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用于提高中点箝位型逆变器效能的系统和方法

申请号 CN201480077471.0 申请日 2014-03-03 公开(公告)号 CN106105009B 公开(公告)日 2019-08-16
申请人 施耐德电气IT公司; 发明人 R·格霍什; 翰宁·罗阿·尼尔森; D·克里基克;
摘要 本文所描述的不间断电源系统包括第一输入端和第二输入端以及AC输出端。所述不间断电源系统还包括与所述第一输入端、所述第二输入端和所述AC输出端耦接的电 力 电路 ,该电力电路包括逆变器,所述逆变器包括第一对 开关 元件和第二对开关元件,所述第一对开关元件包括第一开关元件和第二开关元件,所述第二对开关元件包括第三开关元件和第四开关元件,其中所述第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件具有相同的额定 电压 ;所述不间断电源系统还包括耦接到所述第二对开关元件的 控制器 ,所述控制器被配置为控制所述第三开关元件和第四开关元件从而防止出现过电压的情况。
权利要求

1.一种不间断电源系统,包括:
第一输入端,其被配置为连接到第一电源;
第二输入端,其被配置为连接到第二电源;
AC输出端,其被配置为提供源于所述第一输入端处的电和所述第二输入端处的电力中的至少一个的输出电力,所述AC输出端具有第一输出端子和第二输出端子;
电力电路,其被耦接到所述第一输入端、所述第二输入端和所述AC输出端,所述电力电路包括逆变器,所述逆变器具有第一对开关元件和第二对开关元件,所述第一对开关元件包括第一开关元件和第二开关元件,其中所述第一开关元件被耦接到正电压轨,而所述第二开关元件被耦接到负电压轨,所述第二对开关元件包括第三开关元件和第四开关元件,其中所述第三开关元件被耦接到所述第一开关元件并且所述第四开关元件被耦接到所述第二开关元件,所述第三开关元件和所述第四开关元件也被耦接到所述第一输出端子,其中所述第一开关元件、所述第二开关元件、所述第三开关元件和所述第四开关元件具有相同的额定电压;以及
控制器,其被耦接到所述第一对开关元件和所述第二对开关元件并且被配置为控制所述第三开关元件和所述第一开关元件从而通过在接通所述第一开关元件之前接通所述第三开关元件来防止出现过电压的情况。
2.根据权利要求1所述的系统,其中,所述系统包括所述第二电源并且所述第二电源包括电池
3.根据权利要求1所述的系统,其中,所述控制器被配置为向所述逆变器提供多个脉宽调制控制信号
4.根据权利要求3所述的系统,其中,由所述控制器提供的所述多个脉宽调制控制信号被配置为防止出现多种过电压的情况。
5.根据权利要求4所述的系统,其中,所述多种过电压的情况包括以下情况中的至少一种:当所述第三开关元件关断时所述第一开关元件接通、当所述第四开关元件关断时所述第二开关元件被接通、所述第一开关元件和所述第三开关元件或者所述第二开关元件和所述第四开关元件同时改变其状态、所述第三开关元件或所述第四开关元件两端的不适当的电压、所述第三开关元件的结电容小于所述第一开关元件的结电容、或者所述第四开关元件的结电容小于所述第二开关元件的结电容。
6.根据权利要求1所述的系统,其中,防止出现过电压的情况进一步包括在关断所述第三开关元件之前关断所述第一开关元件。
7.根据权利要求1所述的系统,其中,所述逆变器包括耦接到所述第二对开关元件的欠压定保护电路。
8.根据权利要求7所述的系统,其中所述欠压锁定保护电路包括隔离电源、具有欠压锁定保护功能的栅极驱动器芯片、栅极驱动欠压锁定监控单元以及光耦合器
9.根据权利要求8所述的系统,其中,所述控制器被耦接到所述欠压锁定保护电路以接收至少一个监控信号。
10.根据权利要求1所述的系统,其中,所述逆变器包括连接在所述第一开关元件和所述第三开关元件之间的第一电阻器和第一二极管,其中所述第一电阻器和所述第一二极管还被连接到第二电阻器和第二二极管,其中所述第二电阻器和所述第二二极管还被连接到所述第二开关元件与所述第四开关元件之间的接合点。
11.根据权利要求10所述的系统,其中,所述第一电阻器和所述第一二极管在所述第一开关元件和所述第三开关元件之间的连接和与所述第二电阻器和所述第二二极管的连接以及所述第二电阻器和所述第二二极管与所述第二开关元件和所述第四开关元件的连接通过在所述第二对开关元件之间均衡电压分配来保护所述第二对开关元件免受变化的结电容影响。
12.根据权利要求11所述的系统,其中,所述第一电阻器和所述第一二极管在所述第一开关元件和所述第三开关元件之间的连接和与所述第二电阻器和所述第二二极管的连接以及所述第二电阻器和所述第二二极管与所述第二开关元件和所述第四开关元件的连接防止:
所述第三开关元件或所述第四开关元件两端的不适当的电压,
所述第三开关元件的结电容小于所述第一开关元件的结电容,或者
所述第四开关元件的结电容小于所述第二开关元件的结电容。
13.根据权利要求1所述的系统,其中,所述第二对开关元件中的每一个开关元件是绝缘栅双极晶体管
14.一种不间断电源系统,包括:
第一输入端,其被配置为连接到第一电源;
第二输入端,其被配置为连接到第二电源;
AC输出端,其被配置为提供源于所述第一输入端处的电力和所述第二输入端处的电力中的至少一个的输出电力,所述AC输出端具有第一输出端子和第二输出端子;
电力电路,其被耦接到所述第一输入端、所述第二输入端和所述AC输出端,所述电力电路包括逆变器,所述逆变器包括第一对开关元件和第二对开关元件,所述第一对开关元件包括第一开关元件和第二开关元件,其中所述第一开关元件被耦接到正电压轨,所述第二开关元件被耦接到负电压轨,所述第二对开关元件包括第三开关元件和第四开关元件,其中所述第三开关元件被耦接到所述第一开关元件并且所述第四开关元件被耦接到所述第二开关元件,所述第三开关元件和所述第四开关元件也被耦接到所述第一输出端子,其中所述第一开关元件、所述第二开关元件、所述第三开关元件和所述第四开关元件具有相同的额定电压;以及
用于控制所述第一开关元件和所述第三开关元件在接通所述第一开关元件之前接通所述第三开关元件以防止出现多种过电压的情况的装置。
15.根据权利要求14所述的不间断电源系统,其中所述系统包括所述第二电源并且所述第二电源包括电池。
16.根据权利要求14所述的不间断电源系统,其中,所述多种过电压的情况包括以下情况中的至少一种:
当所述第三开关元件关断时所述第一开关元件接通,
当所述第四开关元件关断时所述第二开关元件被接通,
所述第一开关元件和所述第三开关元件或者所述第二开关元件和所述第四开关元件同时改变其状态,
所述第三开关元件或所述第四开关元件两端出现不适当的电压,
所述第三开关元件的结电容小于所述第一开关元件的结电容,或者
所述第四开关元件的结电容小于所述第二开关元件的结电容。
17.根据权利要求14所述的不间断电源系统,其中,所述逆变器包括耦接到所述第二对开关元件的欠压锁定保护电路。
18.一种使用第一对开关元件和第二对开关元件从DC电压生成AC电压的方法,所述第一对开关元件包括第一开关元件和第二开关元件,其中所述第一开关元件被耦接到正电压轨,所述第二开关元件被耦接到负电压轨,所述第二对开关元件包括第三开关元件和第四开关元件,其中所述第三开关元件被耦接到所述第一开关元件并且所述第四开关元件被耦接到所述第二开关元件,所述第三开关元件和所述第四开关元件也被耦接到输出端子,其中所述第一开关元件、所述第二开关元件、所述第三开关元件和所述第四开关元件具有相同的额定电压,所述方法包括:
由控制器生成控制信号,所述控制信号用于控制所述第一对开关元件和所述第二对开关元件的开关;
在所述控制器处接收AC电压信号,所述AC电压信号指示所述AC电压的幅值;以及基于所述AC电压信号,修改所述控制信号以通过在接通所述第一开关元件之前接通所述第三开关元件来防止所述AC电压的过电压情况。
19.根据权利要求18所述的方法,还包括:
在所述控制器处接收指示欠压锁定状态的信号以及基于指示所述欠压锁定状态的所述信号来修改所述控制信号。
20.根据权利要求18所述的方法,还包括:
使用电阻器配置来防止在所述第一对开关元件和所述第二对开关元件之间的不均衡的结电容或者错误的开关转换,所述电阻器配置包括连接在所述第一开关元件和所述第三开关元件之间的第一电阻器和第一二极管,其中,所述第一电阻器和所述第一二极管还被连接到第二电阻器和第二二极管,并且其中所述第二电阻器和所述第二二极管还被连接到所述第二开关元件与所述第四开关元件之间的接合点。

说明书全文

用于提高中点箝位型逆变器效能的系统和方法

技术领域

[0001] 中点箝位型三电平逆变器包括要操作的一个或多个开关元件。本文描述的方法和系统确保在使用低额定电压开关元件的情况下NPC能够有效地操作。
[0002] 背景讨论
[0003] 不间断电源(UPS)系统中可以包括中点箝位型(NPC)三电平逆变器。在一些实施方式中,NPC逆变器可包括耦接到DC总线的开关元件。在常见的UPS系统中,NPC逆变器的至少一些开关元件会使用具有相对高的额定电压(例如,1200伏)的功率晶体管实现来防止特定的错误模式的发生。
[0004] 概述
[0005] 本文描述的一个实施方式是不间断电源系统,其包括被配置为与第一电源连接的第一输入端、被配置为与第二电源连接的第二输入端,被配置为提供从第一输入端和第二输入端处的电的至少一个得到的输出电力的AC输出端,AC输出端具有第一输出端子和第二输出端子,与第一输入端、第二输入端和AC输出端耦接的电力电路,电力电路包括逆变器,逆变器包括第一对开关元件和第二对开关元件,第一对开关元件包括第一开关元件和第二开关元件,其中第一开关元件被耦接到正电压轨而第二开关元件被耦接到负电压轨,第二对开关元件包括第三开关元件和第四开关元件,其中第三开关元件被耦接到第一开关元件并且第四开关元件被耦接到第二开关元件,第三开关元件和第四开关元件也被耦接到第一输出端子,其中第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件具有相同的额定电压,不间断电源系统还包括控制器,控制器被耦接到第二对开关元件并且被配置为控制第三开关元件和第四开关元件以防止出现过电压的情况。
[0006] 在一个实施方式中,第二电源包括电池。在另一个实施方式中,控制器可被配置为向逆变器提供多个脉宽调制控制信号。由控制器提供的多个脉宽调制控制信号可被配置为防止出现多种过电压的情况。
[0007] 在某些实施方式中,多种过电压的情况可以包括以下情形中的至少一个:当第三开关元件关断时第一开关元件接通,当第四开关元件关断时第二开关元件被接通,第一和第三开关元件或者第二和第四开关元件同时改变其状态,所述第三或第四开关元件两端的不适当的电压,第三开关元件的结电容小于第一开关元件,或者第四开关元件的结电容小于第二开关元件。
[0008] 在某些实施方式中,控制器可以包括过电流保护模。逆变器可以包括耦接到第二对开关元件的欠压定保护电路。欠压锁定保护电路可包括隔离电源、具有欠压锁定保护功能的栅极驱动器芯片、栅极驱动欠压锁定监控单元以及光耦合器。控制器可被耦接到欠压锁定保护电路以接收至少一个监控信号。
[0009] 在另一个实施方式中,逆变器可以包括连接在第一对开关元件之间的第一电阻器和第一二极管,其中第一电阻器和第一二极管还被连接到第二电阻器和第二二极管,其中第二电阻器和第二二极管被连接在第二对开关元件之间。在某些实现中,第一电阻器和第一二极管连接在第一对开关元件之间并且与第二电阻器和第二二极管连接的配置(其中第二电阻器与第二二极管被连接在第二对开关元件之间)可通过在第二对开关元件之间均衡电压分配来保护第二对开关元件免受变化的结电容的影响。
[0010] 在另一个实施方式中,第一电阻器和第一二极管连接在第一对开关元件之间并且与第二电阻器和第二二极管连接的配置(其中第二电阻器与第二二极管被连接在第二对开关元件之间)可防止第三或第四开关元件两端的不适当的电压、第三开关元件的结电容小于第一开关元件或者第四开关元件的结电容小于第二开关元件。
[0011] 在另一个实施方式中,第二对开关元件的每一个开关元件可以包括绝缘栅双极晶体管
[0012] 本文描述的另一个实施方式是不间断供电系统,其包括被配置为与第一电源连接的第一输入端,被配置与第二电源连接的第二输入端,被配置为提供从第一输入端和第二输入端处的电力的至少一个得到的输出电力的AC输出端,AC输出端具有第一输出端子和第二输出端子,与第一输入端、第二输入端和AC输出端耦接的电力电路,电力电路包括逆变器,逆变器包括第一对开关元件和第二对开关元件,第一对开关元件包括第一开关元件和第二开关元件,其中第一开关元件被耦接到正电压轨并且第二开关元件被耦接到负电压轨,第二对开关元件包括第三开关元件和第四开关元件,其中第三开关元件被耦接到第一开关元件并且第四开关元件被耦接到第二开关元件,第三开关元件和第四开关元件也被耦接到第一输出端子,其中第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件具有相同的额定电压,不间断供电系统还包括被耦接到第二对开关元件并被配置为控制第三开关元件和第四开关元件以防止出现多种过电压的情况的装置。
[0013] 在一个实施方式中,第二电源可以包括电池。
[0014] 在又另一个实施方式中,多种过电压的情况可以包括以下情形中的至少一个:当第三开关元件关断时第一开关元件接通,当第四开关元件关断时第二开关元件被接通,第一和第三开关元件或者第二和第四开关元件同时改变其状态,第三或第四开关元件两端的不适当的电压,第三开关元件的结电容小于第一开关元件,或者第四开关元件的结电容小于第二开关元件。
[0015] 在另一个实施方式中,逆变器可以包括耦接到第二对开关元件的欠压锁定保护电路。
[0016] 在又另一个实施方式中,提供了一种维持电压的方法。由计算机实现的该方法包括向包括逆变器的电力电路提供来自控制器的控制信号,其中逆变器包括第一对开关元件和第二对开关元件,第一对开关元件包括第一开关元件和第二开关元件,其中第一开关元件被耦接到正电压轨并且第二开关元件被耦接到负电压轨,第二对开关元件包括第三开关元件和第四开关元件,其中第三开关元件被耦接到第一开关元件并且第四开关元件被耦接到第二开关元件,第三开关元件和第四开关元件也被耦接到第一输出端子,其中第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件具有相同的额定电压,其中控制信号使第二对开关元件通电或断电,该方法还包括在控制器处接收指示AC输出端的输出端子处的电压的信号,AC输出端被耦接到电力电路;该方法还包括维持第二对开关元件的电压以防止出现过电压的情况。
[0017] 在一个实施方式中,逆变器可以包括耦接到第二对开关元件的欠压锁定保护电路。在另一个实施方式中,逆变器可以包括连接在第一对开关元件之间的第一电阻器和第一二极管,其中第一电阻器和第一二极管还被连接到第二电阻器和第二二极管,其中第二电阻器和第二二极管被连接在第二对开关元件之间。
[0018] 本文描述的另一个实施方式是使用第一对开关元件和第二对开关元件从DC电压生成AC电压的方法,第一对开关元件包括第一开关元件和第二开关元件,其中第一开关元件被耦接到正电压轨并且第二开关元件被耦接到负电压轨,第二对开关元件包括第三开关元件和第四开关元件,其中第三开关元件被耦接到第一开关元件并且第四开关元件被耦接到第二开关元件,第三开关元件和第四开关元件也被耦接到输出端子,其中第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件和第四开关元件具有相同的额定电压。该方法可包括由控制器生成用于控制第一对和第二对开关元件的开关的控制信号、在控制器处接收指示AC电压的大小的AC电压信号以及基于AC电压信号修改控制信号以防止AC电压的过电压情况。
[0019] 在一个实施方式中,该方法包括在控制器处接收指示欠压锁定状态的信号并且基于指示欠压锁定状态的信号来修改控制信号。
[0020] 在另一个实施方式中,该方法包括使用电阻器配置来防止第一对开关元件和第二对开关元件之间的不均衡的结电容或者不适当的开关转换,电阻器配置包括连接在第一对开关元件之间的第一电阻器和第一二极管,其中第一电阻器和第一二极管还被连接到第二电阻器和第二二极管,其中第二电阻器和第二二极管被连接在第二对开关元件之间。
[0021] 其他方面、实施例以及这些示例性的方面和实施例的优点将在下面的内容中详细讨论。此外,应该理解的是,上述信息和以下具体描述仅仅是各个方面和实施例的说明性示例,并意欲为理解要求保护的主题的实质和特性提供概述或框架。尤其是对示例和实施例,例如“实施例”、“另一个实施例”、“某些实施例”、“其他实施例”、“可替换的实施例”、“不同的实施例”、“一个实施例”、“至少一个实施例”、“这个或其他实施例”等类似物的引用不一定互相排斥,而且旨在指示结合所述实施例或示例描述的特定特征、结构或特性并且可以包括在该实施例或示例以及其他实施例或示例中。如本文的这样术语的出现不一定都指的是相同的实施例或示例。
[0022] 此外,在这个文档和通过引用被并入本文的文档之间的术语的不一致使用的情况下,在被并入的参考资料中的术语使用是对本文档的术语使用的补充;对于不能协调的不一致性,以在本文档中的术语使用为准。此外,附图被包括以提供对各个方面和实施例的说明和进一步的理解,并且并入本说明书和构成说明书的一部分。附图连同说明书的其余部分用于解释所描述和要求保护的方面和实施例的原理和操作。

附图说明

[0023] 至少一个实施方式的各个方面在下面参照附图进行讨论,所述附图不是旨在按比例绘制。包括附图是为了提供对各个方面和实现的图解和进一步地理解,并且附图被并入说明书和组成本说明书的部分,但是不旨在作为限制任何特定实施方式的定义。附图,连同本说明书的其余部分,用于解释所描述和所要求保护的方面和实施例的原理和操作。附图中,在多个附图中示出的每个相同的或几乎相同的部件可用相似的数字表示。为清楚起见,可能没有在每个图中对每个部件进行标记。在附图中:
[0024] 图1是根据一个实施方式的不间断电源(UPS)系统的框图
[0025] 图2是图1的UPS系统中的逆变器的示意性的电路图;
[0026] 图3是根据一个实施方式的图2的逆变器的一对中间开关元件的欠压保护方案的通用示意图;
[0027] 图4A是根据一个实施方式的能够防止错误的栅极信号的处理电路的示意图;
[0028] 图4B是根据一个实施方式的能够防止错误的栅极信号的处理电路的时序图的示意图;
[0029] 图5A是根据一个实施方式的用于防止错误的脉宽调制(PWM)序列的方案的功能性框图;
[0030] 图5B是根据一个实施方式的信号的时序图;
[0031] 图6是根据一个实施方式的用于图2中的逆变器的一对中间开关元件的栅极驱动器的示例;
[0032] 图7是根据一个实施方式的用于栅极欠压保护的不同限制的图表;
[0033] 图8是根据一个实施方式的用于脉宽调制(PWM)控制逻辑的硬件的示意图;
[0034] 图9是根据一个实施方式的脉宽调制(PWM)控制逻辑的流程图的简图;以及[0035] 图10是根据一个实施方式的用于从DC电压生成AC电压的方法的框图。

具体实施方式

[0036] 本文讨论的方法和系统的示例不被限制在以下描述中所阐述或所附附图中示出的组件的结构和布置的细节的应用中。该方法和系统能够在其他实施例中实现且以各种方式来实践或执行。本文提供的特定实施方式的示例仅用于例证的目的且不旨在进行限制。特别地,连同任意一个或多个示例一起讨论的动作、组件、元件和特征不旨在排除任意其他示例中的类似作用。
[0037] 另外,本文所使用的措辞和术语是出于描述的目的且不应被视为限制。对于本文中对系统和方法的示例、实施例、组件、元件或动作的任何单数引用还可涵盖包括复数的实施例,并且本文中对于任何实施例、组件、元件或动作的复数形式的任何引用也可涵盖包括仅单数的实施例。以单数或复数形式的引用不旨在限制当前所公开的系统或方法、其组件、动作或元件。本文中“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、“涉及”及其变型的使用意味着涵盖其后列出的项目及其等同物以及另外的项目。“或”的引用可以被视为包含的,使得利用“或”描述的任意术语可以指示所描述术语中的单个、多于一个以及全部中的任一个。此外,在这个文档和通过引用被并入本文的文档之间的术语的不一致使用的情况下,在被并入的参考资料中的术语使用是对本文档的术语使用的补充;对于不能协调的不一致性,以在本文档中的术语使用为准。
[0038] 图1示出了根据本公开的方面的UPS 100。UPS 100包括输入端102、输出端106、旁通线路104、AC/DC转换器110、DC总线114、DC/AC逆变器112、电池充电器116、电池118、DC/DC转换器122以及控制器120。输入端102被配置为耦接到AC电源(诸如公用设施电源)和AC/DC转换器110。输入端102也选择性地经由旁通线路104和开关108耦接到输出端106。
[0039] AC/DC转换器110还经由DC总线114耦接到DC/AC逆变器112。DC/AC逆变器112也选择性地通过开关108耦接到输出端106。电池118通过电池充电器116耦接到DC总线114并且也通过DC/DC转换器122耦接到DC总线114。控制器120耦接到输入端102、开关108、电池充电器116、AC/DC转换器110以及DC/AC逆变器112。在其它实施例中,电池118和充电器116可以耦接到AC/DC转换器110。
[0040] 基于从公用设施电源接收到的AC电力的质量,UPS100被配置成在不同的操作模式中操作。例如,根据一个实施例,控制器120监控从在输入端120处的公用设施电源接收到的AC电力,并且基于所监控的AC电力向开关108、电池充电器116、AC/DC转换器110以及DC/AC逆变器112发送控制信号以控制UPS100的操作。
[0041] 控制器120可以是数字控制器,例如,数字信号处理器、复杂可编程逻辑控制器、微处理器,或者其他类似的数字平台。在另一个实施方式中,控制器120可以是模拟控制器,诸如滞环电流控制器。在又另一个实施方式中,控制器120可以是数字控制器和模拟控制器的组合。
[0042] UPS100可以被配置成在几个操作模式下进行操作。例如,UPS100可具有包括旁路、在线或电池的操作模式。在电池以及在线模式中,DC/AC逆变器112被UPS100用来测量输出端406处的电流以确定输出负载电流。控制器120可以在DC/AC逆变器112工作期间使用输出负载电流。例如,输出端106的输出电流可以基于如下描述的电压测量值来确定。在至少一个实施例中,控制器120可以利用输出负载电流来调整逆变器的输出。
[0043] 图2是示出了根据一个实施方式的UPS100的逆变器112的更加细节的示意性的电路图。逆变器112包括电压输入端201a、相对于交叉点201c的另一个电压输入端201b、电容器202a和202b,以及二极管204a和204b、开关元件206a-206d。如图2所示,开关元件可以实现为IGBT 206a-206d。NPC逆变器112可用于UPS系统100以及其他电源转换系统中,诸如电动机、有源滤波器等等。
[0044] 逆变器112可以包括一个或多个开关元件206a-206d。开关元件206a-206d可以包括半导体设备,诸如IGBT、MOSEFTS,或者其他适当的设备。如图2所示,第一对开关元件包括第一开关元件206a和第二开关元件206d(Q1和Q4)。第一开关元件206a(Q1)被耦接到正电压轨201a并且第二开关元件206d(Q4)被耦接到负电压轨201b。
[0045] 图2还示出了包括第三开关元件206b和第四开关元件206c(Q2和Q3)的第二对开关元件。第三开关元件206b(Q2)被耦接到第一开关元件206a(Q1)并且第四开关元件206c(Q3)被耦接到第二开关元件206d(Q4)。第三和第四开关元件206b-c可以被耦接到AC输出端。
[0046] 在一个实施例中,一个或多个开关元件206a-206d具有相同的额定电压。在图2的一个实施方式中,一个或多个开关元件206a-206d中的每个可以具有600伏的额定电压。当UPS系统100具有+/-400伏的DC总线时,二极管204a和204b也具有和一个或多个开关元件206a-206d相同的额定电压。二极管204a和204b可以包括续流二极管以防止突然的电压尖峰。一个或多个开关元件206a-d可以通过二极管204a和204b被钳制(clamped)到DC总线电压,使得该电压从不会超出DC总线电压(例如,400伏)。
[0047] 具有600伏或更低额定电压的一个或多个开关元件206a-206d可以比额定电压更高的开关元件具有更低的传导损耗。此外,逆变器112的复杂度和成本也降到最低。
[0048] 如图2所示,逆变器112也可以包括连接在二极管204a和204b两端的一个或多个高电阻值的电阻器。当出现不相等的结电容、到具有开关元件206a-206d中的一个的两端的初始电压(例如,400伏)的状态(0000)的转换、或者其他适当的情况期间时,电阻器可以防止开关元件206a-206d过电压(例如,高于600伏)。
[0049] 图3是根据一个实施方式的逆变器的一对中间开关元件的过压保护的通用示意图300。示意图300可包括DC/DC转换器输入端122a和122b、逆变器控制器120、PWM控制逻辑
305、无外部UVLO的栅极驱动器307a、具有外部UVLO的栅极驱动器307b、逆变器112以及输出端311。
[0050] 输入端122a、122b可以包含来自电池或者主电源的电压。在某些实施方式中,逆变器控制器120可以包括死区(deadband)生成器。在某些实施方式中,逆变器控制器120可以包括bang-bang和/或bang-hang过电流保护模块。逆变器控制器120为四个逆变器设备Q1、Q2、Q3和Q4分别提供四个PWM(pluse width modulated)脉冲(信号)Q1_Controller、Q2_Controller、Q3_Controller和Q4_Controller。
[0051] 逆变器控制器120可以被耦接到第二对开关元件(Q2和Q3)并且被配置为控制第三开关元件(Q2)和第四开关元件(Q3)从而防止发生多种过电压的情况。
[0052] 在被用于栅极驱动器307a和307b之前,逆变器控制器120的输出信号(脉冲)通过PWM控制逻辑305处理。如图3所示,PWM控制逻辑305从Q2和Q3的栅极驱动器的输出端接收两个输入Q2_UVLO和Q3_UVLO(栅极驱动器欠压锁定状态)。当出现下列情况时,(a)错误的PWM输入脉冲以及其开关序列,(b)中间设备栅极驱动器UVLO,以及(c)栅极驱动器传播延迟不匹配时,PWM控制逻辑305能够防止逆变器112的第二对开关元件Q2和Q3发生过电压(大于600V),这将在本文的下面进一步详细描述。
[0053] 栅极驱动器芯片307a和307b可以包括四个隔离的栅极驱动器,其用于驱动四个逆变器开关元件Q1、Q2、Q3和Q4。栅极驱动器307a、307b从PWM控制逻辑305的输出端接收输入。栅极驱动器307a可用于第一对开关元件Q1和Q4。具有额外(外部)UVLO保护的栅极驱动器
307b可用于中间开关元件Q2和Q3。两个栅极驱动器307a和307b的UVLO状态通过数字隔离器提供给PWM控制逻辑305。
[0054] 逆变器112可以是包括许多硬件组件的三电平NPC逆变器。图3包括开关元件Q1和Q4以及连在一起的二极管D1和D2,开关元件和二极管都具有相同的额定电压(例如600V)。R1和R2可以是高电阻值的电阻器并且连接在D1和D2两端。如图3所示,不相等的结电容以及切换到具有Q2和Q3两端的400V的初始电压的状态(0000)的转换期间(如在图4A、4B和5中进一步描述的),通过在Q2和Q3之间均衡电压分配,电阻器R1和R2可以防止Q2和Q3出现超过
600V的电压。在另一个实施方式中,电阻器可以被连接在Q2和Q3两端。
[0055] 图4A是根据一个实施方式的用于防止错误的PWM输入脉冲的处理电路400a的示意图。例如,如图4A所示,状态1000、0001和1001可能是错误的PWM脉冲。处理电路400a包括控制器120和逻辑401。
[0056] 处理电路400a(即保护模块)确保逆变器112免于过电压的情况。例如,处理电路400a确保只有在输入到第二对开关元件Q2或Q3中一个的PVM输入信号是高电平时,第一对开关元件Q1或Q4中的一个才会被接通。如图4A所示,Q1和Q2脉冲穿过AND来生成用于Q1的栅极脉冲,且Q3和Q4脉冲穿过另一个AND门来生成用于Q4的栅极脉冲。逻辑401确保在栅极驱动器输入端处的互锁。
[0057] 图4B是根据一个实施方式的防止错误的PWM输入脉冲的时序图400b的示意图。如图4B所示,示出了到Q1的脉冲和到Q2的脉冲。通过将Q1和Q2进行与操作,信号Q1_Prot(栅极脉冲)具有修改的序列,该序列防止错误的PWM输入脉冲1000或者0001或者1001被应用于逆变器设备Q1、Q2、Q3和Q4。
[0058] 图5A是根据一个实施方式的用于防止错误的脉宽调制(PWM)序列的方案的包括框501和503的功能结构框图500。图5B提供了框501的信号的时序图。下面的PWM输入序列被认为是错误的序列,(1100)到(0000)、(0000)到(1100)、(0011)到(0000)或者(0000)到(0011)。
[0059] 当Q2和Q3脉冲在下降沿(FED)被延迟时,用于Q1和Q4的栅极脉冲(Q1_Prot和Q4_Prot)在上升沿(RED)被延迟。上升沿和下降沿延迟(RED和FED)防止不同的栅极驱动器传播延迟。开关序列505和507是框501的示例。开关序列505是栅极脉冲Q1和Q2的原始开关序列,其采用状态0000。如修改的时序图507中所示,错误的序列(1100)到(0000)、(0000)到(1100)、(0011)到(0000)或者(0000)到(0011)不再出现。
[0060] 图5A所示的方案500也可以确保在外部开关元件Q1(或Q4)实际接通之前,中间开关元件Q2(或Q3)已经打开。由于栅极驱动器不均衡的传播延迟,在栅极驱动器输入端处的正确的PWM信号(1100)可能会导致在栅极驱动器输出端处的短时间地错误的PWM信号(1000)。在上升沿处Q1脉冲可能会被延迟并且在下降沿处Q2脉冲会被延迟。如图4所示,以类似的方式引入必要的延迟。
[0061] 图6是根据一个实施方式的用于逆变器的第二对开关元件(前面图中的Q2和Q3)的栅极驱动器601的功能性框图600。栅极驱动器601可以包括隔离电源602(具有输入电压603)、光耦合器604(具有UVLO信号输出609)、具有UVLO的栅极驱动器芯片606(具有输入PWM 
605和接地线607)、以及栅极驱动器外部欠压监控单元608。由于具有内部UVLO保护,用于Q2和Q3的栅极驱动器601可以防止在错误的PWM输入(1000)、(0001)和(1001)时以及在错误的开关序列时接通逆变器。即使控制器输出正确的PWM脉冲,这些错误的PWM输入可能会在栅极驱动器输出端611处出现。
[0062] 如图3所示,尽管每一个栅极驱动器307a和307b都具有内部的UVLO保护606,欠压(UV)监控电路(外部UV保护)608可被包含在栅极驱动器中以监控栅极驱动器芯片606的栅极驱动偏压电源电压+15V_GD。
[0063] 在另一个实施方式中,栅极驱动器601可在所有的开关元件(例如,Q1-Q4)中实现。栅极驱动器的所有UVLO输出信号(609)能够被与在一起成为单一的UVLO信号。
[0064] 在UVLO关闭期间,第一对开关元件(Q1、Q4)可在第二对开关元件(Q2、Q3)之前断电,从而防止错误的PWM输入。同样地,在UVLO重启期间,第二对开关元件应该在第一对开关元件之前通电。这通过将PWM输入信号Q1_Prot、Q2_Controller、Q3_Controller和Q4_Prot与UVLO输入信号进行掩码(与运算)操作,并且通过上升沿和下降沿传递掩码脉冲被实现。
[0065] 图7是根据一个实施方式的用于栅极驱动器欠压保护的不同限制的图表700。如图7所示,将外部UVLO限制711设置的比栅极驱动器内部ULVO限制713高一点。如果栅极驱动器的电源电压从它的正常平(701)下降,那么欠压(UV)将会首先被外部UV保护电路608检测到。根据检测的结果,外部UV保护电路608通过OPTO耦合器604将该信息发送给PWM控制逻辑,PWM控制逻辑则关闭所有的PWM脉冲。
[0066] 在另一个实施方式中,UVLO信息可被修改以具有逆变器的锁合关闭(latched shutdown)。额外的电容可以被连接到第二对开关元件(Q2和Q3)的二次侧栅极驱动器电源602两端以延迟从外部UVLO设定限制703、707到内部UVLO设定限制705、709的电压回落。这可确保在仅有一个中间开关元件(Q2或Q3)通过其自身的栅极驱动器内部UVLO保护而被关闭之前,所有的开关元件都安全地关闭。
[0067] 图8是根据一个实施方式的显示脉宽调制(PWM)控制逻辑的操作的功能性框图800。图8所示的功能性框图800是图4A、图5(图中所示的模块804)以及图6(图中所示的模块
601a-601d)所示的保护方案的组合。在某些实施方式中,PWM控制逻辑被实现在数字域和/或实现在操作UPS100中的一个或多个处理器的软件中。
[0068] 图9是根据一个实施方式的脉宽调制(PWM)控制逻辑305的流程图900的简图。流程图900从步骤902开始。在步骤904中,第一对开关元件(Q1和Q4)PWM信号被设置为0并且第二对开关元件(Q2和Q3)PWM信号被设置为1。
[0069] 在步骤906中,第二对开关元件(Q2和Q3)将它们各自的UVLO信号进行与运算以形成UVLO信号。在步骤908中,Q2_Controller与UVLO进行与运算以生成Q2_Pulse,Q3_Controller与UVLO进行与运算以生成Q3_Pulse,Q1_Controller与Q2_Pulse进行与运算以生成Q1_Pulse并且Q4_Controller与Q3_Pulse进行与运算以生成Q4_Pulse。
[0070] 对于每一个开关元件Q1-Q4,步骤910-920表示每一个开关元件的步骤。
[0071] 在步骤910中,基于将Q1_Pulse=1和PWM1=0进行与运算,不论结果是否为正确的输出,都会进行判定。在步骤912中,基于肯定的判定,Q1_Timer被设定。在该示例中,Q1_Timer被设置为600ns。
[0072] 在步骤914中,根据是否Q1_Timer=Timeout来进行判定。基于肯定的判定,在步骤916中,PWM1等于1。在步骤918中,根据Q1脉冲是否被设置为0来进行判定。基于肯定的判定,PWM1被设置为0。步骤922-932描述了第二开关元件(Q4),步骤934-944描述了第三开关元件(Q2),并且步骤946-956描述了第四开关元件(Q3)。
[0073] 图10是根据一个实施方式的从DC电压生成AC电压的方法的框图。方法1000可实现本文描述的系统。通常来说,控制信号由控制器来生成,用于控制第一对和第二对开关元件的开关(框1002)。AC电压信号可以在控制器处被接收,该电压信号指示AC电压的幅值(框1004)。基于AC电压信号,控制信号可被修改以防止AC电压的过电压情况(框1006)。
[0074] 在某些实施方式中,方法1000可以进一步包括在控制器处接收指示欠压锁定状态的信号并且基于指示欠压锁定状态的信号来修改控制信号。
[0075] 在另一个实施方式中,方法1000可以包括使用电阻器配置来防止第一对开关元件和第二对开关元件之间的不均衡的结电容或不正确的开关转换,电阻器配置包括连接在第一对开关元件之间的第一电阻器和第一二极管,其中第一电阻器和第一二极管还被连接到第二电阻器和第二二极管,其中第二电阻器和第二二极管被连接在第二对开关元件之间。
[0076] 上述实施例已经描述了关于用于在线UPS中的改进的逆变器。在其他实施例中,本文中描述的逆变器可以用在其他类型的UPS中并且还可以用在其他类型的电力设备中。
[0077] 在本文根据本公开所述的各种方面和功能可被实现为硬件、软件、固件或其任何组合。可使用各种硬件、软件或固件配置在方法、行动、系统、系统元件和部件内实现根据本公开的方面。此外,根据本公开的方面可被实现为特别编程的硬件和/或软件。
[0078] 在这样描述了至少一个例子的几个方面后,应该认识到,本领域中的技术人员将容易想到各种变更、修改和改进。这样的变更、修改和改进被规定为本公开的部分,且被规定为落入本文讨论的示例的范围内。相应地,前述描述和附图仅作为示例。
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