合電路驅(qū) 動電路330a、 330b對于相應(yīng)的中性點耦合橋式電路產(chǎn)生交錯的柵極驅(qū)動信 號335a、 335b。
例如，參照圖4， PWM316可產(chǎn)生如圖4的上面的軌跡所示的PWM 輸出信號。脈沖分離電路320所產(chǎn)生的第一與第二脈沖串信號325a、 325b 包含與PWM輸出信號315的交替脈沖對應(yīng)的脈沖。如進一步所示，脈沖 分離電路也相對于PWM輸出信號315中的對應(yīng)的脈沖將第一與第二脈沖 串信號的脈沖寬度加倍。這能使得當(dāng)PWM輸出信號315的占空比從 0-100%變化時，響應(yīng)于第一與第二脈沖串信號325a、 325b受到驅(qū)動的開 關(guān)裝置的占空比從0-100%變化。以這樣的交錯方式驅(qū)動的并聯(lián)連接的半橋 的使用可看作有效地將個體裝置的開關(guān)速率減半(halving)，同時，保持
ii控制帶寬與PWM輸出信號315的較高的脈沖速率對應(yīng)。
將會明了，盡管圖1-4示出了使用兩個交錯中性點耦合電路，本發(fā)明 其他的實施例可使用兩個以上的交錯中性點耦合電路來類似地實現(xiàn)。另夕卜， 盡管圖3示出了閉環(huán)控制實施方式，多種其他的開環(huán)或閉環(huán)實施方式可用 于本發(fā)明多個實施例中的中性點耦合控制。
根據(jù)本發(fā)明進一步的實施例，交錯并聯(lián)耦合電路可用于UPS中的附加 的轉(zhuǎn)換器電路。例如，圖5示出了 UPS電力系(power train )構(gòu)造，其中， 耦合到相輸出端子A、 B、 C的輸入整流器510、耦合到相輸出端子A，、 B，、 C，的輸出逆變器520以及耦合到中性端子N的中性點耦合電路530各自使 用各自由交錯驅(qū)動電路540以交錯方式驅(qū)動的并聯(lián)連接半橋電路對。這樣 的構(gòu)造可用在圖1所示的UPS構(gòu)造中，以l更進一步增強上面介紹的UPS/ 電池交互的優(yōu)點。
在附圖和說明書中，公開了本發(fā)明的示例性實施例。盡管使用了具體 的術(shù)語，它們僅僅出于一般性和說明性含義，不是用于限制。本發(fā)明的范 圍由所附權(quán)利要求限定。
1權(quán)利要求
1.一種電力轉(zhuǎn)換器設(shè)備，其包含逆變器，其具有被耦合到第一DC母線以及第二DC母線的輸入，并被配置為在相輸出端子上相對于中性端子產(chǎn)生AC輸出；第一與第二中性點耦合電路，其各自被配置為有選擇地將第一DC母線以及第二DC母線耦合到中性端子；以及控制電路，其被配置為引起中性點耦合電路的交錯運行。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的設(shè)備，其中，控制電路被配置為運行中性點耦合 電路，以便相對于中性端子移動第一 DC母線與第二 DC母線之間的電壓 范圍。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中，控制電路包含 脈寬調(diào)制電路，其被配置為產(chǎn)生脈沖串信號；以及驅(qū)動電路，其被配置為響應(yīng)于脈沖串信號的相應(yīng)的交錯脈沖組來驅(qū)動 中性耦合電路的相應(yīng)各個。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的設(shè)備，其中，脈沖串信號包含第一脈沖串信號， 且其中，驅(qū)動電路包含脈沖分離電路，其被配置為產(chǎn)生包含與交錯脈沖組的相應(yīng)各個對應(yīng)的 相應(yīng)脈沖串的第二與第三脈沖串信號；以及相應(yīng)的第一與第二驅(qū)動電路，其響應(yīng)于第二與第三脈沖串信號的相應(yīng) 各個來驅(qū)動中性點耦合電路的相應(yīng)各個。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的設(shè)備，其中，第一脈沖串信號的頻率是笫二以及 第三脈沖串信號的頻率的兩倍或更多倍。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4的設(shè)備，其中，第二以及第三脈沖串信號的脈沖具 有第一脈沖串信號的對應(yīng)脈沖的脈沖寬度的整數(shù)倍的脈沖寬度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中，逆變器包含第一與第二并聯(lián)連接 的相耦合電路，其被配置為以交錯方式有選擇地將第一 DC母線以及第二 DC母線耦合到相輸出端子。
8. —種不間斷電源(UPS)，其包含 相輸出端子；中性端子；第一 DC母線以及第二 DC母線；共模電感器，其具有耦合到第一 DC母線和第二 DC母線中的一個的 第一端子以及凈皮配置為耦合到電池的第二端子；濾波器電容器，其4皮耦合在中性端子與共模電感器的第二端子之間；逆變器，其祐:耦合到第一DC母線和第二DC母線，并被配置為在相 輸出端子上相對于中性端子產(chǎn)生AC輸出；第一與第二中性點耦合電路，其并聯(lián)耦合在第一 DC母線與第二 DC 母線之間，并各自-皮配置為有選擇地將第一 DC母線以及第二 DC母線耦 合到中性端子；以及控制電路，其被配置為引起中性點耦合電路的交錯運行。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8的UPS，其中，控制電路可被配置為使得中性點耦 合電路相對于中性端子移動第一 DC母線與第二 DC母線之間的電壓范圍。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8的UPS，其中，控制電路包含 脈寬調(diào)制電路，其被配置為產(chǎn)生脈沖串信號；驅(qū)動電路，其被配置為響應(yīng)于脈沖串信號的相應(yīng)的交錯脈沖組來驅(qū)動 中性耦合電路的相應(yīng)各個。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10的UPS，其中，脈沖串信號包含第一脈沖串信號， 且其中，驅(qū)動電路包含脈沖分離電路，其被配置為產(chǎn)生第二與第三脈沖串信號，第二與第三 脈沖串信號包含與交錯脈沖組的相應(yīng)各個對應(yīng)的相應(yīng)的第一與第二脈沖 串；以及相應(yīng)的第一與第二驅(qū)動電路，其響應(yīng)于第二與第三脈沖串信號的相應(yīng) 各個來驅(qū)動中性點耦合電路的相應(yīng)各個。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11的UPS，其中，第一脈沖串信號的頻率是第二以 及第三脈沖串信號的頻率的兩倍或更多倍。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11的UPS，其中，第二以及第三脈沖串信號的脈沖 具有第一脈沖串信號的對應(yīng)脈沖的脈沖寬度的整數(shù)倍的脈沖寬度。
14. 根據(jù)權(quán)利要求8的UPS，其中，共模電感器包含 第一共模電感器，其,皮配置為耦合在第一DC母線與電池的第一端子之間；以及第二共模電感器，其被配置為耦合在第二DC母線與電池的第二端子 之間；且其中，濾波器電容器包含第一濾波器電容器，其被耦合在第一共模電感器與中性點之間；以及 第二濾波器電容器，其被耦合在第二共模電感器與中性點之間。
15. 根據(jù)權(quán)利要求8的UPS，其中，逆變器包含第一與第二并聯(lián)連 接的相耦合電路，其被配置為以交錯方式有選擇地將第一 DC母線以及第 二 DC母線耦合到相輸出端子。
16. —種運行電力轉(zhuǎn)換設(shè)備的方法，該設(shè)備包含逆變器，逆變器被耦 合到第一與第二 DC母線并被配置為在相輸出端子上相對于中性端子產(chǎn)生 AC輸出，該方法包含提供第 一與第二中性點耦合電路，其各自被配置為有選擇地將第一 DC 母線以及第二DC母線耦合到中性端子；以及在運行逆變器以l更相對于中性端子產(chǎn)生AC電壓的同時，交錯第一與 第二中性點耦合電路的運行。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其還包含運行中性點耦合電路，以便 使得第一 DC母線與第二 DC母線之間的電壓范圍相對于中性端子移動。
18. 根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中，在運行逆變器以便相對于中性端 子產(chǎn)生AC電壓的同時交錯第一與第二中性點耦合電路的運行包含產(chǎn)生脈沖串信號，該信號包含一 系列具有響應(yīng)于控制變量變化的寬度 的脈沖；以及響應(yīng)于脈沖串信號的相應(yīng)的交錯脈沖組，驅(qū)動中性點耦合電路中的相 應(yīng)各個。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中，響應(yīng)于脈沖串信號的相應(yīng)的交錯 脈沖組驅(qū)動中性點耦合電路中的相應(yīng)各個包含產(chǎn)生第二與第三脈沖串信號，其包含與交錯的脈沖組的相應(yīng)各個對應(yīng)的相應(yīng)的脈沖串；以及響應(yīng)于第二與第三脈沖串信號的相應(yīng)各個，驅(qū)動中性點耦合電路的相 應(yīng)各個。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中，第一脈沖串信號的頻率是第二以 及第三脈沖串信號的頻率的兩倍或更多倍。
21. 根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中，第二以及第三脈沖串信號的脈沖 具有第 一脈沖串信號的對應(yīng)脈沖的脈沖寬度的整數(shù)倍的脈沖寬度。
全文摘要
一種電力轉(zhuǎn)換器設(shè)備，例如不間斷電源(UPS)，其包含逆變器，逆變器具有被耦合到第一DC母線以及第二DC母線的輸入，并被配置為在其相輸出端子上相對于中性端子產(chǎn)生AC輸出。該設(shè)備還包含第一與第二中性點耦合電路，其各自被配置為有選擇地將第一DC母線和第二DC母線耦合到中性端子；控制電路，其被配置為產(chǎn)生中性點耦合電路的交錯運行。
文檔編號H02M5/458GK101669274SQ200880013862
公開日2010年3月10日 申請日期2008年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月27日
發(fā)明者G·W·小奧頓, H-E·普菲策爾 申請人:伊頓動力品質(zhì)公司