用于模块化功率变换器的高级诊断的系统和方法
【专利说明】用于模块化功率变换器的高级诊断的系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
本申请是非临时申请并且要求2014年8月1日提交的US临时专利申请号62/031913的“SYSTEMS AND METHODS FOR ADVANCED DIAGNOSTIC IN MODULAR POWER CONVERTERS"的优先权，其因此通过引用被全部结合。
技术领域
[0002]本发明的领域一般涉及模块化功率变换器的高级诊断，并且更具体的是，涉及模块化功率变换器的电流不平衡检测。
【背景技术】
[0003]在至少一些已知的功率变换系统中，通过重复(即并联)变换电路来增加变换器的额定功率是比较常见的。如图1所示，这种技术的一种实施方式是功率半导体的直接并联。特别地是，已知的功率变换系统10对于三相中的每一相包含并联耦合的三个绝缘栅双极晶体管(IGBT)功率变换器12。在此种配置中，给定功率变换器12的特性和功率变换系统10的几何形状，全部并联的功率变换器12共享相同的脉宽调制(PWM)(即它们接收相同的PWM控制信号)，并且假设负载共享。
[0004]如图2所示，用于并联变换电路的另一种选择是通过单独的变压器初级线圈(或者无变压器的实施方式中通过单独的电感器)来并联变换器桥臂(leg)。特别地是，已知的功率变换系统20对于三相(即U、V、W)中的每一相包含并联耦合的一对功率变换器22。在这种配置中，全部并联的功率变换器22也共享相同的PWM调制。引入并联的功率变换器22之间的阻抗便于减轻由于系统20的几何形状和/或半导体特性中的差异引起的潜在不平衡。然而，在系统10和20的实施方式中，假设但是不积极地监视电流共享。因此，负载不平衡情况可没有被检测到，这可导致压力过大模块的过早故障。
[0005]如图3和图4所示，一种备选的方法是通过感测每个变换器桥臂的电流来积极控制负载共享。图3示出已知的功率变换系统30，其包含通信地耦合到多个功率变换模块34的集中式控制器32。集中式控制器32监视每个功率变换模块34的输出电流以及跨负载36的电压，并且因此控制功率变换模块34的操作。图4示出已知的功率变换系统40，该功率变换系统40包含多个功率变换模块42，功率变换模块42各自包含相关的控制模块44。每个控制模块44监视相关功率变换模块42的输出电流以及跨负载46的电压，并且因此控制相关功率变换模块42的操作。然而，此类系统可在集中式解决方案(即系统30)情况下需要复杂的布线，或者在分散式解决方案(即系统40)情况下需要分布式智能。
【发明内容】
[0006]—个方面中，提供了一种功率变换系统。该功率变换系统包含并联连接的多个功率变换模块，其中多个功率变换模块的全部功率变换模块配置成接收脉宽调制控制信号，多个功率变换模块的每个功率变换模块包含配置成计算该功率变换模块的参考电流和输出电流之间的差异的电流不平衡检测电路和通信地耦合到电流不平衡检测电路并且配置成使用所计算的差异来执行处理的处理装置。
[0007]另一个方面中，提供了一种功率变换模块。该功率变换模块包含配置成计算功率变换模块的参考电流和输出电流之间的差异的电流不平衡检测电路，以及通信地耦合到电流不平衡检测电路的处理装置，其中参考电流至少部分基于附加功率变换模块的输出电流来确定。根据前述方面的功率变换模块，所述参考电流是所述附加功率变换模块的输出电流。根据前述方面的功率变换模块，所述参考电流是多个功率变换模块的输出电流的平均。根据前述方面的功率变换模块，所述电流不平衡检测电路包括:调节级，配置成调节所述功率变换模块的输出电流；求平均级，配置成计算所述参考电流；以及差异级，配置成计算所述参考电流和所述输出电流之间的所述差异。根据前述方面的功率变换模块，配置所述功率变换模块供在不间断电源系统中使用。根据前述方面的功率变换模块，所述处理装置配置成:将所述参考电流和所述输出电流之间的所计算差异与预定阈值相比较；以及计算在其期间所计算差异超过所述预定阈值的时间的百分比。
[0008]还在另一个方面中，提供了一种用于操作功率变换系统的方法。该方法包含并联耦合多个功率变换模块，其中多个功率变换模块的全部功率变换模块配置成接收脉宽调制控制信号，并且在多个功率变换模块的每个功率变换模块处计算该功率变换模块的参考电流和输出电流之间的差异。根据前述方面的方法，所述参考电流是所述多个功率变换模块的一个功率变换模块的输出电流。根据前述方面的方法，所述参考电流是所述多个功率变换模块的全部功率变换模块的输出电流的平均。根据前述方面的方法还包括:将所述参考电流和所述输出电流之间的所计算差异与预定阈值相比较；以及计算在其期间所计算差异超过所述预定阈值的时间的百分比。
【附图说明】
[0009]图1是已知功率变换系统的电路图。
[0010]图2是已知功率变换系统的电路图。
[0011]图3是已知功率变换系统的电路图。
[0012]图4是已知功率变换系统的电路图。
[0013]图5是示范性功率变换系统的示图。
[0014]图6是可和图5所示系统一起使用的用于检测功率变换器中电流不平衡的示范性电路和处理装置的电路图。
[0015]图7是图示使用图6所示电路的电流不平衡检测的曲线图。
[0016]图8是可和图6所示的电路和处理装置一起使用的示范性电源系统的示意图。
[0017]图9是图8所示系统的简化图。
【具体实施方式】
[0018]本文所描述的方法和系统涉及模块化功率变换器的高级诊断。特别地是，本文所描述的实施例建立在相对简单的模块化实施方式上，其中变换器模块通过串联阻抗并联，同时共享相同的PWM调制(即它们接收相同的PWM控制信号)。通过在模块级别引入相对低成本的本地(local)可编程装置，本文所描述的系统和方法在单线实施方式中引入电流不平衡检测，由此保存该实施方式的简单。在检测到电流不平衡时，本文所描述的系统和方法便于警告用户并且许可调查和维护以便防止模块故障。
[0019]采用在逆变器桥臂级别部署的电流不平衡的分布式硬件(HW)检测，本文所描述的实施例通过引入每个变换器模块的电流感测来提高相对简单的模块化实施方式(即通过串联阻抗的变换器并联，全部模块共享相同的PWM调制)。示范性实施例中，模块共享单线，从而与至少一些已知的功率变换系统相比减少布线复杂性。
[0020]图5是示范性功率变换系统500的示意图。系统500包含通过串联阻抗并联耦合的多个功率变换模块502。如本文所描述的，每个功率变换模块502包含便于检测功率变换模块502中电流不平衡的电流不平衡检测电路504以及外围接口控制器(PIC)506 (或其他适合的处理装置)。如本文所描述的，系统500也包含主控制逻辑508 (即控制器)。功率变换模块502可以是交流(AC)到直流(DC)变换器、DC到AC变换器，或DC到DC变换器。
[0021]图6是可与功率变换系统500—起使用的功率变换模块502的外围接口控制器(P1506和电流不平衡检测电路504的电路图。如图6所示，电流不平衡检测电路504包含调节级602，求平均级604和差异级606。电流不平衡检测电路504中组件的布置仅是示范性的。因此，在其他实施例中，电流不平