包括三个单相模块的三相交流到直流电力转换器的控制制造技术

本公开涉及一种电力转换器和控制电力转换器的方法。一种在提供宽带宽输出以及免除高电源阻抗的同时在没有中性点连接的情况下从三相AC电源工作的隔离AC到DC电力转换器。该转换器包括三个单相两级AC到DC转换器，其输入星形(或Y形)连接并且其输出并联连接。以新方式控制三个单相两级AC到DC转换器以平衡星点并且均衡共用功率。能够针对成本、效率和可靠性优化该单相转换器。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。在优选实施例中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在没有中性点连接的情况下工作的三相交流到直流电力转换器，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，所述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，所述储能电容器连接到所述功率因数校正级的输出；以及直流到直流转换器(DCDC)级，所述直流到直流转换器级连接到所述储能电容器，并且具有能够被输出需求信号控制的输出，其中，所述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，所述控制电路用于确定所述输入需求信号以及输出需求信号，使得在使用时：由通过调节三个储能电容器上的平均电压而确定的相等的输入需求信号一起控制全部三个功率因数校正级；并且由输出需求信号单独控制每个直流到直流转换器级，所述输出需求信号包括：基于连接到所述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。

【技术特征摘要】
2015.06.19 AU 20152034051.一种在没有中性点连接的情况下工作的三相交流到直流电力转换器，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，所述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，所述储能电容器连接到所述功率因数校正级的输出；以及直流到直流转换器(DCDC)级，所述直流到直流转换器级连接到所述储能电容器，并且具有能够被输出需求信号控制的输出，其中，所述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，所述控制电路用于确定所述输入需求信号以及输出需求信号，使得在使用时：由通过调节三个储能电容器上的平均电压而确定的相等的输入需求信号一起控制全部三个功率因数校正级；并且由输出需求信号单独控制每个直流到直流转换器级，所述输出需求信号包括：基于连接到所述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。2.根据权利要求1所述的转换器，其中，由(i)相关各个储能电容器上的各个电压与(ii)所述三个储能电容器上的所述平均电压之间的差来确定所述校正量。3.根据权利要求2所述的转换器，其中，由环路放大器控制所述三个储能电容器上的所述平均电压，在所述环路放大器处对各个电容器电压取平均并且然后与基准电压进行比较。4.根据权利要求3所述的转换器，其中，由各个电容器电压环路放大器确定实现所述储能电容器的调节所需要的所述校正量，所述各个电容
\t器电压环路放大器将所述各个电容器电压与所述三个电容器上的所述平均电压进行比较。5.根据权利要求4所述的转换器，其中，所述各个电容器电压环路放大器的闭环带宽足够低，使得出现在所述电容器电压上的纹波电压在所述各个电容器电压环路放大器的所述输出处基本上不出现。6.根据权利要求5所述的转换器，其中，限制所述各个电容器电压环路放大器的直流增益，使得避免这些放大器的限幅。7.根据权利要求1至7中的任一项所述的转换器，...

【专利技术属性】
技术研发人员：奈杰尔·查尔斯·梅钦，朱里安·德克特尔，
申请(专利权)人：整流器技术太平洋有限公司，
类型：发明
国别省市：澳大利亚;AU