用于減少dc鏈路電容的dc鏈路模塊的制作方法

用于減少dc鏈路電容的dc鏈路模塊的制作方法
【專利摘要】電力電子電路的DC鏈路模塊包括：用于連接到第一級功率變換電路的第一連接器；用于連接到第二功率變換電路的第二連接器，其中第二級功率變換電路連接到布置成至少間歇地作為電力電子電路的電源操作的負載電路；布置在所述第一連接器和所述第二連接器之間的用于處理在所述第一連接器或所述第二連接器處接收的電壓信號的至少一個DC鏈路電容器；以及布置在所述第一連接器和所述第二連接器之間的至少一個電壓補償電路，所述一個或多個電壓補償電路產生電壓信號以補償至少一個DC鏈路電容器上的DC電壓信號中的AC紋波分量。
【專利說明】用于減少DC鏈路電容的DC鏈路模塊
【技術領域】
[0001]本發明涉及用于減少電力電子電路中的DC鏈路電容的DC鏈路模塊，DC鏈路模塊的控制器和使用DC鏈路模塊來減少電力電子電路中的DC鏈路電容的方法。
【背景技術】
[0002]在今天的關注能量和環保的世界，高功率密度和長壽命是對電子系統的關鍵要求。在支持電容器的電力電子系統中，DC鏈路濾波器或模塊從體積和成本方面來說通常是主要的零件。鋁電解電容器與任何其他類型的電容器相比能夠提供最高的電容值。然而，電解電容器的壽命隨著環境溫度的上升而明顯減少。對于溫度每10°C的增加，電容器的壽命將減少一半。因此，電容器通常是電子系統的可靠性的瓶頸。根據統計資料，高達30%的電子系統故障由電容器的失效引起。
[0003]特別是，對于高電壓高功率變換系統，DC鏈路電容器通常為了可靠和安全的操作而被周期性地更換和監控，導致相當大的維護成本。為了增加可靠性和壽命，電力薄膜電容器在一些電容器支持的應用例如風力變換器和LED燈驅動器中被用作對一些鋁電解電容器的代替品。然而，使用電力薄膜電容器的好處在某種程度上被其減少降低了的體積效率損害。電解電容器的體積效率一般比電力薄膜電容器高十倍。因此，對于相同的電容值，電力薄膜電容器的物理尺寸比電解電容器的物理尺寸大得多。
[0004]為了減少對DC鏈路電容器的相依性，提出了很多現有技術方法來最小化DC鏈路電容。然而，這些方法的適用性常常取決于電路結構。而且，很多方法或引起系統輸入電流的形變，或在輔助部件上承受高電壓應力，或其降低電容的有效性沒有很好地被證明。
[0005]圖1示出用于例如電源、電子鎮流器、電機驅動器等應用的電力電子系統100的一般結構。它由DC鏈路106所連接的兩個功率變換器102、104組成。第一級變換器102用于將以AC或DC形式的輸入變換成DC。第二級變換器104用于向負載提供所需形式的功率。例如，用于驅動熒光燈的電子鎮流器由將線頻率(50Hz或60Hz)輸入變換成高電壓DC(一般400V)的前級功率因數校正器組成。它的第二級是將高頻功率輸送到熒光燈的逆變器。輸出的頻率高于20kHz。這兩級由DC鏈路互連。DC鏈路電壓由高電壓DC鏈路電容器穩定。電容器用于吸收在輸入源和輸出負載之間的瞬時功率差，過濾在第一級和第二級變換器中產生的諧波，并在整個系統的停電后提供足夠的能量以維持一定時間的系統功率輸出。
[0006]附圖的表I示出對于電路例如圖1的電路中的DC鏈路使用鋁電解電容器與使用電力薄膜電容器的比較。鋁電解電容器由于其高體積效率和低成本而被廣泛地選擇。然而，它們具有下列缺點:
[0007]I)高等效串聯電阻(ESR)和低紋波電流能力。這暗示在電容器中的相當大的功率損失。為了滿足紋波電流要求，所需的總電容值通常比用于限制DC母線上的特定電壓變化所需的電容值高得多。
[0008]2 )電壓額定值的瓶頸。對于具有高DC鏈路電壓的應用，兩個或多個電解電容器串聯連接以維持高電壓DC鏈路。因此，需要額外的電路來平衡串聯電容器的電壓分布。
[0009]3)與功率變換系統中的其它部件比較的相對短的壽命。可通過減少各種應力例如溫度、工作電壓和紋波電流來提高電容器的壽命。這暗示應以相當大的裕度設計DC鏈路電容，從而導致體積和成本的進一步增加，特別是對于具有高額定電壓值的電容器。
[0010]4)相當多的維護工作。鋁電解電容器的可靠性在功率變換系統中非常重要。對于工業應用，通常需要監控電容器的狀況并周期性地更換它們。
[0011]最近二十年來的技術不斷進步使薄膜電容器越來越多地應用于DC鏈路濾波。電力薄膜電容器在ESR、預期使用壽命、環境性能、DC電壓承受能力、紋波電流能力和可靠性等方面得性能優于鋁電解電容器。雖然低電壓和高容值的薄膜電容器在市場上可買到，但是高電壓薄膜電容器的電容值范圍仍然比電解電容器小。電力薄膜電容器在DC鏈路中廣泛應用的主要障礙是它們相對低的體積效率和相對高的成本。

【發明內容】

[0012]本發明提出了用于減少功率變換電路或系統中的DC鏈路電容的有源串聯電壓補償器。因此，本發明提供了包括電壓補償器的DC鏈路模塊，其普遍可應用于電容器支持的電力電子系統。電壓補償器只處理DC鏈路電容器的紋波電壓和無功功率。它不影響變換電路或系統的輸入和輸出性能。所需的DC鏈路電容明顯減少，使設計高功率密度長壽命高性價比的電力電子系統變得可能。而且，本發明的有源串聯電壓補償器可應用于延長現有設計中的DC鏈路電容器的壽命，因此提高了整個系統的使用壽命。
[0013]在第一主要方面中，本發明提供了電力電子電路的DC鏈路模塊，其包括:用于連接到功率變換電路的輸出端的輸入端；用于連接到負載電路的輸出端；布置在所述輸入端和所述輸出端之間的用于處理在所述輸入端處接收的電壓信號的DC鏈路電容器；以及布置在所述輸入端和所述輸出端之間的電壓補償電路，所述電壓補償電路適合于產生電壓信號以補償DC鏈路電容器DC電壓信號中的AC紋波分量。
[0014]優選地，電壓補償電路只處理DC電壓信號的AC紋波分量。電壓補償電路可適合于在補償所述AC紋波分量之前使AC紋波分量從DC電壓信號去耦。電壓補償電路可適合于產生緊密地跟隨DC電壓信號的AC紋波分量的電壓信號，以便補償DC電壓信號的AC紋
波分量。
[0015]電壓補償電路可與DC鏈路模塊輸入端或輸出端串聯連接。在一個實施方式中，電壓補償電路包括線性電壓源。然而優選地，電壓補償電路包括開關變換器。
[0016]在第二主要方面中，本發明提供了在電力電子電路中的DC鏈路的電壓補償電路，其可包括:電壓源；輸出濾波器；以及布置在所述電壓源和所述輸出濾波器之間的開關電路，所述開關電路包括有源開關設備，其中所述電壓補償電路用于產生電壓信號以補償DC鏈路電容器DC電壓信號中的AC紋波分量。優選地，開關電路包括全橋開關電路，但它在一些實施方式中可包括有源開關設備和多個二極管的組合。
[0017]電壓源可包括單個電容器電路、外部電壓源或繞組耦合電壓源中的任一個。
[0018]在第三主要方面中，本發明提供了減少電力電子電路中的DC鏈路的電容的方法，其包括下列步驟:將DC鏈路模塊的輸入端連接到功率變換電路的輸出端；將DC鏈路模塊的輸出端連接到負載電路；在布置在所述DC鏈路模塊的所述輸入端和所述輸出端之間的DC鏈路電容器處理在所述輸入端處接收的電壓信號；以及使用布置在所述輸入端和所述輸出端之間的電壓補償電路來產生電壓信號以補償DC鏈路電容器DC電壓信號中的AC紋
波分量。
[0019]在第四主要方面中，本發明提供了電力電子電路中的DC鏈路的控制器，其包括:用于對DC鏈路電容器電壓信號采樣的裝置；用于從所述采樣的DC鏈路電容器電壓信號產生經調節的DC鏈路電容器電壓紋波信號的裝置；用于采樣電壓補償電路的輸出電壓信號的裝置；用于調節電壓補償電路的所采樣的輸出電壓信號的裝置；用于從電壓補償電路的所采樣的輸出電壓信號獲得DC偏移信號的裝置；用于使用DC偏移信號來補償所述經調節的DC鏈路電容器電壓紋波信號的裝置；用于從所述補償的和經調節的DC鏈路電容器電壓紋波信號獲得電壓補償電路的有源開關電路的驅動信號的裝置。
[0020]優選地，用于從所述采樣的DC鏈路電容器電壓信號產生經調節的DC鏈路電容器電壓紋波信號的裝置包括高通濾波器。
[0021 ] 用于從所述采樣的DC鏈路電容器電壓信號產生經調節的DC鏈路電容器電壓紋波信號的裝置可包括確定在所采樣的DC鏈路電容器電壓信號和DC鏈路電容器DC電壓信號之間的差的差分電路。
[0022]用于采樣電壓補償電路的輸出電壓信號的裝置和用于調節電壓補償電路的所采樣的輸出電壓信號的裝置可都包括在低通濾波器電路中。
[0023]優選地，用于獲得DC偏移信號的裝置包括比例積分器。
[0024]也優選地，用于使用DC偏移信號來補償所述經調節的DC鏈路電容器電壓紋波信號的裝置包括減法器電路。
[0025]用于獲得驅動信號的裝置可包括脈沖波調制器。
[0026]在第五主要方面中，本發明提供了減少電力電子電路中的DC鏈路的電容的方法，其包括下列步驟:對DC鏈路電容器電壓信號采樣；從所述采樣的DC鏈路電容器電壓信號產生經調節的DC鏈路電容器電壓紋波信號；采樣電壓補償電路的輸出電壓信號；調節電壓補償電路的所采樣的輸出電壓；從電壓補償電路的所采樣的輸出電壓信號獲得DC偏移信號；使用DC偏移信號來補償所述經調節的DC鏈路電容器電壓紋波信號；從所述補償的和經調節的DC鏈路電容器電壓紋波信號獲得電壓補償電路的有源開關電路的驅動信號的裝置。
[0027]在第六主要方面中，本發明提供了包括根據本發明的第一主要方面的DC鏈路模塊或根據本發明的第二主要方面的電壓補償電路的功率變換電路。
[0028]根據本發明的第七主要方面，提供了電力電子電路的DC鏈路模塊，其包括:
[0029]用于連接到第一級功率變換電路的第一連接器；
[0030]用于連接到第二級功率變換電路的第二連接器，其中第二級功率變換電路連接到布置成至少間歇地作為電力電子電路的電源操作的負載電路；
[0031]布置在所述第一連接器和所述第二連接器之間的用于處理在所述第一連接器或所述第二連接器處接收的電壓信號的至少一個DC鏈路電容器；以及
[0032]布置在所述第一連接器和所述第二連接器之間的至少一個電壓補償電路，所述一個或多個電壓補償電路布置成產生電壓信號以補償至少一個DC鏈路電容器的DC電壓信號中的AC紋波分量。[0033]在第七方面的實施方式中，至少一個電壓補償電路布置成只處理DC電壓信號的AC紋波分量。
[0034]在第七方面的實施方式中，至少一個電壓補償電路布置成在補償所述AC紋波分量之前使AC紋波分量從DC電壓信號去耦。
[0035]在第七方面的實施方式中，至少一個電壓補償電路布置成產生緊密地跟隨DC電壓信號的AC紋波分量的電壓信號，以便補償DC電壓信號的所述AC紋波分量。
[0036]在第七方面的實施方式中，至少一個電壓補償電路與第一連接器或第二連接器串聯連接。
[0037]在第七方面的實施方式中，至少一個電壓補償電路包括線性電壓源。
[0038]在第七方面的實施方式中，至少一個電壓補償電路包括開關變換器。
[0039]在第七方面的實施方式中，至少一個電壓補償電路包括:
[0040]電壓源；
[0041]輸出濾波器；以及
[0042]布置在所述電壓源和所述輸出濾波器之間的開關電路，所述開關電路包括有源開關設備。
[0043]在第七方面的實施方式中，開關電路包括全橋開關電路。
[0044]在第七方面的實施方式中，開關電路包括有源開關設備和多個二極管的組合。
[0045]在第七方面的實施方式中，電壓源包括單個電容器電路、外部電壓源或繞組耦合電壓源中的任一個。
[0046]根據本發明的第八方面，提供了根據第七方面的實施方式的電力電子電路中的DC鏈路的電壓補償電路，其包括:
[0047]電壓源；
[0048]輸出濾波器；以及
[0049]布置在所述電壓源和所述輸出濾波器之間的開關電路，所述開關電路包括有源開關設備；
[0050]其中所述電壓補償電路布置成產生電壓信號以補償DC鏈路電容器的DC電壓信號中的AC紋波分量。
[0051]在第八方面的實施方式中，開關電路包括全橋開關電路。
[0052]在第八方面的實施方式中，開關電路包括有源開關設備和多個二極管的組合。
[0053]在第八方面的實施方式中，電壓源包括單個電容器電路、外部電壓源或繞組耦合電壓源中的任一個。
[0054]根據本發明的第九方面，提供了減少電力電子電路中的DC鏈路的電容的方法，其包括下列步驟:
[0055]將DC鏈路模塊的第一連接器連接到第一功率變換電路的輸出端；
[0056]將DC鏈路模塊的第二連接器連接到第二功率變換電路，其中第二功率變換電路連接到布置成至少間歇地作為電力電子電路的電源操作的負載電路；
[0057]使用DC鏈路電容器處理在第一或第二連接器處接收的電壓信號；以及
[0058]使用布置在所述輸入端和所述輸出端之間的電壓補償電路來產生電壓信號以補償DC鏈路電容器的DC電壓信號中的AC紋波分量。[0059]根據本發明的第十方面，提供了根據第七方面的實施方式中的任一項的電力電子電路中的DC鏈路的控制器，其包括:
[0060]用于對DC鏈路電容器電壓信號采樣的裝置；
[0061 ] 用于從所述采樣的DC鏈路電容器電壓信號產生經調節的DC鏈路電容器電壓紋波信號的裝置；
[0062]用于采樣電壓補償電路的輸出電壓信號的裝置；
[0063]用于調節電壓補償電路的所采樣的輸出電壓信號的裝置；
[0064]用于從電壓補償電路的所采樣的輸出電壓信號獲得DC偏移信號的裝置；
[0065]用于使用DC偏移信號來補償所述經調節的DC鏈路電容器電壓紋波信號的裝置；以及
[0066]用于從所述補償的和經調節的DC鏈路電容器電壓紋波信號獲得電壓補償電路的有源開關電路的驅動信號的裝置。
[0067]在第十方面的實施方式中，用于從所述采樣的DC鏈路電容器電壓信號產生經調節的DC鏈路電容器電壓紋波信號的裝置包括高通濾波器。
[0068]在第十方面的實施方式中，用于從所述采樣的DC鏈路電容器電壓信號產生經調節的DC鏈路電容器電壓紋波信號的裝置包括確定在所采樣的DC鏈路電容器電壓信號和DC鏈路電容器的DC電壓信號之間的差的差分電路。
[0069]在第十方面的實施方式中，用于米樣電壓補償電路的輸出電壓信號的裝置和用于調節電壓補償電路的所采樣的輸出電壓信`號的裝置可都包括在低通濾波器電路中。
[0070]在第十方面的實施方式中，用于獲得DC偏移信號的裝置包括比例積分器。
[0071]在第十方面的實施方式中，用于使用DC偏移信號來補償所述經調節的DC鏈路電容器電壓紋波信號的裝置包括減法器電路。
[0072]在第十方面的實施方式中，用于獲得驅動信號的裝置可包括脈沖波調制器。
[0073]在第十方面的實施方式中，控制器還包括布置成確定第一連接器和第二連接器之間的電流流動的方向的功率流方向電路。
[0074]在第十方面的實施方式中，功率流方向電路布置成基于第一連接器和第二連接器之間的電流流動的方向而選擇性地操作控制器。
[0075]在第十方面的實施方式中，功率流方向電路布置成選擇性地操作減法器電路。
[0076]根據本發明的第十一方面，提供了減少根據第七方面的實施方式中的任一項的電力電子電路中的DC鏈路的電容的方法，其包括下列步驟:
[0077]對DC鏈路電容器電壓信號采樣；
[0078]從所述采樣的DC鏈路電容器電壓信號產生經調節的DC鏈路電容器電壓紋波信號;
[0079]采樣電壓補償電路的輸出電壓信號；
[0080]調節電壓補償電路的所采樣的輸出電壓信號；
[0081]從電壓補償電路的所米樣的輸出電壓信號獲得DC偏移信號；
[0082]使用DC偏移信號來補償所述經調節的DC鏈路電容器電壓紋波信號；以及
[0083]從所述補償的和經調節的DC鏈路電容器電壓紋波信號產生電壓補償電路的有源開關電路的驅動信號。[0084]根據本發明的第十二方面，提供了包括第七方面的實施方式的DC鏈路模塊或第八方面的電壓補償電路的功率變換電路。
[0085]根據本發明的第十三方面，提供了根據權利要求1的DC鏈路模塊，其中第八方面的實施方式的至少一個電壓補償電路或電壓補償電路布置成補充電力電子電路的電力。
[0086]根據本發明的第十四方面，提供了布置成將第一級功率變換器電路電連接到第二級功率變換器電路的功率調節電路的DC鏈路模塊，其包括:
[0087]鏈路電容器，其布置在第一級功率變換器電路與第二級功率變換器電路之間以處理在與第一級功率變換器的連接或與第二級功率變換器的連接處接收的電壓信號；以及
[0088]電壓補償模塊，其布置成產生電壓信號以補償鏈路電容器的DC電壓信號中的AC紋波分量，
[0089]其中電流布置成從第一級功率變換器電路流到第二級功率變換器電路，且至少間歇地使電流從第二級功率變換器電路流到第一級功率變換器電路。
[0090]本發明的概述不一定公開用于定義本發明的所有必不可少的特征；本發明可存在于所公開的特征的子組合中。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0091]在參照附圖以及僅作為例子提供的優選實施方式的下面的描述中，本發明的前述和另外的特征將變得明顯，其中:
[0092]圖1是一般功率變換系統或電路的示意圖；
[0093]圖2是示出根據本發明的具有串聯電壓補償器電路的DC鏈路模塊的示意性電路圖；
[0094]圖3是示出根據本發明的電壓補償器電路的示意性電路圖；
[0095]圖4A到4C是圖3的電壓補償器電路的優選電壓源；
[0096]圖5是示出本發明的DC鏈路模塊的控制器的電路的示意性電路圖；
[0097]圖6是用于獲得經調節的紋波電壓信號的圖5所示的電路的可選部分；
[0098]圖7是示出圖5的DC鏈路控制器的脈沖寬度調制(PWM)控制器的示意性電路圖；
[0099]圖8包括DC鏈路模塊的DC鏈路電容器和輔助電容器的設計的Va_C曲線。
[0100]圖9是示出電解電容器的壽命倍增曲線圖；
[0101]圖10是具有單相全橋PWM整流器的前端級的AC-DC-DC功率變換系統的示意性電路圖；
[0102]圖11是為了初步實驗驗證目的的根據本發明的DC鏈路系統的示意性電路圖；
[0103]圖12示出使用具有和沒有本發明的電壓補償器和在每種情況中具有DC鏈路相同電容值的圖11的電路實現的實驗結果；
[0104]圖13A是示出根據本發明的另一實施方式的具有串聯電壓補償器電路的DC鏈路模塊的示意性電路圖；
[0105]圖13B是示出圖13A所示的DC鏈路模塊的控制器的示意性電路和方框圖；
[0106]圖14A是示出根據本發明的另一實施方式的具有串聯電壓補償器電路的DC鏈路模塊的示意性電路圖；
[0107]圖14B是示出圖14A所示的DC鏈路模塊的控制器的示意性電路和方框圖；[0108]圖15A是示出布置成處理有功功率的圖2的DC鏈路模塊的示意性電路圖；
[0109]圖15B是示出布置成處理有功功率的圖13A的DC鏈路模塊的示意性電路圖；
[0110]圖15C是示出布置成處理有功功率的圖13B的DC鏈路模塊的示意性電路圖；以及
[0111]圖16是示出在雙向功率變換電路中使用的圖13A的DC鏈路模塊的示意性電路圖。
【具體實施方式】
[0112]下面的描述是僅作為例子的優選實施方式而不是對用于實現本發明所必要的特征的組合的限制。
[0113]本發明通常涉及用于減少電容器支持的電力電子系統中的電容要求的電路。更具體地，本發明涉及減少各種功率變換系統中的DC (直流)鏈路電容的串聯電壓補償器。因此，高電壓鋁電解電容器可由電容值小很多的高電壓電力薄膜電容器代替。
[0114]圖2示出本發明的DC鏈路模塊的所提出的基本概念。包括DC母線16a和16b的DC鏈路電容器11的輸入端連接到前一功率變換級(未示出)的輸出端。通常，前一功率變換級是產生包含AC (交流)紋波分量的DC電壓的橋整流器或功率因素校正器電路。如圖2所示，電容器電壓V。由與△ V。的電壓紋波疊加的DC分量V。組成。為了使這兩個信號部分去耦，電壓補償器電路12與DC母線16c串聯連接以產生緊密跟隨紋波電壓Avc的AC電壓Vabo因此，理想情況下母線16c和16d之間的兩個端子的DC鏈路輸出端處的電壓Vdc只含有直流分量。因此，高得多的電壓紋波被允許在DC鏈路電容器11上。DC鏈路電容的值只取決于Vab的設計最大幅值，從而允許電容器11的值的減少。DC鏈路電容器11連同電壓補償器12 —起形成可在各種DC鏈路電容器支持的電力電子系統中應用的DC鏈路模塊10。
[0115]應注意，AC分量Λ V。的波形不是必須是如圖2所示的正弦。它可以是具有被定義為的頻率的任意類型的周期信號。Vab跟隨的幅值和相位。雖然電壓補償器12優選地串聯連接到母線16c，但是它可與母線16d、DC鏈路電容器11或甚至串聯的母線16a和16b連接。
[0116]電壓補償器12只適于處理無功功率。也就是說，它沒有凈能量流。由于電壓補償器的功能是用于產生所需的電壓以補償DC鏈路電容器11的電壓紋波，應注意，電壓補償器12可通過使用線性電壓源或開關變換器來實現。為了減少功率損耗，開關變換器是優選的。在下面的討論中，給出了開關變換器的操作，但相同的概念可應用于包括線性電壓源的電壓補償器電路。
[0117]由于Vab比DC鏈路電壓小得多(即，vab〈〈VDC)，因此電壓補償器12的電壓和功率額定值非常小，這實現了使用低功率變換器來實現紋波抵消。
[0118]因此可看到，本發明提供了電力電子電路的DC鏈路模塊。DC鏈路模塊包括用于連接到功率變換器電路的輸出端的輸入端和用于連接到負載電路的輸出端。DC鏈路電容器布置在所述輸入端和所述輸出端之間以用于處理在所述輸入端處接收的電壓信號，且電壓補償電路布置在所述輸入端和所述輸出端之間，所述電壓補償產生電壓信號以補償DC鏈路電容器的DC電壓信號中的AC紋波分量。
[0119]電壓補償器12的電路拓撲的描述
[0120]在如在圖3中看到的優選實施方式中，電壓補償器12是由電壓源20、有源開關電路21和輸出濾波器組成的全橋結構，有源開關電路21包括例如具有低電壓額定值(例如，60V、100V)的MOSFET S1-S40圖3所示的H橋21可應用于有和沒有從負載到源的再生能量的應用。對于對從負載到源的再生能量不可行的應用，有源開關設備S1和S4或S2和S3中的兩個可以由二極管代替。有源開關設備S1-S4可以是具有預定的電壓和電流額定值的任何其它類型的開關。
[0121]在圖4A到圖4C中示出連接到H橋21的電壓源20的優選實施方式。由于電壓補償器21只處理無功功率以抵消電容器電壓紋波，它不需要從電壓源20供應的有效功率。對于恒定電力負載應用，DC鏈路電容器電壓和負載電流的變化是反相的。如圖4C所示的單個電容器20c不能確保電壓補償器的穩定性。因此，繞組耦合方法20a或外部源20b可用于提供電壓源20。在不受控負載條件如非開關電阻或電感負載下，單個輔助電容器Ca20c可應用于電壓源。在這樣的情況下，在Ca20c兩端的電壓從啟動時的零增加，并接著自動達到穩態值。
[0122]因此，可看到，本發明提供DC鏈路模塊的電壓補償電路，其可包括:電壓源；輸出濾波器；以及布置在所述電壓源和所述輸出濾波器之間的開關電路。開關電路可包括有源開關設備。優選地，開關電路包括全橋開關電路，但它在一些實施方式中包括有源開關設備和多個二極管的組合。
[0123]控制器的實現的說明
[0124]圖5到圖7示出電壓補償器的控制器的詳細實現。為了確保Vab嚴格地等于Avc,DC鏈路電容器11的電壓紋波被調節到PWM控制器19的控制信號。存在著兩種優選的獲得經調節的電容器電壓紋波的方法。一種方式是使用如在17a中示出的在所采樣的DC鏈路電壓Vfd和DC鏈路電壓參考Ge之間的差異。另一種方式是將Vfd連接到高通濾波器17b以消除如圖6所示的DC分量，從而僅僅留下電壓紋波。高通濾波器17b可引入從所采樣的^ip到實際電壓紋波之間的超前相位角，然而，這個角非常小，且在大部分實際應用中它對電壓補償器21的性能的影響是可忽略的。
[0125]由于在DC鏈路上的穩態電壓的變化和H橋開關的非理想開關作用，DC分量可在Vab中出現。為了消除這個DC偏移，電壓補償器12的輸出電壓由低通濾波器14采樣和調節。比例積分(PI)控制器被添加以獲得DC偏移信號V()ffset。電壓紋波信號在進入PWM19的控制器之前通過減法器18由Vtjffset補償。因此，DC偏移被消除，以允許與以前相同的DC電壓電平被輸出。而且，電壓補償器12將不處理有功功率。
[0126]在優選實施方式中，在圖7中示出PWM控制器19。控制信號首先由電壓限制器25調節到某個范圍內，并接著通過比較器27與三角信號26比較。驅動電路28提供反相的并具有預定的死區時間的兩對驅動信號。整個PWM控制器19可由1C、分立部件或數字裝置實現。vab、Vab的幅值近似由下式給出:
[0127]Vah=^Va (方程 D
[0128]其中V_是控制信號Vcon的幅值，Vtri是三角信號Vtri的幅值，而Va是輔助電容器電壓Va的平均穩態值。Vab的頻率和相位與△ Vc的相位相同。
[0129]應注意，其它類型的控制器也可被應用而不偏離本發明的范圍。[0130]因此可看到，本發明提供了如在上文中所述的DC鏈路模塊的控制器和減少DC鏈路模塊的電容的方法，其中該方法包括下列步驟:對DC鏈路電容器電壓信號采樣；從所述采樣的DC鏈路電容器電壓信號產生經調節的DC鏈路電容器電壓紋波信號；采樣電壓補償電路的輸出電壓信號；調節電壓補償電路的所采樣的輸出電壓信號；從電壓補償電路的所采樣的輸出電壓信號獲得DC偏移信號；使用DC偏移信號來補償所述經調節的DC鏈路電容器電壓紋波信號；從所述補償的和經調節的DC鏈路電容器電壓紋波信號獲得電壓補償電路的有源開關電路的驅動信號。
[0131 ] DC鏈路電容器和輔助電容器的選擇
[0132]在圖8中示出DC鏈路電容器Cll和輔助電容器Ca24的設計考慮。
[0133]圖8包括在規定的負載功率額定值和DC鏈路電壓電平下的DC鏈路電容器和輔助電容器的設計的Va-C曲線(Va-在Ca24兩端的電壓的穩態DC分量，Δ Vdc-所提出的DC鏈路模塊10的DC鏈路或輸出的設計電壓紋波，Cnm1-沒有所提出的發明的所需DC鏈路電容值，C1 nOTm-在某個程度的老化之后的DC鏈路電容值，At Df歸因于電容老化而增加至的電壓紋波，Cbd_根據規范、可用性、成本和體積的選定類型的DC鏈路電容器的邊界，Vbd-相應于Cbd的Va的值，薄膜Cap.-薄膜電容器，AE Cap._鋁電解電容器)。
[0134]對于規定的負載功率額定值和DC鏈路電壓電平，最少的DC鏈路電容是CnOTm，在沒有本發明所提供的電壓補償時用于限制DC鏈路上期望的紋波電壓大小。實際上，選定的電容通常大于(:_的值以滿足紋波電流要求。由于鋁電解電容器的老化過程，電容(:_將隨著運行時間而衰減，如圖8所示，并導致電壓紋波增加至AV' D。，其為電容器的壽命結束的重要參數。
[0135]使用所提出的發明，DC鏈路電容的設計不再基于Λ Vdc的設計要求，而是輔助電容器Ca24的所設計的DC電壓水平。做出折衷考慮以選擇DC鏈路電容并限制Ca兩端的穩態電壓。根據所設計的電力電子系統的設計要求、不同類型的電容器的可用性、成本和體積，可如圖8所示的確定邊界電容器Cbdtl例如，在圖8所示的情況I中應用電力薄膜電容器，此情況下Va的值比鋁電解電容器被選擇的情況2的Va的值大。陶瓷電容器也可用于DC鏈路濾波器。在所提出的電壓補償器的幫助下，所需DC鏈路電容明顯減少，使實現長壽命電力電子系統(即，通過使用電力薄膜電容器)變得可能，同時保持高功率密度和比較低的成本。
[0136]此外，本發明提供了另一優點，因為即使現有的DC鏈路電容器不改變，本發明的電壓補償器在現有系統中的使用也可延長系統的壽命，因為本發明的方法允許DC鏈路電容的明顯減少。例如，如果系統的電解電容值最初為1000 μ F且其值減少到操作裕度，比如三年后變成800 μ F，電容器必須被更換。使用本發明的電容補償器，即使電解電容器減少到比800 μ F低得多的值，系統仍然可被操作。換句話說，系統的壽命延長，而不改變DC鏈路電容器的類型。
[0137]在本發明中，理想情況是Vab確切地跟隨DC鏈路電容器C的電壓紋波。然而，當H橋21運行時，輔助電容器Ca通過DC母線16c電流(負載級的輸入電流)被充電或放電。因此，Ca上產生與C的電壓紋波相同頻率的電壓紋波Λ vCa。該電壓紋波將在Vab中引入雙倍頻率的AC分量，因此引起所提出的DC鏈路模塊的輸出的電壓變化。
[0138]因此，Ca的設計基于AVdc的電壓紋波限制。對于具有升壓PFC或PWM整流器的前端級和開關模式DC-DC變換器或高頻輸出AC逆變器的負載級的電力電子系統，如果Ca的值與Cnmi的值相同，所提出的DC鏈路模塊的最大可能的紋波可被限制在AVrc內。這暗示本發明可通過使用具有與以前在沒有本發明的情況下使用的那些DC鏈路電容器相同電容值但低得多的電壓額定值的電容器來在DC鏈路上維持相同的電壓紋波。對于其它應用，Ca的所需值可以比如圖8所示的Cnmi更低或更高。
[0139]本發明可用于延長在現有的電力電子系統中的DC鏈路電容器的壽命。如圖8所示，即使DC鏈路電容降低到C' nOTm，使用所提出的電壓補償器可仍然保持低的電壓紋波，而不是增加到DCO
[0140]如上文所述的，輔助電容器Ca只經受DC鏈路電容器的電壓紋波。根據可用性、成本和體積效率，用于Ca的電容器可如下:
[0141]I)高溫高紋波電流長壽命鋁電解電容器。高性能低電壓額定值鋁電解電容器相對成本比較低。與具有高電壓額定值的鋁電解電容器不同，它們在壽命、額定溫度和成本方面可有非常好的性能。例如，如圖9所示，電容器的壽命可容易地延長到電力薄膜電容器所具有的范圍。
[0142]2)陶瓷電容器。Ca可由具有高體積效率的陶瓷電容器組實現。
[0143]3)鉭電容器。鉭電容器具有高體積效率和長壽命，然而具有高成本。在一些應用中Ca可用它們來實現。
[0144]4)適合于輔助電容器Ca的任何其它類型的電容器。
[0145]圖10示出具有單相全橋PWM整流器29的前端級和全橋DC-DC變換器30的負載級的AC-DC-DC功率變換器系統。工頻頻率是50Hz。表II比較有和沒有本發明的所提出的電壓補償器12的DC鏈路部分的設計。輸出額定負載功率是2kW，而DC鏈路電壓等級是800V。
[0146]圖11示出所提出的發明的初步實驗驗證的2kW400V DC鏈路系統。DC鏈路模塊10的輸入端連接到包含AC電流紋波ia的DC電流源IA。Ia=5A，且ia的幅值是1A。負載ZL=80+j0.063 Ω。450V/40 μ F薄膜電容器應用于DC鏈路濾波器11。50V/1000 μ F長壽命鋁電解電容器用于電壓補償器12中的輔助電容器Ca。圖12示出有和沒有具有DC鏈路電容的相同值的所提出的電壓補償器的實驗結果。可看到使用所提出的技術可使DC鏈路模塊的輸出電壓紋波從77.5V減少到9.8V。
[0147]總體來說，本發明提供了電力電子電路的DC鏈路模塊。DC鏈路模塊包括用于處理來自電力電子電路的電壓信號的DC鏈路電容器。該模塊包括適合于產生電壓信號以補償DC鏈路電容器的DC電壓信號中的AC紋波分量的電壓補償電路。電壓補償電路布置成使AC紋波分量從DC電壓信號去耦且只處理AC紋波分量。這使所需的DC鏈路電容能夠大大降低。
[0148]在DC鏈路模塊的可選實施方式中，DC鏈路模塊可被實現或布置成與雙向功率流電路一起操作。雙向功率流電路可包括例如功率變換電路，其中電流可從電源流到電力負載，且至少以間歇的間隔，電力負載布置成產生電力。該電力可通過變換電路從電力負載傳輸回到電源。
[0149]電力負載可產生用于傳輸回到功率變換電路的電流的雙向功率流應用的例子包括電動車輛、電梯或軌道纜車系統的功率變換電路的應用，其中電力負載例如電動機可能在汽車載運期間消耗電力，但在發電操作期間，電動機也可產生電流。具有這個效應的應用的例子可包括電動車輛或電梯的再生制動系統。
[0150]為了與這些雙向功率流應用一起操作，功率變換電路的示例性實施方式可布置有雙向DC鏈路模塊或能夠以雙向方式操作的DC鏈路模塊，以便處理從電源流到電力負載的電能以及從電力負載流到電源的能量。參考圖1所示的功率變換電路，假如這個功率變換電路用于雙向功率流應用，則功率變換電路將布置成使得電能可從第一級變換器102通過DC鏈路流到第二級變換器104，或者，在雙向應用的某些操作期間，例如在再生制動階段期間，電能可從第二級變換器104流到第一級變換器102。在這些情況中，為了處理在雙向應用中的電流，DC鏈路可能需要被修改或布置成處理來自電源和電力負載的電流。
[0151]參考圖13A和14A，示出了 DC鏈路模塊的可選實施方式，當電力電子電路雙向運行時，其布置成當電能從第一級變換器102傳遞到第二級變換器104時為第二級變換器104提供平穩的DC電壓，且當電能在相反的方向上流動時為第一級變換器104提供平穩的DC電壓。
[0152]在一個實施方式中，雙向電力電子電路的DC鏈路模塊包括:用于連接到第一級功率變換器或第一級變換電路102的第一連接器16a和16b ;用于連接到第二級功率變換器或第二變換電路104的第二連接器16c和16d，其中第二級功率變換電路104連接到布置成至少間歇地作為電力電子電路的電源操作的負載電路；布置在所述第一連接器16a和16b與所述第二連接器16c和16d之間的至少一個DC鏈路電容器，其用于處理在所述至少一個連接器或所述第二連接器處接收的電壓信號；以及布置在所述第一連接器與所述第二連接器之間的至少一個電壓補償電路，所述一個或多個電壓補償電路布置成產生電壓信號以補償至少一個DC鏈路電容器的DC電壓信號中的AC紋波分量。
[0153]如圖13A所示，示出了包括兩個DC鏈路電容器31和32的雙向電力電子電路的DC鏈路模塊的示例性實施方式的配線圖。在本例中，當電能從第一級變換器102轉移到第二級變換器104時，電容器C1和電壓部件12 (其可類似于上面描述的電壓補償器12)形成DC鏈路模塊，其在第二級變換器104的端子16c和16d處得到平穩的DC電壓。在本例中，電容器C2也可幫助減少電壓紋波。
[0154]然而，當電能從第二級變換器104轉移到第一級變換器102時，例如當電力負載產生電時，電容器C2和電壓補償器12又形成前述DC鏈路模塊以在第一級變換器102的端子(16a和16b)處得到平穩的DC電壓。以類似的方式,C1也可幫助減少在第一級變換器的端子處的紋波電壓。
[0155]參考圖13B，使用控制方法的例子實現的控制器1302被示為方框圖。控制器1302布置成控制上面參考圖13A描述的DC鏈路模塊。在這個實施方式中，DC鏈路的電壓由可類似于前面描述的電壓采樣電路的采樣模塊13測量或采樣。采樣模塊13也可布置探測紋波電壓并測量紋波電壓，以便給電壓補償器12提供足夠的信息來產生所需的紋波電壓以抵消DC鏈路紋波電壓的影響。
[0156]如在圖13B中的控制方法的方框圖中所示的，存在著在兩個節點“a”和“b”處的兩個采樣點。一旦電能從第一級變換器102轉移到第二級變換器104，由電壓補償器產生的紋波電壓就基于在節點“a”處采樣的電壓，其又使在節點“b”處的紋波電壓減少。相反，當能量從第二級變換器104轉移到第一級變換器102時，由電壓補償器產生的紋波電壓基于在節點“b”處采樣的電壓，以便減少在節點“a”處的紋波電壓。因此，電壓紋波反饋信號Vrip是Vhp1或Vrip2，取決于功率通過DC鏈路流動的方向，其可由功率流探測電路34探測。
[0157]參考圖14A和圖14B，示出了雙向功率流電力電子電路的DC鏈路的另一實施方式。在這個實施方式中，DC鏈路包括一個電容器C (11)和兩個串聯電壓補償器12——VCl和VC2，其可類似于早些時候描述的電壓補償器12。然而，如在圖14A的配線圖中所示的，在本例中，電壓補償器12——VCl和VC2可作為DC/AC變換器運行。
[0158]在本例中，DC鏈路電容器C包括Λ Vc的DC分量V。和AC分量。在操作中，VCl和VC2將分別產生紋波電壓八力和Λν2。這些產生的紋波電壓將有效地抵消在第一級變換器102 (16a和16b)和第二級變換器104 (16c和16d)的端子處出現的紋波電壓。也就是說，Λ V1具有相同的幅值且與Λ V。同相(在數學上，Λνι=Λν。)。因此，第一級變換器102的端子電壓(在16a和16b處)完全是DC (即，沒有任何明顯的AC紋波電壓)。類似地，也就是說，Av2具有相同的幅值且與Λ V。同相(在數學上，Λ V2= Λ V。)。因此，第二級變換器104的端子電壓(在16c和16d處)也完全是DC。
[0159]參考圖14B，控制器1402的實施方式在方框圖中示出。在本示例性實施方式中，由控制器1402使用來控制電壓補償器12——VCl和VC2的方法將是相同的。在操作中，控制器1402首先使用采樣模塊13測量DC電容器電壓，并從測量提取紋波電壓分量。一旦這些紋波電壓值是已知的，值就被提供到VCl和VC2，以便產生所需的紋波電壓。如在圖14B中所示的，DC鏈路電壓VC由采樣模塊13測量，并接著被調節以得到反饋信號Vhp的AC分量。一旦Vc是已知的，為了消除可能出現在VCl和VC2的輸出電壓中的任何DC分量，VCl和VC2的輸出電壓就由低通濾波器33采樣和調節。比例積分(PI)控制器19被添加以獲得DC偏移信號
Voffsetl 矛口 V()ffset2 ?
[0160]在這個實施方式中，電壓紋波信號Vhp在進入分別VCl和VC2的PWM控制器之前由Vrffsrtl和Vt5ffsrt2補償。因此，DC偏移被消除，允許在節點“a”、“b”和“C”處的相同的DC電壓水平。
[0161]這些實施方式是有利的，因為DC鏈路模塊允許雙向功率流電路使在第一變換器102和第二變換器的端子處的電壓變成非常低的紋波電壓。
[0162]參考圖15A和圖15B，示出了如圖2、圖13A和圖14A中所示的布置成控制DC鏈路的實施方式的控制器的實施方式，使得DC鏈路200、1300和1400布置成處理有功功率。這又允許電壓補償器12充當能量源或能量吸收器。
[0163]在一個例子中，為了處理有功功率，如果VC的輸出電壓Vab具有DC電壓Vab，Vab的極性確定VC的功能。如果Vab是負的，則VC充當能量源，因為VC將能量輸送到VD。。相反，如果Vab是正的，VC充當功率吸收器，因為VC將從VD。吸收能量。VC的DC側連接到DC源。
[0164]在這個實施方式中，DC鏈路200、1300和1400的電路結構可能不需要任何電路修改。然而，這些DC鏈路200、1300和1400的布置可布置成通過修改或改造如在圖5、圖13B和圖14B中所示的控制器及其控制方法來處理有功功率。
[0165]在一個例子中，DC偏移抵消的反饋路徑的修改可確定V。的輸出DC分量。如圖15A、圖15B和圖15C所示，其中控制電壓VD。』可控制輸出DC電壓。圖15A-圖15C示出具有有功功率流的DC鏈路模塊的三個相應的一般配置。參考圖15A和圖15B所示的實施方式，控制電壓Vdc』通過求和電路35加到VC的輸出電壓的分量。控制電壓Vdc^的產生方式和具體的應用相關。當Virc tl等于零時，VC僅如正常一樣處理無功功率。然而，當Virc tl不等于零時，DC分量出現在控制信號V_中，在VC輸出電壓中引入DC偏移。因此，VC可提供主功率變換系統所需的期望有源能量。
[0166]參考圖15C，有源功率控制方法類似于參考圖15A和15B所示的方法，區別僅在于該方法中有兩個控制電壓U和VD。。2，其用于分別控制在VCl和VC2中的有功功率。
[0167]控制器的這些實施方式對提高電容器支持的電力電子系統動態響應也是有利的。當電壓補償器12充當可從整個電容器支持的系統快速提供功率的能量源或者吸收功率的功率吸收器時，功率變換電路內的輸入和輸出功率可在短時間段內達到平衡。這-將縮短功率變換電路在供電或負載干擾工況下達到穩態的時間。
[0168]實例
[0169]參考圖16，示出了雙向電力電子電路的DC鏈路1600的示例性操作的配線圖。在本例中，第一級變換器29是AC/DC整流器，而第二級變換器36是DC/AC電動機驅動器。在電動機驅動器的操作期間，如果電動機驅動器的操作模式從電動機運轉模式(正常轉發操作)改變到再生模式(制動)，例如在再生制動期間，存儲在電動機驅動的部件中的機械能量由DC/AC電動機驅動器變換成電能。
[0170]該電能又從第二級變換器36轉移到第一級變換器29。由于第一級變換器29可以是慢響應類型，它不能在短時間段內將再生能從第二級變換器36轉移到第一級變換器29的電源側(例如，電池)。這導致DC鏈路電壓明顯增加。
[0171]為了避免DC鏈路中的過電壓，DC鏈路可包括多個電容器，以便吸收無功功率。因此，使用在電壓補償器(VC)中的所提出的有功功率控制，VC可吸收從第二級變換器36再生的功率，以便在電動機驅動器的再生模式期間保持DC鏈路電壓相對恒定。
[0172]此外，這些實施方式對系統輸入停止供電后(例如:停電事故)控制系統輸出維持時間也是有利的。由于電壓補償器VC可充當能量源，它可輸送能量并在斷電期間維持Vdc的電壓。
[0173]在另一實施方式中，DC鏈路模塊也可包括有功功率控制，以使得在第一級和第二級變換器處的電壓都可具有高質量DC電壓以及功率流控制。
[0174]雖然在附圖和前述描述中詳細示出和描述了本發明，本發明在性質上被考慮為例證性的而不是限制性的，應理解，只有示例性實施方式被示出和描述且它們不以任何方式限制本發明的范圍。可以理解的是，本文描述的任何特征可與任何實施方式一起使用。例證性實施方式不排斥彼此或未在本文陳述的其它實施方式。因此，本發明還提供包括上面描述的一個或多個例證性實施方式的組合。可進行如本文所闡述的本發明的修改和變化，而不偏離其精神和范圍。因此，本發明的限制只應如所附權利要求中所指示的。
[0175]在接下來的權利要求中和本發明的前述描述中，除了上下文由于明確的語言或必要的暗示而需要另外情況以外，詞“comprise (包括)”或變形例如“comprises (包括)”或“comprising (包括)”在包含端點的意義上被使用，即，規定所陳述的特征的存在，而不是排除在本發明的各種實施方式中的另外的特征的存在或添加。
[0176]應理解，如果任何現有技術公布被本文被提及，則這樣的提及不構成該公布形成本領域中的公共一般知識的一部分的承認。
【權利要求】
1.一種電力電子電路的DC鏈路模塊，所述DC鏈路模塊包括: 第一連接器，其用于連接到第一級功率變換電路； 第二連接器，其用于連接到第二級功率變換電路，其中所述第二級功率變換電路連接到布置成至少間歇地作為所述電力電子電路的電源操作的負載電路； 至少一個DC鏈路電容器，其布置在所述第一連接器和所述第二連接器之間，用于處理在所述第一連接器或所述第二連接器處接收的電壓信號；以及 至少一個電壓補償電路，其布置在所述第一連接器和所述第二連接器之間，所述一個或多個電壓補償電路產生電壓信號以補償所述至少一個DC鏈路電容器上的DC電壓信號中的AC紋波分量。
2.如權利要求1所述的DC鏈路模塊，其中所述至少一個電壓補償電路布置成只處理所述DC電壓信號的所述AC紋波分量。
3.如權利要求1所述的DC鏈路模塊，其中所述至少一個電壓補償電路布置成在補償所述AC紋波分量之前使所述AC紋波分量從所述DC電壓信號去耦。
4.如權利要求1所述的DC鏈路模塊，其中所述至少一個電壓補償電路布置成產生緊密地跟隨所述DC電壓信號中的所述AC紋波分量的電壓信號，以便補償所述DC電壓信號中的所述AC紋波分量。
5.如權利要求1所述的DC鏈路模塊，其中所述至少一個電壓補償電路與所述第一連接器或所述第二連接器串聯連接。
6.如權利要求1所述的DC鏈路模塊，其中所述至少一個電壓補償電路包括線性電壓源。
7.如權利要求1所述的DC鏈路模塊，其中所述至少一個電壓補償電路包括開關變換器。
8.如權利要求7所述的DC鏈路模塊，其中所述至少一個電壓補償電路包括: 電壓源； 輸出濾波器；以及 開關電路，其布置在所述電壓源和所述輸出濾波器之間，所述開關電路包括有源開關設備。
9.如權利要求8所述的DC鏈路模塊，其中所述開關電路包括全橋開關電路。
10.如權利要求8所述的DC鏈路模塊，其中所述開關電路包括有源開關設備和多個二極管的組合。
11.如權利要求8所述的DC鏈路模塊，其中所述電壓源包括單個電容器電路、外部電壓源或繞組耦合電壓源中的任一個。
12.—種電壓補償電路，其適于權利要求1所述的電力電子電路的DC鏈路，該電壓補償電路包括: 電壓源； 輸出濾波器；以及 開關電路，其布置在所述電壓 源和所述輸出濾波器之間，所述開關電路包括有源開關設備； 其中所述電壓補償電路布置成產生電壓信號以補償所述DC鏈路電容器上的DC電壓信號中的AC紋波分量。
13.如權利要求12所述的電壓補償電路，其中所述開關電路包括全橋開關電路。
14.如權利要求12所述的電壓補償電路，其中所述開關電路包括有源開關設備和多個二極管的組合。
15.如權利要求12所述的電壓補償電路，其中所述電壓源包括單個電容器電路、外部電壓源或繞組耦合電壓源中的任一個。
16.—種減少電力電子電路中的DC鏈路電容的方法，包括下列步驟: 將DC鏈路模塊的第一連接器連接到第一級功率變換電路的輸出端； 將所述DC鏈路模塊的第二連接器連接到第二級功率變換電路，其中所述第二級功率變換電路連接到布置成至少間歇地作為所述電力電子電路的電源操作的負載電路； 使用DC鏈路電容器處理在所述第一連接器或第二連接器處接收的電壓信號；以及使用布置在所述輸入端和所述輸出端之間的電壓補償電路來產生電壓信號以補償所述DC鏈路電容器上的DC電壓信號中的AC紋波分量。
17.—種控制器，其適于權利要求1所述的電力電子電路的DC鏈路模塊，所述控制器包括: 用于對DC鏈路電容器電壓信號采樣的裝置； 用于從所述采樣的DC鏈路電容器電壓信號產生經調節的DC鏈路電容器電壓紋波信號的裝置；` 用于對電壓補償電路輸出電壓信號采樣的裝置； 用于調節所述電壓補償電路的所采樣的輸出電壓信號的裝置； 用于從所述電壓補償電路的所采樣的輸出電壓信號獲得DC偏移信號的裝置； 用于使用DC偏移信號來補償所述經調節的DC鏈路電容器電壓紋波信號的裝置；以及用于從所述補償的和經調節的DC鏈路電容器電壓紋波信號獲得所述電壓補償電路的有源開關電路的驅動信號的裝置。
18.如權利要求17所述的控制器，其中用于從所述采樣的DC鏈路電容器電壓信號產生經調節的DC鏈路電容器電壓紋波信號的所述裝置包括高通濾波器。
19.如權利要求17所述的控制器，其中用于從所述采樣的DC鏈路電容器電壓信號產生經調節的DC鏈路電容器電壓紋波信號的所述裝置包括確定在所采樣的DC鏈路電容器電壓信號和所述DC鏈路電容器電壓DC分量之間的差的差分電路。
20.如權利要求17所述的控制器，其中用于采樣所述電壓補償電路的輸出電壓信號的所述裝置和用于調節所述電壓補償電路的所采樣的輸出電壓的所述裝置都包括在低通濾波器電路中。
21.如權利要求17所述的控制器，其中用于獲得DC偏移信號的所述裝置包括比例積分器。
22.如權利要求17所述的控制器，其中用于使用所述DC偏移信號來補償所述經調節的DC鏈路電容器電壓紋波信號的所述裝置包括減法器電路。
23.如權利要求17所述的控制器，其中用于獲得驅動信號的所述裝置包括脈沖波調制器。
24.如權利要求17所述的控制器，還包括布置成確定所述第一連接器和所述第二連接器之間的電流流動的方向的功率流方向電路。
25.如權利要求24所述的控制器，其中所述功率流方向電路布置成基于所述第一連接器和所述第二連接器之間的電流流動的方向而選擇性地操作所述控制器。
26.如權利要求24所述的控制器，其中所述功率流方向電路布置成選擇性地操作權利要求22的所述減法器電路。
27.—種減少權利要求1所述的電力電子電路中的DC鏈路的電容的方法，包括下列步驟: 對DC鏈路電容器電壓信號采樣； 從所述采樣的DC鏈路電容器電壓信號產生經調節的DC鏈路電容器電壓紋波信號； 采樣所述電壓補償電路的輸出電壓信號； 調節所述電壓補償電路的所采樣的輸出電壓信號； 從所述電壓補償電路的所采樣的輸出電壓信號獲得DC偏移信號； 使用所述DC偏移信號來補償所述經調節的DC鏈路電容器電壓紋波信號；以及從所述補償的和經調節的DC鏈路電容器電壓紋波信號獲得電壓補償電路的有源開關電路的驅動信號。
28.—種包括權利要求1所述的DC鏈路模塊或權利要求12所述的電壓補償電路的功率變換電路。
29.一種根據權利要求1的DC鏈路模塊，其中權利要求12所述的至少一個電壓補償電路或電壓補償電路布置成作為所述電力電子電路的電源或電吸收器操作。
30.一種布置成將第一級功率變換器電路電連接到第二級功率變換器電路的功率調節電路的DC鏈路模塊，包括: 鏈路電容器，其布置在所述第一級功率變換器電路與所述第二級功率變換器電路之間以處理在與所述第一級功率變換器的連接處或與所述第二級功率變換器的連接處的電壓信號；以及 電壓補償模塊，其布置成產生電壓信號以補償所述鏈路電容器DC電壓信號中的AC紋波分量， 其中電流布置成從所述第一級功率變換器電路流到所述第二級功率變換器電路，且至少間歇地使電流從所述第二級功率變換器電路流到所述第一級功率變換器電路。
31.一種電力電子電路的DC鏈路模塊，包括: 輸入端，其用于連接到功率變換電路的輸出端； 輸出端，其用于連接到負載電路； DC鏈路電容器，其布置在所述輸入端和所述輸出端之間，用于處理在所述輸入端處接收的電壓信號；以及 電壓補償電路，其布置在所述輸入端和所述輸出端之間，所述電壓補償電路適合于產生電壓信號以補償所述DC鏈路電容器DC電壓信號中的AC紋波分量。
32.如權利要求31所述的DC鏈路模塊，其中所述電壓補償電路只適于處理所述DC電壓信號的AC紋波分量。
33.如權利要求31所述的DC鏈路模塊，其中所述電壓補償電路適于在補償所述AC紋波分量之前使所述AC紋波分量從所述DC電壓信號去耦。
34.如權利要求31所述的DC鏈路模塊，其中所述電壓補償電路適于產生緊密地跟隨所述DC電壓信號的AC紋波分量的電壓信號，以便補償所述DC電壓信號的所述AC紋波分量。
35.如權利要求31所述的DC鏈路模塊，其中所述電壓補償電路與所述DC鏈路模塊輸入端或輸出端串聯連接。
36.如權利要求31所述的DC鏈路模塊，其中所述電壓補償電路包括線性電壓源。
37.如權利要求31所述的DC鏈路模塊，其中所述電壓補償電路包括開關變換器。
38.如權利要求37所述的DC鏈路模塊，其中所述電壓補償電路包括: 電壓源； 輸出濾波器；以及 開關電路，其布置在所述電壓源和所述輸出濾波器之間，所述開關電路包括有源開關設備。
39.如權利要求38所述的DC鏈路模塊，其中所述開關電路包括全橋開關電路。
40.如權利要求38所述的DC鏈路模塊，其中所述開關電路包括有源開關設備和多個二極管的組合。
41.如權利要求38所述的DC鏈路模塊，其中所述電壓源包括單個電容器電路、外部電壓源或繞組耦合電壓源中的任一個。
42.一種電力電子電路中的DC鏈路的電壓補償電路，包括: 電壓源； 輸出濾波器；以及 開關電路，其布置在所述電壓源和所述輸出濾波器之間，所述開關電路包括有源開關設備； 其中所述電壓補償電路布置成產生電壓信號以補償所述DC鏈路電容器的DC電壓信號中的AC紋波分量。
43.如權利要求42所述的電壓補償電路，其中所述開關電路包括全橋開關電路。
44.如權利要求42所述的電壓補償電路，其中所述開關電路包括有源開關設備和多個二極管的組合。
45.如權利要求42所述的電壓補償電路，其中所述電壓源包括單個電容器電路、外部電壓源或繞組耦合電壓源中的任一個。
46.一種減少電力電子電路中的DC鏈路的電容的方法，包括下列步驟: 將DC鏈路模塊的輸入端連接到功率變換電路的輸出端； 將所述DC鏈路模塊的輸出端連接到負載電路； 在布置在所述DC鏈路模塊的所述輸入端和所述輸出端之間的DC鏈路電容器處理在所述輸入端處接收的電壓信號；以及 使用布置在所述輸入端和所述輸出端之間的電壓補償電路來產生電壓信號以補償所述DC鏈路電容器DC電壓信號中的AC紋波分量。
47.一種電力電子電路中的DC鏈路的控制器，包括: 用于對DC鏈路電容器電壓信號采樣的裝置； 用于從所述采樣的DC鏈路電容 器電壓信號產生經調節的DC鏈路電容器電壓紋波信號的裝置；用于采樣電壓補償電路的輸出電壓信號的裝置； 用于調節所述電壓補償電路的所采樣的輸出電壓信號的裝置； 用于從電壓補償電路的所采樣的輸出電壓信號獲得DC偏移信號的裝置； 用于使用所述DC偏移信號來補償所述經調節的DC鏈路電容器電壓紋波信號的裝置；以及 用于從所述補償的和經調節的DC鏈路電容器電壓紋波信號獲得電壓補償電路的有源開關電路的驅動信號的裝置。
48.如權利要求47所述的控制器，其中用于從所述采樣的DC鏈路電容器電壓信號產生經調節的DC鏈路電容器電壓紋波信號的所述裝置包括高通濾波器。
49.如權利要求47所述的控制器，其中用于從所述采樣的DC鏈路電容器電壓信號產生經調節的DC鏈路電容器電壓紋波信號的所述裝置包括確定在所采樣的DC鏈路電容器電壓信號和所述DC鏈路電容器電壓信號DC分量之間的差的差分電路。
50.如權利要求47所述的控制器，其中用于采樣所述電壓補償電路的輸出電壓信號的所述裝置和用于調節所述電壓補償電路的所采樣的輸出電壓信號的裝置都包括在低通濾波器電路中。
51.如權利要求47所述 的控制器，其中用于獲得DC偏移信號的所述裝置包括比例積分器。
52.如權利要求47所述的控制器，其中用于使用所述DC偏移信號來補償所述經調節的DC鏈路電容器電壓紋波信號的所述裝置包括減法器電路。
53.如權利要求47所述的控制器，其中用于獲得驅動信號的所述裝置包括脈沖波調制器。
54.—種減少電力電子電路中的DC鏈路的電容的方法，包括下列步驟: 對DC鏈路電容器電壓信號采樣； 從所述采樣的DC鏈路電容器電壓信號產生經調節的DC鏈路電容器電壓紋波信號； 采樣電壓補償電路的輸出電壓信號； 調節所述電壓補償電路的所采樣的輸出電壓； 從所述電壓補償電路的所采樣的輸出電壓信號獲得DC偏移信號； 使用所述DC偏移信號來補償所述經調節的DC鏈路電容器電壓紋波信號； 從所述補償的和經調節的DC鏈路電容器電壓紋波信號獲得所述DC鏈路模塊的有源開關電路的驅動信號的裝置。
55.一種包括權利要求31所述的DC鏈路模塊或權利要求42所述的電壓補償電路的功率變換電路。
【文檔編號】H02M1/15GK103765743SQ201280033823
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2012年7月4日 優先權日:2011年7月7日
【發明者】樹鴻·H·鐘, 王懷 申請人:香港城市大學