具有并行或者串行結構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構的模塊化靜止變流器和分散的模塊 化控制
【背景技術】
[0001] 模塊化靜止變換器具有并行或者串行結構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構具有并行或串行放置的多個開關元件。
[0003] 在大多數(shù)情況下,該些元件需要集中控制構件來確定并且發(fā)送適用于調節(jié)和平衡 整個變流器結構的控制命令。
[0004] 對于具有高輸出電流、低輸出電壓和高輸出動態(tài)的應用,并行結構提供了顯著 的優(yōu)勢。最明顯的應用是供電微控制器,其例如需要具有近似lOOA/ns動態(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] 通過使用并行結構,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。變流器的每個開關支路僅僅允許一小部分的輸出電流流動, 該可W減少與支路電感有關的約束并且使用具有小電流口徑的快速開關。此外,因為并行 布置電感,所W相當大地減少了電感儲能,該可W獲得非常短的響應時間,W便對準瞬時負 載變化作出正確的反應。
[0006] 并行結構變流器的集中控制構件或者管理器被配置為執(zhí)行H個功能。第一個功能 是提供脈寬調制(PWM)命令的交錯。第二個功能是計算可W調節(jié)輸出電壓的周期比率,在 該里是微控制器的電壓。第H功能是確定要對每個PWM信號進行校正的校正量,W便均衡 變流器支路的電流,每個支路向管理器提供有關流經(jīng)它的電流值的信息。
[0007] 對于需要高電壓變換因數(shù)或者必須確保低失真水平的轉換應用,串行結構提供了 較多的優(yōu)勢。第一種應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的開關元件結構獲得的。第二種應用屬于需要低于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 接近正弦信號的電壓波形。
[0008] 通過使用串行結構,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。變流器的每個開關元件僅僅經(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。
[0009] 與并行結構變流器的管理器相類似,串行結構變流器的管理器被配置為執(zhí)行H個 主要功能。第一個功能是提供脈寬調制(PWM)命令的交錯。第二個功能是計算使得它可W 調節(jié)輸出電流的周期比率。第H個功能是確定對每個PWM信號進行的校正量,W便均衡變 流器的基本元件的電壓,每個元件向管理器提供有關它所經(jīng)受的電壓值的信息。
[0010] 應該注意的是,靜止變流器的并行和串行結構是W電流屬性和電壓屬性之間對稱 存在的形式,彼此對偶的結構。
[0011] 并行和串行結構換流器都存在需要實現(xiàn)大量互連使得可W提供集中管理器和各 種開關元件之間的鏈接的主要缺點。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)行的分散的計算和控制任務局部委巧給用于控制開 關元件的鄰近電路調用控制模塊來搜索那些任務。
[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載波的時間位置。
[0014] 在Marc Cousineau等人所著的題為"使用用于交錯變流器控制的模塊化方法的 H角載波自我對準"("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和應用的第14次歐洲會議巧PE2011:14th化ropean Conference on Power Electronics and Applications, Birmingham, UK, 1st September 2011))的文獻中描述了該種模塊的生產(chǎn)。
[0015] 技術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] 在并行結構的情況下,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指定的輸入設置點值的輸出電壓值或者等于通 過Iref指定的輸入設置點值的電流值。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0017] 為了實現(xiàn)該樣的目的,本發(fā)明涉及具有并行結構的靜止變流器,被設計成通過電 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個通信鏈路的鏈,
[0019] 每個電子開關元件,與單個并且不同的控制模塊相關聯(lián),并且具有單個并且不同 的輸出支路,通過相同的單個并且不同的整數(shù)排序來標識相關聯(lián)的模塊、開關元件和輸出 支路,所述相同的單個并且不同的整數(shù)排序被針對通信鏈內(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的任意兩個控制模塊,通過單個 并且不同的通信鏈路連接所述任意兩個控制模塊,
[0021] 所述開關元件均包括串行連接的、單個并且不同的一對兩個電子開關、第一元件 供電端子、第二元件供電端子和單個并且不同的中間輸出端子,由串行連接并且連接到相 關聯(lián)的輸出支路的第二端的所述兩個電子開關共享所述開關元件,
[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] 每個控制模塊分別包括用于生成唯一的H角電壓載波的單個并且不同的局部單 元,
[0024] 排序為i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 序為i的所述任意模塊相鄰的分別排序為i-1,i+1的兩個模塊的H角載波的信號,來在所 有交錯的H角載波內(nèi)控制它的交錯相位的定位,由與任意模塊相鄰的兩個模塊通過兩個對 應的通信鏈路提供所述H角載波的信號,i被包括在1和q之間,其中當i等于1時i-1等 于q,并且當i等于q時i+1等于1,
[00巧]其特征在于:
[0026] 每個控制模塊分別包括用于平衡電流的單個并且不同的局部單元、和/或AVP類 型的、用于內(nèi)部調節(jié)輸出電壓的單個并且不同的單元,
[0027] 排序為i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 排序為i的任意模塊相鄰的開關元件的兩個輸出支路的兩個電流Iy,Iw的平均值與流經(jīng) 連接到與排序為i的任意模塊相關聯(lián)的開關元件的支路的電流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 與排序為i的任意模塊相關聯(lián)的開關元件的支路的電流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)一個特定實施例,具有并行結構的靜止變流器包括一個或多個W下特征:
[0030] -每個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不具有AVP類型的、用于調節(jié)輸出電壓 的內(nèi)部單元,并且
[0031] 當所述任意模塊包括用于平衡電流的局部單元和AVP類型的、用于調節(jié)輸出電壓 的內(nèi)部單元時,針對與任意模塊i相關聯(lián)的每個支路,提供流經(jīng)所述支路的電流li的單獨 測量,并且
[0032] 當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、用于調節(jié) 輸出電壓的內(nèi)部單元時,針對與任意模塊i相關聯(lián)的每個支路,提供流經(jīng)所述支路的電流 li的單個測量,或者提供流經(jīng)與所述任意模塊相關聯(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聯(lián)的兩個支路的電流之間的兩個差動測量。
[0033] -每個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、用于調節(jié) 輸出電壓的內(nèi)部單元,并且
[0034] 通過外部調節(jié)模塊配置位于所述模塊外部的主電壓和/或電流調節(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] 排序為i的每個模塊包括連接到所述外部調節(jié)單元W接收所述共模周期比率D的 接收端子、和單個并且不同的加法器,所述加法器用W計算校正的周期比率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 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] 排序為i的每個模塊包括連接到所述外部調節(jié)單元W接收共模AVP周期比率D的 接收端子、和單個并且不同的加法器電路,所述加法器電路用W計算校正的周期比率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、用于調節(jié)輸出電壓 的內(nèi)部單元,并且
[0039] AVP類型的、用于調節(jié)輸出電壓的每個內(nèi)部單元包括AVP類型的、用于調節(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)所有模塊上實質上相同的常數(shù)1/R而測量的輸出電壓Vout的值之差。
[0042] -每個控制模塊包括AVP類型的、用于調節(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、用于調節(jié)輸出電壓的每個內(nèi)部單元包括AVP類型的內(nèi)部電壓調節(jié)回 路,被配置為根據(jù)輸出電壓Vout的測量、流經(jīng)相關聯(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被調節(jié)為實質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)所有模塊上實質上相同的常數(shù)1/R而測量的輸出電壓Vout的值之 差。
[0046] -具有任意排序i的每個模塊、與該模塊相鄰的、排序為i-1,i + 1的模塊和對應的 通信鏈路Ly,i,Li,w被配置為交換從排序為i的支路的電流I 1、排序為i-1,i+1的相鄰的 支路的電流Iw,ly、差動電流li-Iw和I w-Ii、任意排序為i的模塊的H角載波的信號和 與該模塊相鄰的排序為i-1,i+