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CN106664009A - 多电平驱动的中性点调节器硬件 - Google Patents

多电平驱动的中性点调节器硬件 Download PDF

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CN106664009A
CN106664009A CN201580046700.7A CN201580046700A CN106664009A CN 106664009 A CN106664009 A CN 106664009A CN 201580046700 A CN201580046700 A CN 201580046700A CN 106664009 A CN106664009 A CN 106664009A
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Abstract

本公开一般涉及用于功率变换器系统的中性点平衡方案。该平衡电路包括可操作地耦接到DC链路电容器组中点的第一电部件的第一端以及可操作地耦接到所述第一电部件的第二端、正电压和负电压轨的开关组合，其中所述开关组合被配置成在所述第一电部件的第二端处生成脉宽调制信号。

Description

多电平驱动的中性点调节器硬件
相关申请的交叉引用
本专利申请涉及且要求2014年8月8日提交的美国临时专利申请序列号62/043,088的优先权权益，其全部内容通过引用并入本专利公开中。
技术领域
本发明公开一般涉及功率变换器，更确切地来说涉及用于多电平驱动的中性点调节器硬件。
背景技术
三相电动机在多种工业应用和设备中使用。例如，电梯系统典型地利用三相AC电压驱动来为移动电梯轿厢的升降机电动机提供电力。因为这些轿厢电动机能够消耗大量能量，所以在此类电梯系统中期望使用的是能效高的功率控制系统
在典型电梯系统中，将大楼AC电压源提供到整流器电路，整流器电路中将其转换成DC电压。然后使用逆变器将该DC电压转换回具有期望特征的AC电压。虽然逆变器非常适于此类转换，但是由于逆变器的功率级开关操作的原因，所得到的AC电压典型地包含多种谐波频率。这些谐波频率是非期望的且存在时可能负面地影响相关的电梯系统。谐波频率的潜在影响可以通过将系统的总谐波失真(THD)纳入考虑来进行估算，其中THD是随着信号通过系统而对存在于信号的失真的测量。一般来说，THD小的系统更值得期待。
中性点钳位(NPC)三电平逆变器适于在电梯系统中使用，因为作用于其开关电源装置的电压应力是作用于常规二电平逆变器中使用的设备的电压应力的一半。但是，与NPC三电平逆变器关联的一个问题是其中性点电势变化。在某些情况下，DC链路中性点电势可能显著地波动或持续地漂移到不可接受的电平。由此，开关装置可能由于使得驱动不可靠的过电压应力而发生故障。因此，存在需要一种中性点电压平衡方案以减少中性点电势变化。
发明内容
在一个方面中，提供一种多电平变换器系统。该多电平变换器系统利用中性点钳位(NPC)拓扑，该中性点钳位(NPC)拓扑又包括正电压轨、负电压轨和可操作地耦接到中性点的平衡电路。该平衡电路包括可操作地耦接到中性点的第一电部件的一端以及可操作地耦接到开关组合、正电压轨和负电压轨的第一电部件的另一端，其中所述开关组合被配置成在该第一电部件的第二端处生成脉宽调制信号。
在一个实施方案中，该开关组合包括多个开关，其中这些开关中的第一开关耦接到第一电部件的第二端和正电压轨，这些开关的第二开关串联到这些开关的第一开关，并且这些开关中的第二开关耦接到第一电部件的第二端和负电压轨。在一个实施方案中，第一电部件包括电感器。在一个实施方案中，该平衡电路还包括邻近于第一电部件定位的传感器。在一个实施方案中，该传感器包括电感传感器。
在一个方面中，一种用于为多电平变换器提供电压平衡控制的方法，所述多电平变换器包括DC链路电容器组，所述DC链路电容器组又包括介于正电压轨与负电压轨之间的浮动电势的至少一个中点，并且平衡电路可操作地耦接到该多电平变换器的所述中点，其中该平衡电路包括可操作地耦接到第一电部件的多个开关，该方法包括确定电压差信号的步骤，其中所述电压差信号包括将形成电压差信号的第一电压与第二电压之差，其中该第一电压包括所述正电压轨与所述至少一个中点之间的电压并且该第二电压包括所述负电压轨与所述至少一个中点之间的电压。
该方法还包括通过第一调节器传递电压差信号来确定电流基准值的步骤。
该方法还包括通过确定所述电流基准值与测得的电流值之差来确定中性点误差信号的步骤。在一个实施方案中，所述测得的电流值包括在邻近于第一电部件的位置处测得的电流值。
该方法还包括至少部分地基于所述中性点误差信号来触动这些开关的至少其中之一的步骤。在一个实施方案中，所述至少一个开关基于所述中性点误差信号从第二调节器的输出来触动。
还描述了其他实施方案。
附图说明
通过参考下文结合附图对本发明公开的多种示范性实施方案的描述，将显见且更好地理解本文包含的实施方案和其他特征、优点和公开及其实现方式。
图1是NPC三电平逆变器电路拓扑的示意图；
图2是可操作地耦接到NPC三电平逆变器电路拓扑的中性点平衡电路的示意图；
图3是可操作地耦接到NPC三电平逆变器电路拓扑的中性点平衡电路的实施方案的示意图；以及
图4是与图3的中性点平衡电路一起使用的控制电路的示意流程图。
具体实施方式
为了有助于理解本发明公开的原理，现在将参考附图图示的实施方案，并且使用特定的语言来描述这些实施方案。尽管如此，应理解并不由此意味着对本发明公开的范围进行任何限制。
图1是一般性地在10处指示的NPC三电平变换器系统。本实施方案中示出的变换器系统10利用中性点钳位(NPC)拓扑，该中性点钳位(NPC)拓扑具有三个变换器分支和跨每个相应变换器分支的一对钳位二极管D13、D14、D15、D16、D17、D18。开关S1-S4提供第一三电平变换器分支，开关S5-S8提供第二三电平变换器分支，并且开关S9-S12提供第三三电平变换器分支。将认识到开关S1-S12可以包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、集成门极换流晶闸管(IGCT)或其他相似类型的高电压开关，作为几个非限制性示例。当作为逆变器来工作时，三电平变换器分支分别向AC节点Va、Vb和Vc提供AC功率，AC节点Va、Vb和Vc对应于电动机12的电动机绕组相A、B和C。当作为整流器来工作时，每个三电平变换器分支将AC节点Va、Vb和Vc处施加的AC电压转换成正DC节点+VDC和负DC节点-VDC两端的DC电压。
变换器系统10还包括具有中性点16的电容器组14。为了实现最优工作，电容器组14的中性点16的每一端上应该存在相同电压量值(即，已平衡)。对于三电平变换器，电压平衡通称为中性点平衡。
如图2所示，系统10还包括可操作地耦接到中性点16的平衡电路18。平衡电路18包括可操作地耦接到中性点16的第一电部件20的一端以及可操作地耦接到开关组合、正电压轨和负电压轨的第一电部件20的另一端，所述开关组合可操作地耦接到第一电部件20的第二端，其中所述开关组合被配置成在第一电部件20的第二端处生成脉宽调制信号。
在一个实施方案中，如图3所示，开关组合包括一对开关22和24。在一个实施方案中，第一电部件20包括电感器。将认识到，作为几个非限制性示例，开关22和24可以包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、集成门极换流晶闸管(IGCT)或其他相似类型的高电压开关。在所示的示例中，开关22和24分别各与二极管26和28关联。每个二极管26和28被连接，其阴极分别耦接到开关22和24的集电极并且其阳极分别耦接到开关22和24的发射极。电感器20的另一端耦接到二极管26的阳极和二极管28的阴极。在一个实施方案中，平衡电路18还包括邻近于第一电部件20定位的传感器30。在一个实施方案中，传感器30包括电感传感器。传感器30被配置成测量中性点16处的电流。将认识到，平衡电路18可以在包括中性点16的任何逆变器拓扑中使用。
图4是根据调节开关22和24和系统10的中性点16的占空比的实施方案的控制示意图。如图2所示的控制器32被配置成获取表示中性点16处的电压不平衡的误差信号，并且使用中性点调节器40以提供将电压维护在阈值内的中性点命令。
一个实施方案中可以通过经由差元件34获取电容器两端的两个电压(V上和V下)之差来获取中性点调节器38使用的未平衡的电压。然后经由调节器36传递该信号以确定电流基准值(I基准)。表示中性点误差的信号是经由差元件38传递电流基准值(I基准)和从传感器30测得的电流(I反馈)的结果。经由中性点调节器40传递中性点误差。在一个实施方案中，中性点调节器40包括比例积分(PI)调节器(以将中性点误差驱动向0)。该输出产生占空比命令以在导通开关22和关断开关24之间交替，并且反之依然。例如，当V上大于V下时，中性点调节器40发送信号导通开关24和关断开关22。当V下大于V上时，中性点调节器40发送信号以导通开关22和关断开关24。当开关22或24的其中之一导通但是另一个开关关断时，中性点被调整并且可以实现平衡。
应认识到，平衡电路18和中性点调节器40通过产生占空比命令以在导通开关22和关断开关24之间交替来提供平衡中性点16处的电压的独立方式，并且反之依然。
虽然附图和前文描述中详细地图示和描述了本发明，但是这些描述应视为说明性的而非在特征上进行限制，应理解，仅示出和描述了某些实施方案，并且期望保护落在本发明的精神内的所有更改和修改。

Claims (17)

1.一种用于多电平变换器的平衡电路，所述多电平变换器包括DC链路电容器组，所述平衡电路包括：
第一电部件，其中所述第一部件的第一端可操作地耦接到所述DC链路电容器组的中点，所述中点包括介于正电压轨与负电压轨之间的浮动电势；以及
开关组合，所述开关组合可操作地耦接到所述第一电部件的第二端、所述正电压和所述负电压轨，其中所述开关组合被配置成在所述第一电部件的第二端处生成脉宽调制信号。
2.如权利要求1所述的平衡电路，其中所述开关组合包括：
多个开关，其中所述开关中的第一开关耦接到所述第一电部件的第二端和所述正电压轨，所述开关中的第二开关串联到所述开关的所述第一开关，并且所述开关中的所述第二开关耦接到所述第一电部件的第二端和所述负电压轨。
3.如权利要求1所述的平衡电路，还包括控制器，其中所述控制器被配置成向所述开关组合提供控制信号以选择性地触动所述开关。
4.如权利要求1所述的平衡电路，还包括邻近于所述第一电部件定位的传感器。
5.如权利要求1所述的平衡电路，其中所述第一电部件包括电感器。
6.如权利要求4所述的平衡电路，其中所述传感器邻近于所述第一电部件的第二端定位。
7.如权利要求2所述的平衡电路，还包括多个二极管，其中所述二极管的第一二极管并联耦接到所述开关中的所述第一开关，并且所述二极管的第二二极管并联耦接到所述开关中的所述第二开关。
8.一种电力生成系统，其包括：
多电平变换器，其中所述多电平变换器包括DC链路电容器组；以及
可操作地耦接到所述多电平变换器的平衡电路，其中所述平衡电路包括：
第一电部件，其中所述第一部件的第一端可操作地耦接到所述DC链路电容器组的中点，所述中点包括介于正电压轨与负电压轨之间的浮动电势；以及
开关组合，所述开关组合可操作地耦接到所述第一电部件的第二端、所述正电压和所述负电压轨，其中所述开关组合被配置成在所述第一电部件的第二端处生成脉宽调制信号。
9.如权利要求8所述的电力生成系统，其中所述开关组合包括：
多个开关，其中所述开关中的第一开关耦接到所述第一电部件的第二端和所述正电压轨，所述开关中的第二开关串联到所述开关的第一开关，并且所述开关中的第二开关耦接到所述第一电部件的第二端和所述负电压轨。
10.如权利要求8所述的电力生成系统，还包括控制器，其中所述控制器被配置成向所述开关组合提供控制信号以选择性地触动所述开关。
11.如权利要求8所述的电力生成系统，还包括邻近于所述第一电部件定位的传感器。
12.如权利要求8所述的电力生成系统，其中所述第一电部件包括电感器。
13.如权利要求11所述的电力生成系统，其中所述传感器邻近于所述第一电部件的第二端定位。
14.如权利要求9所述的电力生成系统，还包括多个二极管，其中所述二极管的第一二极管并联耦接到所述开关中的所述第一开关，并且所述二极管的第二二极管并联耦接到所述开关中的所述第二开关。
15.一种用于为多电平变换器提供电压平衡控制的方法，所述多电平变换器包括DC链路电容器组，所述DC链路电容器组包括介于正电压轨与负电压轨之间的浮动电势处的至少一个中点，并且平衡电路可操作地耦接到所述多电平变换器的所述中点，其中所述平衡电路包括可操作地耦接到第一电部件的多个开关，所述方法包括如下步骤：
确定电压差信号，其中所述电压差信号包括将形成电压差信号的第一电压与第二电压之差，其中所述第一电压包括所述正电压轨与所述至少一个中点之间的电压并且所述第二电压包括所述负电压轨与所述至少一个中点之间的电压；
通过第一调节器传递所述电压差信号来确定电流基准值；
通过确定所述电流基准值与测得的电流值之差来确定中性点误差信号；以及
至少部分地基于所述中性点误差信号来触动所述开关中的至少其中之一。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述至少一个开关基于所述中性点误差信号从第二调节器的输出来触动。
17.如权利要求15所述的方法，其中所述测得的电流值包括在邻近于所述第一电部件的位置处测得的电流值。
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