多电平转换器和用于操作多电平转换器的控制方法技术

本发明专利技术名称为“多电平转换器和用于操作多电平转换器的控制方法”。本发明专利技术涉及转换器(1)，包括：有源级(2)，其用于将AC输入处的AC输入电压(uin)转换成中间DC电压(UZ)；DC/DC转换器(3)，其用于将中间DC电压(UZ)变换成DC输出处的输出DC电压(Uout)，其中DC/DC转换器(2)具有具体由谐振电路(32)和变压器(33)构成的谐振变压器(32、33)；控制单元(5)，其配置成：仅基于DC/DC转换器(3)的输出DC电压(Uout)、转换器(1)的输入电压(uin)和输入电流有源地操作有源级(2)，以及在开环模式中操作DC/DC转换器(3)。

【技术实现步骤摘要】
多电平转换器和用于操作多电平转换器的控制方法
本专利技术涉及多电平转换器，具体来说，涉及电流隔离的模块多电平转换器。此外，本专利技术涉及用于操作多电平转换器以提供恒定平均输出DC链路电压的控制方法。
技术介绍
多电平转换器是本领域众所周知的。例如，为了输送目的，需要将中等输入AC电压转换成中等或低输出DC电压。一般来说，AC/DC转换器可通过双级方式实现，上述双级方式包含有源前端级和DC/DC转换器级。提供控制单元以控制有源前端级和DC/DC转换器级，以便提供恒定平均的输出DC链路电压。使用多个感测元件测量线路输入电压、线路输入电流、DC链路输出电压、DC/DC转换器的初级侧/次级侧上的谐振电流以及有源前端单元上所有电平的DC链路电压。通常，这种多电平转换器具有多电平拓扑，其中有源前端级串联连接，而隔离的DC/DC转换器级在输出处并联。在多电平转换器拓扑的情况中，感测元件必须测量每个DC/DC转换器的次级侧上的电流以及每个有源前端级的DC链路输出电压。控制单元用于控制有源前端级和DC/DC转换器级，以使得满足平均恒定输出DC链路电压和控制功率因数(例如，接近一)的关键控制目标以及尽可能低的线路电流总谐波失真(THD)。由于中等电压应用中的多电平转换器直接从中等电压源操作，感测设备的隔离要求相当严苛。因此，优选地是减少用于进行施加控制单元中的控制方案所需的测量的电压/电流传感器的数量。文档EP2180586A1和US6,344,979B1示出了具有上述双级拓扑并分别使用LLC谐振电路或CLL谐振电路以使DC/DC转换器成为谐振转换器的AC/DC转换器。文档DE19827872A1还示出具有带有源前端单元和非谐振DC/DC转换器的双级拓扑的多电平功率电子变压器。文档DE19750041C1公开了具有有源前端和是谐振级的DC/DC转换级的DC/DC转换器。此外，文档US6,218792B1公开了模块转换器布置，重点描述模块、机械特征和连通性。文档US5,646,835公开了串联谐振电路，其包含带IGBT的逆变器。该串联谐振电路包括控制器，它利用相位和频率调制结合对数放大器来控制逆变器。文档US2006/0221653A1公开了基于多电平转换器的智能通用变压器，其中包括经由高频变压器耦合到开关的逆变器电路的背对背互连的多电平转换器。通用变压器的输入可耦合到高压配电系统，而通用变压器的输出可耦合到低压应用。在T.Zhao、G.Wang、J.Zeng、S.Dutta、S.Bhattacharya及A.Q.Huang的文档“Voltageandpowerbalancecontrolforacascadedmultilevelsolid-statetransformer”(IEEEAppliedPowerElectronicsConferenceandExposition,APEC2010,第761-767页)中，双有源桥转换器用于DC/DC转换器级。双有源桥转换器的功率流通过控制施加于变压器漏电感的输入和输出上的电压之间相移来控制。为了实现各级之间的功率平衡，需要测量两侧每个电平上的所有电压和电流。US5,233,509中还详细说明了一种通用类型的转换器。
技术实现思路
鉴于以上所述，本专利技术的一个目的是提供一种用于多电平转换器的控制方法，它允许减少感测的电压和电流数量。以上目的通过如权利要求1所述的用于多电平转换器的控制方法以及如更多的独立权利要求所述的多电平转换器来实现。在从属权利要求子项中说明了本专利技术的进一步的实施例。根据第一方面，提供一种多电平转换器，包含：有源级，用于将AC输入处的AC输入电压转换成中间DC电压；DC/DC转换器，用于将中间DC电压变换成DC输出处的输出DC电压，其中DC/DC转换器具有谐振变压器，具体来说，由谐振电路和变压器构成，控制单元，配置成仅基于DC/DC转换器的输出DC电压、有源级的输入电压和输入电流有源地操作有源级，以及在开环模式中操作DC/DC转换器。本专利技术的一个思路是提供一种转换器和用于这种转换器的控制方案，其中只感测DC/DC转换器的DC电压、有源级的输入电压和输入电流即足以实现输出DC链路电压恒定平均以及可控制功率因数的正弦输入电流的控制目标。对于DC/DC转换器，使用带变压器的谐振转换器。DC/DC转换器在开环模式中操作，以使得变压器初级侧和次级侧上的电压基本彼此相关而与供应的输出电流无关。因此，该控制方法只需要输入电压和输入电流以及输出电压为控制量，由于谐振DC/DC转换器，谐振转换器的初级侧上的电压也施加为固定值。因此，由于DC/DC谐振转换器的初级侧和次级侧之间的紧密耦合，不需要对初级侧电压进行额外控制并且仅控制输出DC电压就足够了。此外，控制单元可配置成通过以对应于或低于谐振变压器的谐振频率的开关频率切换有源开关，在开环模式中操作DC/DC转换器。因此，可以实现，在以开环模式操作的DC/DC谐振转换器中可定义能够针对效率进行优化的固定操作点。根据一个实施例，DC/DC转换器可具有第一开关单元和第二开关单元，它们各具有通过续流二极管各自并联的开关元件，其中谐振变压器布置在第一开关单元与第二开关单元之间，其中控制单元配置成以约50%的占空比和开关频率操作开关单元中的一个。具体来说，可提供控制单元，其配置成或者不驱动开关单元中相应的另一个以使续流二极管充当无源整流器，或者操作开关单元中相应的另一个以充当有源整流器。结果显示在处于或低于谐振频率的区域以50%的固定占空比进行操作就足够了。这为脉冲半导体提供导通期间的零电压切换和关断期间的准零电流切换，因为关断电流的值可在谐振回路(resonanttank)的设计期间进行控制和最小化。取决于功率流，DC/DC转换器可操作以有源地切换第一开关单元或第二开关单元中的一个，而取决于拓扑，相应另一个或者可作为无源整流器操作、或者通过切换作为有源整流器操作。在一个开关单元作为无源整流器操作的情况下，它充当阻抗变换器，其中等效负载电阻不同于实际负载电阻并可轻易得出。为了得到恒定的输出DC链路电压，谐振转换器的初级侧上的电压也钳位为由变压器匝数比确定、并受跨谐振电路的互阻抗的电压影响的固定值。可提供控制单元，其具有控制功能，该功能通过计入有源级的输入电流以及输入电压和输出DC电压来反馈控制DC输出电压和输入电流。此外，该控制功能可以是级联控制功能。有源级可具有H桥电路，其中H桥电路根据作为控制功能的结果的调制指数操作。可将有源级提供为具有串联施加的输入电感器。根据一个实施例，谐振变压器可由谐振电路和变压器构成，其中谐振电路包括谐振电感器、谐振电容器和并联电感器。根据另一个方面，可提供一种包括多个上述转换器的布置，其中有源级的AC输入串联连接并且DC/DC转换器的DC输出并联连接，其中控制单元配置成仅基于并联的DC/DC转换器的公共输出DC电压、布置的输入处的输入电压以及经过布置的输入电流有源地操作有源级。此外，可以与串联连接的有源级串联的形式提供公共输入电感器。注意，上述输入电压对应于外部施加于转换器和耦合的转换器的输入线电压。通常，提供输入电感器以从有源级内开关(H桥电路)上的电压解耦外部供应的输入线电压。根据另一个方面，可提供一种本文档来自技高网...

【技术保护点】
转换器(1)，包括：有源级(2)，其用于将AC输入处的AC输入电压(uin)转换成中间DC电压(UZ)；DC/DC转换器(3)，其用于将所述中间DC电压(UZ)变换成DC输出处的输出DC电压(Uout)，其中所述DC/DC转换器(2)具有由谐振电路(32)和变压器(33)构成的谐振变压器(32、33)；控制单元(5)，其配置成?????仅基于所述DC/DC转换器(3)的输出DC电压(Uout)、所述转换器(1)的输入电压(uin)和输入电流有源地操作所述有源级(2)，以及????在开环模式中操作所述DC/DC转换器(3)。

【技术特征摘要】
2011.09.08 EP 11180537.01.一种转换器(1)，包括：有源级(2)，其用于将AC输入处的AC输入电压(uin)转换成中间DC电压(UZ)；DC/DC转换器(3)，其用于将所述中间DC电压(UZ)变换成DC输出处的输出DC电压(Uout)，其中所述DC/DC转换器(3)具有由谐振电路(32)和变压器(33)构成的谐振变压器(32、33)；控制单元(5)，其配置成仅基于所述DC/DC转换器(3)的输出DC电压(Uout)、所述转换器(1)的输入电压(uin)和输入电流有源地操作所述有源级(2)，以及在开环模式中操作所述DC/DC转换器(3)。2.如权利要求1所述的转换器(1)，其中，所述控制单元(5)配置成通过以对应于或低于所述谐振变压器(32、33)的谐振频率的开关频率切换有源开关，而在所述开环模式中操作所述DC/DC转换器(3)。3.如权利要求2所述的转换器(1)，其中，所述DC/DC转换器(3)具有第一开关单元(31)和第二开关单元(34)，它们各具有通过续流二极管(D5–D8)各自并联的开关元件(S5–S8)，其中所述谐振变压器(32、33)布置在所述第一开关单元(31)与所述第二开关单元(34)之间，其中所述控制单元(5)配置成以约50%的占空比和所述开关频率操作所述开关单元(31、34)中的一个。4.如权利要求3所述的转换器(1)，其中，所述控制单元(5)配置成或者不驱动所述开关单元(31、34)中相应的另一个以使续流二极管(D5–D8)充当无源整流器，或者操作所述开关单元(31、34)中相应的另一个以充当有源整流器。5.如权利要求1至4中的任一项所述的转换器(1)，其中，所述控制单元(5)具有控制功能，它通过计入所述有源级(2)的所述输入电流(iin)以及所述输入电压(uin)和所述输出DC电压(Uout)来反...

【专利技术属性】
技术研发人员：D杜杰克，F卡纳莱斯，A梅斯特，
申请(专利权)人：ABB技术有限公司，
类型：发明
国别省市：