具有并行或者串行結(jié)構(gòu)的模塊化靜止變流器和分散的模塊化控制的制作方法
【專利說明】具有并行或者串行結(jié)構(gòu)的模塊化靜止變流器和分散的模塊 化控制
【背景技術(shù)】
[0001] 模塊化靜止變換器具有并行或者串行結(jié)構(gòu)的模塊化靜止變流器和分散的模塊化 控制值MC)。
[0002] 已知靜止變流器的并串行結(jié)構(gòu)具有并行或串行放置的多個(gè)開關(guān)元件。
[0003] 在大多數(shù)情況下，該些元件需要集中控制構(gòu)件來確定并且發(fā)送適用于調(diào)節(jié)和平衡 整個(gè)變流器結(jié)構(gòu)的控制命令。
[0004] 對(duì)于具有高輸出電流、低輸出電壓和高輸出動(dòng)態(tài)的應(yīng)用，并行結(jié)構(gòu)提供了顯著 的優(yōu)勢。最明顯的應(yīng)用是供電微控制器，其例如需要具有近似lOOA/ns動(dòng)態(tài)的處于接近 IV電壓的100A平均電流。該些閉合電源傳統(tǒng)上被稱為穩(wěn)壓器模塊（Voltage Regulator Modules, VRM)。
[0005] 通過使用并行結(jié)構(gòu)，在變流器的輸入和輸出處的電流波形上獲得高表觀頻率，該 使得可W減少大量的濾波器。變流器的每個(gè)開關(guān)支路僅僅允許一小部分的輸出電流流動(dòng)， 該可W減少與支路電感有關(guān)的約束并且使用具有小電流口徑的快速開關(guān)。此外，因?yàn)椴⑿?布置電感，所W相當(dāng)大地減少了電感儲(chǔ)能，該可W獲得非常短的響應(yīng)時(shí)間，W便對(duì)準(zhǔn)瞬時(shí)負(fù) 載變化作出正確的反應(yīng)。
[0006] 并行結(jié)構(gòu)變流器的集中控制構(gòu)件或者管理器被配置為執(zhí)行H個(gè)功能。第一個(gè)功能 是提供脈寬調(diào)制（PWM)命令的交錯(cuò)。第二個(gè)功能是計(jì)算可W調(diào)節(jié)輸出電壓的周期比率，在 該里是微控制器的電壓。第H功能是確定要對(duì)每個(gè)PWM信號(hào)進(jìn)行校正的校正量，W便均衡 變流器支路的電流，每個(gè)支路向管理器提供有關(guān)流經(jīng)它的電流值的信息。
[0007] 對(duì)于需要高電壓變換因數(shù)或者必須確保低失真水平的轉(zhuǎn)換應(yīng)用，串行結(jié)構(gòu)提供了 較多的優(yōu)勢。第一種應(yīng)用屬于將具有很低的值的直流電壓增加到具有非常高的值的直流電 壓的情形。該樣的情形涉及產(chǎn)生具有大于50的放大因數(shù)的升壓器，該種因數(shù)是不能用周期 比率太接近于1的開關(guān)元件結(jié)構(gòu)獲得的。第二種應(yīng)用屬于需要低于3%的非常低失真程度 (T皿）的DC/AC和AC/DC轉(zhuǎn)換情形。在該種情形下，串行多元件方法使得可W盡可能地獲得 接近正弦信號(hào)的電壓波形。
[0008] 通過使用串行結(jié)構(gòu)，在變流器的輸入和輸出電壓波形上獲得高的表觀頻率，該使 得可W減少大量的濾波器。變流器的每個(gè)開關(guān)元件僅僅經(jīng)受總輸入電壓中的一小部分，該 使得可W使用具有低電壓口徑的開關(guān)。
[0009] 與并行結(jié)構(gòu)變流器的管理器相類似，串行結(jié)構(gòu)變流器的管理器被配置為執(zhí)行H個(gè) 主要功能。第一個(gè)功能是提供脈寬調(diào)制（PWM)命令的交錯(cuò)。第二個(gè)功能是計(jì)算使得它可W 調(diào)節(jié)輸出電流的周期比率。第H個(gè)功能是確定對(duì)每個(gè)PWM信號(hào)進(jìn)行的校正量，W便均衡變 流器的基本元件的電壓，每個(gè)元件向管理器提供有關(guān)它所經(jīng)受的電壓值的信息。
[0010] 應(yīng)該注意的是，靜止變流器的并行和串行結(jié)構(gòu)是W電流屬性和電壓屬性之間對(duì)稱 存在的形式，彼此對(duì)偶的結(jié)構(gòu)。
[0011] 并行和串行結(jié)構(gòu)換流器都存在需要實(shí)現(xiàn)大量互連使得可W提供集中管理器和各 種開關(guān)元件之間的鏈接的主要缺點(diǎn)。由此，在通過FPGA制成管理器的情況下，組件管腳的 數(shù)量限制了可W被控制的開關(guān)元件的數(shù)量。
[0012] 由此，通過將集中管理器所執(zhí)行的分散的計(jì)算和控制任務(wù)局部委巧給用于控制開 關(guān)元件的鄰近電路調(diào)用控制模塊來搜索那些任務(wù)。
[0013] 采取的第一步是使得通用控制模塊能生成它自己的H角載波并且規(guī)定它的相位， 目P，其是基于變流器的其他交錯(cuò)載波的時(shí)間位置。
[0014] 在Marc Cousineau等人所著的題為"使用用于交錯(cuò)變流器控制的模塊化方法的 H角載波自我對(duì)準(zhǔn)"（"Triangular Carrier Self-Alignment Using Modular Approach Modular Approach for Interleaved Converter Control")巧陽2011:2011 年 9 月 1 日，英國伯明翰舉行的功率電子學(xué)和應(yīng)用的第14次歐洲會(huì)議巧PE2011:14th化ropean Conference on Power Electronics and Applications, Birmingham, UK, 1st September 2011))的文獻(xiàn)中描述了該種模塊的生產(chǎn)。
[0015] 技術(shù)問題是在控制模塊內(nèi)增加變流器控制功能的局部集成程度。
[0016] 在并行結(jié)構(gòu)的情況下，該涉及使得模塊能夠提供將它的分路電流值與變流器的所 有分路電流的平均值相均衡所必需的局部校正，并且能夠確定它的支路的局部周期比率 值，使得所有模塊最終施加等于通過Vref指定的輸入設(shè)置點(diǎn)值的輸出電壓值或者等于通 過Iref指定的輸入設(shè)置點(diǎn)值的電流值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 為了實(shí)現(xiàn)該樣的目的，本發(fā)明涉及具有并行結(jié)構(gòu)的靜止變流器，被設(shè)計(jì)成通過電 壓源Vin供電，并且提供輸出電流lout,所述靜止變流器包括
[0018] 第一供電輸入端子、第二供電輸入端子、輸出端子、并行布置的總數(shù)量為q的電子 開關(guān)元件、沿著第一端共同連接到輸出端子的總數(shù)量為q的輸出支路、相同總數(shù)q的控制模 塊、在閉合回路中連接控制模塊的q個(gè)通信鏈路的鏈，
[0019] 每個(gè)電子開關(guān)元件，與單個(gè)并且不同的控制模塊相關(guān)聯(lián)，并且具有單個(gè)并且不同 的輸出支路，通過相同的單個(gè)并且不同的整數(shù)排序來標(biāo)識(shí)相關(guān)聯(lián)的模塊、開關(guān)元件和輸出 支路，所述相同的單個(gè)并且不同的整數(shù)排序被針對(duì)通信鏈內(nèi)的定位i被包括在1和q之間，
[0020] 在所述通信鏈內(nèi)相鄰并且具有各自的排序i，i+1的任意兩個(gè)控制模塊，通過單個(gè) 并且不同的通信鏈路連接所述任意兩個(gè)控制模塊，
[0021] 所述開關(guān)元件均包括串行連接的、單個(gè)并且不同的一對(duì)兩個(gè)電子開關(guān)、第一元件 供電端子、第二元件供電端子和單個(gè)并且不同的中間輸出端子，由串行連接并且連接到相 關(guān)聯(lián)的輸出支路的第二端的所述兩個(gè)電子開關(guān)共享所述開關(guān)元件，
[0022] 所述第一元件供電端子和第二元件供電端子分別連接到所述第一供電輸入端子 和第二供電輸入端子，
[0023] 每個(gè)控制模塊分別包括用于生成唯一的H角電壓載波的單個(gè)并且不同的局部單 元，
[0024] 排序?yàn)閕的任意控制模塊的用于生成H角載波的局部單元被配置為僅基于與排 序?yàn)閕的所述任意模塊相鄰的分別排序?yàn)閕-1，i+1的兩個(gè)模塊的H角載波的信號(hào)，來在所 有交錯(cuò)的H角載波內(nèi)控制它的交錯(cuò)相位的定位，由與任意模塊相鄰的兩個(gè)模塊通過兩個(gè)對(duì) 應(yīng)的通信鏈路提供所述H角載波的信號(hào)，i被包括在1和q之間，其中當(dāng)i等于1時(shí)i-1等 于q，并且當(dāng)i等于q時(shí)i+1等于1，
[00巧]其特征在于：
[0026] 每個(gè)控制模塊分別包括用于平衡電流的單個(gè)并且不同的局部單元、和/或AVP類 型的、用于內(nèi)部調(diào)節(jié)輸出電壓的單個(gè)并且不同的單元，
[0027] 排序?yàn)閕的任意模塊的用于平衡電流的局部單元被配置為僅基于流經(jīng)其模塊與 排序?yàn)閕的任意模塊相鄰的開關(guān)元件的兩個(gè)輸出支路的兩個(gè)電流Iy，Iw的平均值與流經(jīng) 連接到與排序?yàn)閕的任意模塊相關(guān)聯(lián)的開關(guān)元件的支路的電流li的值之差，來確定周期比 率校正di，
[002引通過實(shí)現(xiàn)唯一的內(nèi)部電壓和/或電流回路W確定唯一的周期比率Di來配置排序 為i的任意模塊的AVP類型的調(diào)節(jié)輸出電壓的內(nèi)部單元，所述Di的確定取決于流經(jīng)連接到 與排序?yàn)閕的任意模塊相關(guān)聯(lián)的開關(guān)元件的支路的電流li的值與取決于模塊的排序i的 斜率因數(shù)a i的乘積。
[0029] 根據(jù)一個(gè)特定實(shí)施例，具有并行結(jié)構(gòu)的靜止變流器包括一個(gè)或多個(gè)W下特征：
[0030] -每個(gè)控制模塊包括用于平衡電流的局部單元和AVP類型的、用于調(diào)節(jié)輸出電壓 的內(nèi)部單元，或包括用于平衡電流的局部單元同時(shí)不具有AVP類型的、用于調(diào)節(jié)輸出電壓 的內(nèi)部單元，并且
[0031] 當(dāng)所述任意模塊包括用于平衡電流的局部單元和AVP類型的、用于調(diào)節(jié)輸出電壓 的內(nèi)部單元時(shí)，針對(duì)與任意模塊i相關(guān)聯(lián)的每個(gè)支路，提供流經(jīng)所述支路的電流li的單獨(dú) 測量，并且
[0032] 當(dāng)所述任意模塊包括用于平衡電流的局部單元并且不具有AVP類型的、用于調(diào)節(jié) 輸出電壓的內(nèi)部單元時(shí)，針對(duì)與任意模塊i相關(guān)聯(lián)的每個(gè)支路，提供流經(jīng)所述支路的電流 li的單個(gè)測量，或者提供流經(jīng)與所述任意模塊相關(guān)聯(lián)的支路的電流和流經(jīng)分別與相鄰于所 述任意模塊的模塊相關(guān)聯(lián)的兩個(gè)支路的電流之間的兩個(gè)差動(dòng)測量。
[0033] -每個(gè)控制模塊包括用于平衡電流的局部單元并且不具有AVP類型的、用于調(diào)節(jié) 輸出電壓的內(nèi)部單元，并且
[0034] 通過外部調(diào)節(jié)模塊配置位于所述模塊外部的主電壓和/或電流調(diào)節(jié)回路，W利用 所述支路根據(jù)所述輸出電壓Vout的測量和/或輸出電流lout的測量、并且根據(jù)參考電壓 化ef和/或參考電流Iref確定共模周期比率D，并且
[0035] 排序?yàn)閕的每個(gè)模塊包括連接到所述外部調(diào)節(jié)單元W接收所述共模周期比率D的 接收端子、和單個(gè)并且不同的加法器，所述加法器用W計(jì)算校正的周期比率D' i作為通過 模塊i的用于平衡電流的局部單元確定的周期比率校正di和共模的周期比率D的總和。
[0036] -通過外部調(diào)節(jié)單元配置位于所述模塊外部的并且是AVP類型的主電壓和電流調(diào) 節(jié)回路，W利用支路根據(jù)所述輸出電壓Vout的測量、所述輸出電流lout的測量、所述參考 電壓化ef和用于虛擬電流源的主斜率因數(shù)a來確定a共模周期比率D，并且
[0037] 排序?yàn)閕的每個(gè)模塊包括連接到所述外部調(diào)節(jié)單元W接收共模AVP周期比率D的 接收端子、和單個(gè)并且不同的加法器電路，所述加法器電路用W計(jì)算校正的周期比率D' i 作為通過模塊i的用于平衡電流的局部單元確定的周期比率校正di和共模AVP周期比率 D的總和。
[0038] -每個(gè)控制模塊包括用于平衡電流的局部單元和AVP類型的、用于調(diào)節(jié)輸出電壓 的內(nèi)部單元，并且
[0039] AVP類型的、用于調(diào)節(jié)輸出電壓的每個(gè)內(nèi)部單元包括AVP類型的、用于調(diào)節(jié)電壓的 內(nèi)部回路，被配置為根據(jù)所述輸出電壓Vout的測量、流經(jīng)相關(guān)聯(lián)的支路的輸出電流li的測 量、參考電壓化ef、和校正的斜率因數(shù)a i，確定唯一的共模周期比率Di，
[0040] 所述校正的斜率因數(shù)a i與該樣的乘積成比例：所有模塊共享的平均主斜率因數(shù) a與由模塊i的用于平衡電流的局部單元根據(jù)獨(dú)立于所述模塊的排序i的成比例比率而確 定的校正的因數(shù)VettiQ)的乘積，
[0041] 所述唯一的共模周期比率Di取決于參考電流Iref與該樣的乘積之差；斜率校正 因數(shù)a i與測量的支路電流li的值的乘積，所述參考電流Irf與該樣的差成比例；參考電 壓化ef與根據(jù)所有模塊上實(shí)質(zhì)上相同的常數(shù)1/R而測量的輸出電壓Vout的值之差。
[0042] -每個(gè)控制模塊包括AVP類型的、用于調(diào)節(jié)輸出電壓的內(nèi)部單元并且不具有用于 平衡電流的局部單元，并且
[0043] AVP類型的、用于調(diào)節(jié)輸出電壓的每個(gè)內(nèi)部單元包括AVP類型的內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)回 路，被配置為根據(jù)輸出電壓Vout的測量、流經(jīng)相關(guān)聯(lián)的支路的輸出電流li的測量、參考電 壓化ef、和唯一的電流源斜率因數(shù)a i，確定唯一的共模周期比率Di，
[0044] 所述唯一的斜率因數(shù)a i被調(diào)節(jié)為實(shí)質(zhì)上等于所有模塊共享的主斜率因數(shù)值a，
[0045] 所述唯一的共模周期比率Di取決于參考電流Iref與該樣的乘積之差；所述唯一 的斜率因數(shù)a i和測量的支路電流li的值的乘積，所述參考電流Irf與該樣的差成比例： 參考電壓化ef與根據(jù)所有模塊上實(shí)質(zhì)上相同的常數(shù)1/R而測量的輸出電壓Vout的值之 差。
[0046] -具有任意排序i的每個(gè)模塊、與該模塊相鄰的、排序?yàn)閕-1，i + 1的模塊和對(duì)應(yīng)的 通信鏈路Ly,i，Li,w被配置為交換從排序?yàn)閕的支路的電流I 1、排序?yàn)閕-1，i+1的相鄰的 支路的電流Iw，ly、差動(dòng)電流li-Iw和I w-Ii、任意排序?yàn)閕的模塊的H角載波的信號(hào)和 與該模塊相鄰的排序?yàn)閕-1，i+