CN110829571B - 高效柔性转换器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种高效柔性转换器。根据一个方面，提供了一种UPS***，其包括：输入端，其被配置为接收AC输入电力；输出端，其被配置为向负载提供AC输出电力；整流器，其耦合到输入端；逆变器，其耦合到整流器和输出端；辅助分支，其耦合到输入端和输出端；以及控制器，其耦合到整流器、逆变器和辅助分支，并被配置为接收指示AC输入电力和AC输出电力的电压电平的电压信息，基于电压信息满足第一条件来选择降压操作模式，基于电压信息满足第二条件来选择续流操作模式，以及基于所选择的操作模式来将一个或更多个控制信号传递到整流器、逆变器和辅助分支中的至少一个。

Description

高效柔性转换器
发明背景
1.发明领域
本发明通常涉及用于提供高效电力转换的***和方法。
2.相关技术的讨论
使用电力设备(例如不间断电源(UPS))来为敏感负载和/或关键负载(例如计算机***和其他数据处理***)提供经调节的不间断的电力是已知的。已知的不间断电源包括在线UPS、离线UPS、线路交互UPS以及其他。在线UPS提供经调节的AC电力以及在AC电力的主要源中断时提供备用AC电力。离线UPS通常不提供对输入AC电力的调节，但是确实在主AC电源中断时提供备用AC电力。线路交互UPS类似于离线UPS，因为它们在停电出现时都切换到电池电力，但通常还包括用于调节由UPS提供的输出电压的多抽头变压器。
传统在线UPS使用功率因数校正电路(PFC)来对由公共电力公司提供的输入电力进行整流，以向DC总线提供电力。整流后的DC电压通常用于在干线电源是可用的时对电池充电，以及向DC总线提供电力。在没有干线电源的情况下，电池向DC总线提供电力。DC-AC逆变器从DC总线产生到负载的AC输出电压。由于DC总线由电源或者电池供电，因此在干线出现故障并且电池充分充电时，UPS的输出电力是不间断的。传统离线UPS通常将负载直接连接到公用电源。当公用电源不足以为负载供电时，离线UPS操作DC-AC逆变器，以将来自备用电源(例如电池)的DC电力转换成提供给负载的期望AC电力。前述类型的UPS中的每一种可以结合电力调制级来实现，该电力调制级可以包括电力转换器模块和电力逆变器模块。
发明概述
本公开的至少一个方面涉及一种不间断电源(UPS)***，其包括：输入端，其被配置为接收AC输入电力；输出端，其被配置为向至少一个负载提供AC输出电力；整流器，其耦合到输入端；逆变器，其在第一连接处耦合到整流器，并在第二连接处耦合到输出端；辅助分支，其在第一连接处耦合到输入端，并在第二连接处耦合到输出端；以及控制器，其耦合到整流器、逆变器和辅助分支，并被配置为接收指示AC输入电力的电压电平的输入电压信息，接收指示AC输出电力的电压电平的输出电压信息，基于输入电压信息和输出电压信息满足第一条件来选择降压操作模式，基于输入电压信息和输出电压信息满足第二条件来选择续流操作模式，以及基于所选择的操作模式来将一个或更多个控制信号传递到整流器、逆变器和辅助分支中的至少一个。
在一个实施方式中，辅助分支包括一个或更多个辅助开关，整流器包括一个或更多个整流开关，以及逆变器包括一个或更多个主分支开关和一个或更多个续流开关。在一些实施方式中，满足第一条件包括确定AC输入电力的电压电平大于AC输出电力的电压电平。在实施方式中，控制器被配置为响应于第一条件被满足而：操作一个或更多个辅助开关以将AC输入电力传导到输出端和逆变器中的至少一个，并且操作一个或更多个续流开关以使AC输入电力降压。
在一个实施方式中，满足第二条件包括确定AC输入电力的电压电平小于AC输出电力的电压电平。在至少一个实施方式中，输出端包括输出电感器，并且其中控制器被配置为响应于第二条件被满足而：操作一个或更多个主分支开关以产生AC输出电力并向输出端提供AC输出电力，并且操作一个或更多个辅助开关以在输出电感器的反激期间续流。在一个实施方式中，控制器还被配置为基于输入电压信息和输出电压信息来选择连接操作模式和停止操作模式之一。
在一些实施方式中，控制器被配置成响应于确定AC输入电力的电压电平近似等于AC输出电力的电压电平而选择连接操作模式。在一个实施方式中，控制器被配置为响应于确定AC输入电力的电压电平在AC输出电力的电压电平的阈值范围内而确定AC输入电力的电压电平近似等于AC输出电力的电压电平。
在实施方式中，控制器被配置为响应于选择连接操作模式而：禁止整流器和逆变器提供电力，并且操作一个或更多个辅助开关以向输出端提供AC输入电力。在一个实施方式中，控制器被配置为响应于确定AC输入电力的电压电平的极性与AC输出电力的电压电平的极性相反而选择停止操作模式。
在一些实施方式中，控制器被配置为响应于选择停止操作模式而：禁止辅助开关向输出端提供AC输入电力，并且操作一个或更多个整流开关、一个或更多个主分支开关和一个或更多个续流开关以向输出端提供AC输出电力。
根据本公开的一个方面，提供了一种用整流器、逆变器和辅助分支中的一个或更多个来调节从输入端接收的AC输入电力以向输出端提供AC输出电力的方法，该方法包括：接收指示AC输入电力的电压电平的输入电压信息，接收指示AC输出电力的电压电平的输出电压信息，基于输入电压信息和输出电压信息在第一时间满足第一条件的确定来选择降压操作模式，基于输入电压信息和输出电压信息在第二时间满足第二条件的确定来选择续流操作模式，以及基于所选择的操作模式来将一个或更多个控制信号传递到整流器、逆变器和辅助分支中的至少一个。
在一个实施方式中，确定输入电压信息和输出电压信息满足第一条件包括确定AC输入电力的电压电平大于AC输出电力的电压电平。在一些实施方式中，该方法还包括响应于选择降压操作模式而操作辅助分支以将AC输入电力传导到输出端和逆变器中的至少一个，以及响应于选择降压操作模式而操作逆变器以使AC输入电力降压。
在实施方式中，确定输入电压信息和输出电压信息满足第二条件包括确定AC输入电力的电压电平小于AC输出电力的电压电平。在一些实施方式中，该方法还包括响应于选择续流操作模式而操作逆变器以产生AC输出电力并将AC输出电力提供给输出端，以及响应于选择续流操作模式而操作辅助分支以在输出端的反激期间续流。
在一个实施方式中，该方法还包括基于输入电压信息和输出电压信息来选择连接操作模式和停止操作模式之一。在一些实施方式中，该方法包括响应于确定AC输入电力的电压电平等于AC输出电力的电压电平而选择连接操作模式，以及响应于确定AC输入电力的电压电平的极性与AC输出电力的电压电平的极性相反而选择停止操作模式。
根据本公开的一个方面，提供了一种UPS***，其包括：输入端，其被配置为接收AC输入电力；输出端，其被配置为向至少一个负载提供AC输出电力；整流器，其耦合到输入端；逆变器，其在第一连接处耦合到整流器，并在第二连接处耦合到输出端；辅助分支，其在第一连接处耦合到输入端，并在第二连接处耦合到输出端；以及用于响应于第一条件被满足而选择降压操作模式和响应于第二条件被满足而选择续流操作模式以及用于基于所选择的操作模式来控制整流器、逆变器和辅助分支中的至少一个的装置。
附图说明
附图不旨在按比例绘制。附图中，在各个图中示出的每个相同的或者接近相同的部件用相似的编号表示。出于清楚的目的，并非每个部件都可以在每个图中被标记。在附图中：
图1是不间断电源(UPS)的框图；
图2A是现有技术中一相3电平中性点箝位(NPC)拓扑的电路图；
图2B是现有技术中三相3电平NPC拓扑的电路图；
图3A是根据实施方式的一相3电平NPC拓扑的电路图；
图3B是根据实施方式的三相3电平NPC拓扑的电路图；
图4是根据实施方式的用于选择操作模式的过程的流程图；
图5是根据实施方式的用于执行停止操作模式的过程的流程图；
图6是根据实施方式的用于执行连接操作模式的过程的流程图；
图7是根据实施方式的用于执行降压操作模式的过程的流程图；
图8是根据实施方式的用于执行续流操作模式的过程的流程图；
图9是由根据实施方式的控制器执行的控制方案的曲线图；以及
图10是由根据实施方式的控制器执行的控制方案的曲线图。
详细描述
方面和示例目的在于提高效率的电力转换器和逆变器模块，其当在不间断电源(UPS)中实现时可能是特别有利的。现有的基于开关的电力转换的方法容易受到开关损耗，其降低电力转换器的效率。本文提供的示例解决了前述不足，以提供具有提高的转换效率的电力转换。
本文所讨论的方法和***的示例并不将其应用限于下面描述中阐述的或者在附图中示出的部件的结构和布置的细节。方法和***能够在其他实施方式中实施，并且能够以各种方式实践或执行。本文提供的特定实现方式的示例仅用于说明性目的而并不旨在限制。具体来说，结合任何一个或更多个示例论述的行动、部件、元件以及特征不旨在排除任何其他的示例中的类似作用。
另外，本文所用的措辞和术语是出于描述的目的，而不应视为具有限制性。对于本文中以单数提及的***和方法的示例、实施方式、部件、元件或者行动的任何引用也可以包含包括复数的实施方式，并且对于本文的任何实施方式、部件、元件或者行动复数形式的任何提及也可以包含仅包括单数的实施方式。单数形式或者复数形式的引用并不旨在限制当前公开的***或者方法、它们的部件、行动或者元件。“包括(including)”、“包括(comprising)”、“具有”、“包含”和“涉及”及其变形在本文的使用意指包括其后列举的项目和其等价物以及额外的项目。“或”的引用可解释为包括性的，使得使用“或”所描述的任何术语可以指示所描述的术语的单个、多于一个以及全部中的任何一种。另外，在本文件和通过引用并入的文件之间术语的用法不一致的情况下，在并入的文件中的术语用法作为对本文件中的术语用法的补充；对于不可协调的不一致，以本文件中的术语用法为准。
如上所讨论的，许多传统的不间断电源(UPS)包括至少一个转换器模块和至少一个逆变器模块。图1是传统UPS 100的框图。UPS 100包括输入端102、AC/DC转换器104、DC链路106、DC/DC转换器108、电池110、控制器112、DC/AC转换器114以及输出端116。输入端102耦合到AC/DC转换器104和AC电源(未描绘)，例如AC干线电源。AC/DC转换器104耦合到输入端102和DC链路106，并且通信地耦合到控制器112。DC链路106耦合到AC/DC转换器104、DC/DC转换器108和DC/AC逆变器114。DC/DC转换器108耦合到DC链路106和电池110，并且通信地耦合到控制器112。电池110耦合到DC/DC转换器108。DC/AC逆变器114耦合到DC链路106和输出端116，并通信地耦合到控制器112。输出端116耦合到DC/AC逆变器114和外部负载(未描绘)。
输入端102被配置为耦合到AC干线电源以接收具有输入电压电平的输入AC电力。例如，输入端102可以被配置为接收一相AC干线电力、三相AC干线电力或具有不同相数的输入电力。UPS 100被配置为基于提供到输入端102的AC电力的输入电压电平在不同的操作模式中操作。当提供到输入端102的AC电力是可接受的(即，通过具有满足规定值的参数)时，UPS 100在正常操作模式中操作。
在正常操作模式中，在输入端102处接收的AC电力被提供给AC/DC转换器104。AC/DC转换器104将AC电力转换成DC电力并且向DC链路106提供DC电力。DC链路106将DC电力分配给DC/DC转换器108和DC/AC逆变器114。DC/DC转换器108转换接收到的DC电力，并将转换后的DC电力提供给电池110以对电池110充电。DC/AC逆变器114从DC链路106接收DC电力，将DC电力转换成经调节的AC电力并且将经调节的AC电力提供给输出端116以输送到负载。
当从AC干线电源提供到输入端102的AC电力是不可接受的(即，通过具有不满足规定值的参数)时，UPS 100在备用操作模式中操作。在备用操作模式中，DC电力从电池110被放电到DC/DC转换器108。DC/DC转换器108转换接收到的DC电力并向DC链路106提供DC电力。DC链路106将接收到的电力提供给DC/AC逆变器114。DC/AC逆变器114从DC链路106接收DC电力，将DC电力转换成经调节的AC电力并且向输出端116提供经调节的AC电力。
在备用操作模式期间，提供给DC链路106的电力由电池110提供，并且在正常操作模式期间，提供给DC链路106的电力由连接到输入端102的电源提供。提供给DC链路106的电力随后被DC/AC逆变器114提取以产生AC电力，并将AC电力供应给连接到输出端116的外部负载。
可以根据几种拓扑中的一种来实现AC/DC转换器104和DC/AC逆变器114。图2A示出了传统3电平中性点箝位(NPC)拓扑200的电路电平图。拓扑200可以对应于一相***的单相，或者可以对应于三相电力转换***的单相。拓扑200包括输入端202、AC/DC转换器204、DC链路206、控制器208、DC/AC逆变器210以及输出端212。
输入端202包括被配置为接收三相AC输入电力的一相的AC电力输入端214和被配置为对从AC电力输入端214接收的AC电力进行滤波的电感器216。AC/DC转换器204包括二极管218和开关220，其被配置为将输入AC电力整流为DC电力，并将DC电力提供给DC链路206。DC链路206包括经由中性点224连接的一对电容器222。
DC/AC逆变器210包括续流开关226和逆变开关227，其被配置为将从AC/DC转换器204接收的DC电力逆变为AC电力，并且将AC电力提供给输出端212。输出端212包括电感器228和电容器230以及负载232，电感器228和电容器230被配置为对输出AC电力进行滤波，负载232被配置为接收输出AC电力。控制器208通信地耦合到开关220、续流开关226和逆变开关227，并且被配置成控制开关220、续流开关226和逆变开关227的开关操作。
如上所讨论的，拓扑200可以表示三相***的一相。例如，图2B示出了三相3电平NPC转换器234，其包括第一臂236a、第二臂236b和第三臂236c，每个臂都可以由拓扑200体现。在一些实现中，三相3电平NPC转换器234可能能够以相对高的效率提供大约50kW的功率因数校正电力。然而，三相3电平NPC转换器234的效率由开关损耗——包括开关220、续流开关226和逆变开关227中的开关损耗——限制。当电力转换效率降低时，电力密度降低且热生产增加，这可能是不利的。因此，提供具有增加的电力转换效率的3电平NPC拓扑可能是有利的。
图3A示出了根据本公开的一个实施方式的高效3电平NPC拓扑300。转换器300可以例如用在图1所示的UPS 100中。转换器300可以对应于单相***的单相、三相***的单相或具有交替相数的***的单相。例如，图3B示出了包括第一臂342a、第二臂342b和第三臂342c的三相3电平逆变器拓扑340，其中每一个臂可以结合高效3电平NPC转换器300来体现。
返回到图3A，3电平NPC转换器300包括输入部分302、整流器部分304、DC链路部分306、逆变器部分308、辅助分支部分310、输出部分312和控制器314。输入部分302通常被配置为接收输入AC电力，并对AC输入电力进行滤波。整流器部分304通常被配置成接收AC输入电力，将AC输入电力转换成DC电力，并将DC电力提供给DC链路部分306。
DC链路部分306通常被配置为接收DC电力，用接收到的DC电力对一个或更多个能量存储设备充电，以及将一个或更多个能量存储设备放电到逆变器部分308。在一些实施方式中，DC链路部分306可以包括第一备用电源节点344a和第二备用电源节点344b。备用电源节点344a、344b可以被配置为耦合到备用电源，例如电池或续流。例如，备用电源的行为可以类似于上面关于图1所讨论的电池110。在其他实施方式中，可以省略备用电源节点344a、344b。
逆变器部分308通常被配置成从DC链路部分306接收放电的DC电力，将所接收的放电的DC电力转换成AC电力，并且将AC电力提供给输出部分312。辅助分支部分310通常被配置为选择性地向逆变器部分308和输出部分312中的至少一个提供电力或从逆变器部分308和输出部分312中的至少一个接收电力。输出部分312通常被配置为向一个或更多个负载提供从逆变器部分308和辅助分支部分310中的至少一个接收的AC输出电力。
输入部分302包括被配置为耦合到AC电力输入源316(例如AC干线电源)的输入端315和滤波电感器318。整流器部分304包括第一开关320a、第二开关320b、第一二极管322a和第二二极管322b。DC链路部分306包括第一电容器324a、第二电容器324b和中性点326。逆变器部分308包括第一续流开关328a、第二续流开关328b、第一主分支开关330a和第二主分支开关330b。辅助分支部分310包括第一辅助开关332a和第二辅助开关332b。输出部分312包括滤波电感器334、滤波电容器336，并且被配置为耦合到负载338。
AC电力输入源316在第一连接处耦合到中性点326，并且在第二连接处耦合到滤波电感器318和第一辅助开关332a。滤波电感器318在第一连接处耦合到AC电力输入源316和第一辅助开关332a，并且在第二连接处耦合到第一二极管322a、第二二极管322b和第一开关320a。第一开关320a在第一连接处耦合到滤波电感器318、第一二极管322a和第二二极管322b，在第二连接处耦合到第二开关320b，并且被配置成通信地耦合到控制器314。第二开关320b在第一连接处耦合到第一开关320a，在第二连接处耦合到中性点326，并且通信地耦合到控制器314。
第一二极管322a在阳极连接处耦合到滤波电感器318、第二二极管322b和第一开关320a，并且在阴极连接处耦合到第一电容器324a和第一主分支开关330a。第二二极管322b在第二二极管322b的阴极连接处耦合到滤波电感器318、第一开关320a和第一二极管322a，并且在阳极连接处耦合到第二电容器324b和第二主分支开关330b。
第一电容器324a在第一连接处耦合到第一二极管322a和第一主分支开关330a，并且在第二连接处耦合到中性点326。第二电容器324b在第一连接处耦合到中性点326，并且在第二连接处耦合到第二二极管322b和第二主分支开关330b。中性点326耦合到第二开关320b、第一电容器324a、第二电容器324b和第一续流开关328a。
第一续流开关328a在第一连接处耦合到中性点326，在第二连接处耦合到第二续流开关328b，并且通信地耦合到控制器314。第二续流开关328b在第一连接处耦合到第一续流开关328a，在第二连接处耦合到第一主分支开关330a、第二主分支开关330b、第二辅助开关332b和滤波电感器334，并且通信地耦合到控制器314。
第一主分支开关330a在第一连接处耦合到第一二极管322a和第一电容器324a，在第二连接处耦合到第二续流开关328b、第二辅助开关332b、滤波电感器334和第二主分支开关330b，并且通信地耦合到控制器314。第二主分支开关330b在第一连接处耦合到第二续流开关328b、第一主分支开关330a、第二辅助开关332b和滤波电感器334，在第二连接处耦合到第二二极管322b和第二电容器324b，并且通信地耦合到控制器314。
第一辅助开关332a在第一连接处耦合到AC电力输入源316和滤波电感器318，在第二连接处耦合到第二辅助开关332b，并且通信地耦合到控制器314。第二辅助开关332b在第一连接处耦合到第一辅助开关332a，在第二连接处耦合到第二续流开关328b、第一主分支开关330a、第二主分支开关330b和滤波电感器334，并且通信地耦合到控制器314。
滤波电感器334在第一连接处耦合到第二续流开关328b、第一主分支开关330a、第二主分支开关330b和第二辅助开关332b，在第二连接处耦合到滤波电容器336，并且被配置为在第二连接处耦合到负载338。滤波电容器326在第一连接处耦合到电感器334，并且被配置为与负载338并联耦合。
负载338被配置为在第一连接处耦合到电感器334，并且被配置为与电容器336并联耦合。控制器314被配置成通信地耦合到第一开关320a、第二开关320b、第一续流开关328a、第二续流开关328b、第一主分支开关330a、第二主分支开关330b、第一辅助开关332a和第二辅助开关332b。在一些实施方式中，控制器314可以接收指示由AC电力输入源316提供的输入电压波形的信息以及指示由输出部分312提供给负载338的输出电压波形的信息。例如，控制器314可以耦合到被配置为提供指示前述电压信息的信息的一个或更多个传感器。
如上所讨论的，辅助分支部分310通常被配置为选择性地向逆变器部分308和输出部分312中的一个或更多个提供电力或从逆变器部分308和输出部分312中的一个或更多个接收电力，以提高转换器300的效率。在至少一个实施方式中，辅助分支部分310的操作可以在概念上分为四种操作模式。这四种操作模式名义上称为连接模式、停止模式、降压模式和续流模式。在至少一个实施方式中，控制器314基于输入电压信息和输出电压信息来选择四种操作模式中的一种，并根据所选择的操作模式提供一个或更多个开关信号。因此，操作模式对应于由控制器314传递到与整流器部分304、逆变器部分308和辅助分支部分310中的至少一个相关联的一个或更多个开关的一个或更多个控制信号。
图4示出了根据实施方式的确定电力转换器的操作模式的过程400。可以由控制器314结合3电平NPC转换器300来执行过程400。在行动402，过程400开始。在行动404中，接收电压信息。例如，控制器314可以接收指示由AC电压源316提供的输入电压Vin的电压信息以及指示提供给负载338的输出电压信息Vout的电压信息。
在行动406，做出关于Vin和Vout的乘积是否小于零(即，具有负值)的确定。例如，控制器314可执行操作以确定Vin的极性(例如，正或负)是否与Vout的极性(例如，负或正)相反。如果是这样(406是)，则过程400继续到行动408。在行动408，进入停止模式，如下面关于图5更详细地讨论的，并且过程400在行动410结束。否则(406否)，过程400继续到行动412。
在行动412，做出关于Vin是否等于Vout的确定。在一些实施方式中，可以做出关于Vin是否近似等于Vout的确定。例如，控制器314可以响应于确定Vin在Vout的阈值范围内(例如，2％)来确定Vin近似等于Vout，其中阈值范围可以由用户可调整地指定或者可以由控制器314可调整地计算。
如果Vin被认为等于Vout(412是)，则过程400继续到行动414。在行动414，进入连接模式，如下面关于图6更详细讨论的，并且过程400在行动410结束。否则(412否)，过程400继续到行动416。在行动416，做出关于Vin是否大于Vout的确定。例如，该确定可以由控制器314做出。如果是这样(416是)，则过程400继续到行动418。
在行动418，进入降压模式，如下面关于图7更详细地讨论的，并且过程400在行动410结束。如果Vin不大于Vout(416否)，则过程400继续到行动420。在行动420，做出关于Vin是否小于Vout的确定。例如，该确定可以由控制器314做出。如果是这样(420是)，则过程继续到行动422。在行动422，进入续流模式，如下面关于图8更详细地讨论的，并且过程400在行动410结束。否则(420否)，过程400在行动410结束。
对过程400的修改被规定为在本公开的范围内。例如，在一些实施方式中，可以调整行动406、412、416和420的顺序。在另一实施方式中，可以省略行动420。例如，控制器可以确定如果Vin没有与Vout相反的极性(406否)，不等于Vout(412否)，并且不大于Vout(416否)，则Vin必须小于Vout。因此，确定416“否”可以直接继续进行到行动422。
图5示出了根据实施方式的执行停止操作模式的过程500。例如，过程500可以响应于确定Vin的极性与Vout的极性相反而由控制器314执行。一般来说，辅助分支部分310在停止操作模式期间被禁用，并且整流器部分304和逆变器部分308在停止操作模式期间正常操作以产生期望的输出电压Vout。因为Vin的极性与Vout的极性相反，所以直接向负载338提供Vin可能不是有利的。因此，可以实现停止操作模式以防止辅助分支部分310直接向负载338提供Vin。过程500包括禁用辅助开关504、向整流器506传递控制信号以及向逆变器508传递控制信号的行动。
在行动502，过程500开始。在行动504，辅助开关被禁用。例如，控制器314可以禁用第一辅助开关332a和第二辅助开关332b。禁用第一辅助开关332a和第二辅助开关332b可以包括断开第一辅助开关332a和第二辅助开关332b，使得第一辅助开关332a和第二辅助开关332b处于非传导状态中。在一些实施方式中，通过控制器314禁用第一辅助开关332a和第二辅助开关332b可以包括控制器314不向第一辅助开关332a和第二辅助开关332b传递控制信号。例如，在第一辅助开关332a和第二辅助开关332b是常开开关的情况下，禁用第一辅助开关332a和第二辅助开关332b可以包括不向第一辅助开关332a和第二辅助开关332b提供控制信号。
在行动506，控制信号被传递到整流器。例如，控制器314可以将一个或更多个控制信号传递到整流器部分304以操作第一开关320a和第二开关320b。操作第一开关320a和第二开关320b可以包括在断开和非传导状态与闭合和传导状态之间驱动第一开关320a和第二开关320b以对由AC电压源316提供的输入电压整流，并将整流后的输入电压提供给DC链路306以对第一电容器324a和/或第二电容器324b充电。
在行动508，控制信号被传递到逆变器。例如，控制器314可以将一个或更多个控制信号传递到逆变器部分308，以操作第一主分支开关330a、第二主分支开关330b、第一续流开关328a和第二续流开关328b。操作第一主分支开关330a、第二主分支开关330b、第一续流开关328a和第二续流开关328b可以包括在断开和非传导状态与闭合和传导状态之间驱动第一主分支开关330a、第二主分支开关330b、第一续流开关328a和第二续流开关328b，以逆变从第一电容器324a和/或第二电容器324b提取的DC电压。
在行动510，过程500结束。例如，第一主分支开关330a和第二主分支开关330b可以被驱动以产生期望的输出电压Vout，并且第一续流开关328a和第二续流开关328b可以被驱动以解决来自电感器334的反激。
图6示出了根据实施方式的执行连接操作模式的过程600。例如，过程600可以响应于确定Vin近似等于Vout而由控制器314执行。一般来说，辅助分支部分310在连接操作模式期间被启用以将电力从AC电力输入源316传导到输出部分312，有效地绕过整流器部分304、DC链路306和逆变器部分308。过程600包括禁用整流器604、禁用逆变器606以及将控制信号传递到辅助开关608的行动。
在行动602，过程600开始。在行动604，禁用整流器。例如，控制器314可以禁用整流器部分304的第一开关320a和第二开关320b。禁用第一开关320a和第二开关320b可以包括断开第一开关320a和第二开关320b，使得第一开关302a和第二开关320b处于非传导状态中。在一些实施方式中，通过控制器314禁用第一开关320a和第二开关320b可以包括控制器314不传递控制信号。例如，在第一开关320a和第二开关320b是常开开关的情况下，禁用第一开关320a和第二开关320b可以包括不向第一开关320a和第二开关320b提供控制信号。
在行动606，禁用逆变器。例如，控制器314可以禁用逆变器部分308的第一主分支开关330a、第二主分支开关330b、第一续流开关328a和第二续流开关328b。禁用第一主分支开关330a、第二主分支开关330b、第一续流开关328a和第二续流开关328b可以包括断开第一主分支开关330a、第二主分支开关330b、第一续流开关328a和第二续流开关328b，使得第一主分支开关330a、第二主分支开关330b、第一续流开关328a和第二续流开关328b处于非传导状态中。
在一些实施方式中，通过控制器314禁用第一主分支开关330a、第二主分支开关330b、第一续流开关328a和第二续流开关328b可以包括控制器314不传递控制信号。例如，在第一主分支开关330a、第二主分支开关330b、第一续流开关328a和第二续流开关328b是常开开关的情况下，禁用第一主分支开关330a、第二主分支开关330b、第一续流开关328a和第二续流开关328b可以包括不向第一主分支开关330a、第二主分支开关330b、第一续流开关328a和第二续流开关328b提供控制信号。
在行动608，控制信号被传递到辅助开关。例如，控制器314可以向第一辅助开关332a和第二辅助开关332b提供一个或更多个控制信号。在一些实施方式中，控制器314可以操作第一辅助开关332a和第二辅助开关332b以处于闭合和传导状态中，使得由AC电源316提供的AC电力经由辅助分支部分310直接提供给输出部分312。在输入电压Vin对于输出到负载338已经是可接受的情况下，由AC电源316提供的AC电力可以有效地绕过整流器部分304和逆变器部分308，从而通过最小化在整流器部分304和逆变器部分308中的开关损耗来提高效率。在行动610，过程600结束。
图7示出了根据实施方式的执行降压操作模式的过程700。例如，过程700可以响应于确定Vin大于Vout而由控制器314执行。在一些实施方式中，过程700可以不被控制器314执行，直到Vin超过高于Vout的阈值为止。例如，如果在Vin在Vout的98％-102％之内时Vin被考虑为近似等于Vout，则响应于确定Vin大于高于Vout的2％，过程700可以由控制器314执行。
一般来说，辅助分支部分310在降压操作模式期间选择性地被启用，以将电力从AC电力输入源316传导到输出部分312。续流开关328a、328b被选择性地启用以使额外的电力降压，而其余的开关被禁用。过程700包括禁用整流器704、禁用主分支开关706以及向辅助开关和续流开关708传递控制信号的行动。
在行动702，过程700开始。在行动704，禁用整流器。例如，控制器314可以通过禁用第一开关320a和第二开关320b来禁用整流器部分304。如上所讨论的，禁用第一开关320a和第二开关320b可以包括例如通过不向第一开关320a和第二开关320b提供控制信号来将第一开关320a和第二开关320b保持在断开和非传导状态中。
在行动706，禁用主分支开关。例如，控制器314可以通过例如通过不向第一主分支开关330a和第二主分支开关330b提供控制信号而将第一主分支开关330a和第二主分支开关330b保持在断开和非传导状态中来禁用第一主分支开关330a和第二主分支开关330b。
在行动708，控制信号被传递到辅助开关和续流开关。例如，控制器314可以交替地向辅助开关332a、332b和续流开关328a、328b提供一个或更多个脉宽调制(PWM)控制信号。因为由辅助开关332a、332b传导的AC电力超过要提供给负载338的输出电力，所以续流开关328a、328b被选择性地启用以将由辅助开关332a、332b传导的AC电力降压到期望的输出电平。例如，使AC电力降压可以包括交替地驱动辅助开关332、332b和续流开关328a、328b，使得Vout具有在Vin(由辅助开关332a、332b传导)和中性点326(由续流开关328a、328b连接)的电压电平之间的电压电平。在行动710，过程700结束。
图8示出了根据实施方式的执行续流操作模式的过程800。例如，过程800可以响应于确定Vin小于Vout而由控制器314执行。在一些实施方式中，过程800可以不被控制器314执行，直到Vout超过高于Vin的阈值为止。例如，如果在Vin在Vout的98％-102％之内时Vin被考虑为近似等于Vout，则响应于确定Vout大于高于Vin的2％，过程800可以由控制器314执行。
一般来说，整流器部分304和主分支开关330a、330b被控制以在续流操作模式期间向输出部分312提供AC输出电压，而辅助开关332a、332b起续流开关的作用。过程800包括启用整流器804、禁用续流开关806以及向主分支开关和辅助开关808传递控制信号的行动。
在行动802，过程800开始。在行动804，一个或更多个控制信号被传递到整流器。例如，控制器314可以将一个或更多个控制信号传递到整流器部分304的第一开关320a和第二开关320b。如上所讨论的，操作第一开关320a和第二开关320b可以包括在断开和非传导状态与闭合和传导状态之间驱动第一开关320a和第二开关320b以对由AC电压源316提供的输入电压整流，并将整流后的输入电压提供给DC链路306以对第一电容器324a和/或第二电容器324b充电。
在行动806，续流开关被禁用。例如，控制器314可以禁用第一续流开关328a和第二续流开关328b。如上所讨论的，禁用第一续流开关328a和第二续流开关328b可以包括不向第一续流开关328a和第二续流开关328b提供控制信号，使得第一续流开关328a和第二续流开关328b不传导电力。
在行动808，控制信号被传递到主分支开关和辅助开关。例如，控制器314可以将控制信号传递到第一主分支开关330a、第二主分支开关330b、第一辅助开关332a和第二辅助开关332b。控制第一主分支开关330a和第二主分支开关330b可以包括选择性地断开和闭合第一主分支开关330a和第二主分支开关330b，使得DC电力从DC链路部分306被提取、转换成AC电力并提供给输出部分312。
控制第一辅助开关332a和第二辅助开关332b可以包括选择性地断开和闭合第一辅助开关332a和第二辅助开关332b中的至少一个，使得电力可以通过辅助分支部分310续流。例如，第二辅助开关332b可以闭合，使得电力可以通过闭合的第二辅助开关332b和第一辅助开关332a的反向连接二极管来续流。在行动810，过程800结束。
与例如使用第一续流开关328a和第二续流开关328b来在反激期间传导相比，续流操作模式可以提供几个优点。例如，考虑在连接第一主分支开关330a、第二主分支开关330b、第二续流开关328b、第二辅助开关332b和电感器334的节点处的电压V节点。如果第一续流开关328a和第二续流开关328b在反激期间传导，则在第一续流开关328a和第二续流开关328b两端的电压降是在V节点和中性点326的电压电平之间的差。
相反，如果第一辅助开关332a和第二辅助开关332b在反激期间传导，则在第一辅助开关332a和第二辅助开关332b两端的电压降是在V节点和由AC电压源316提供的输入电压的电压电平之间的差。在一些实施方式中，在V节点和中性点326的电压电平之间的差可以大于在V节点和输入电压的电压电平之间的差。因此，实现在第一辅助开关332a和第二辅助开关332b两端的较小的电压降可能是有利的，使得电压应力和开关损耗减小，且从而提高效率。
如上所讨论的，3电平NPC转换器300至少部分地由控制器314控制。在至少一个实施方式中，控制器314根据在本文被称为柔性载波级联配置(FCCD)PWM控制方案的控制方案来操作。FCCD PWM控制方案允许3电平NPC转换器300在上面讨论的四种操作模式之间平滑过渡。
图9示出了根据实施方式的控制方案曲线图900。曲线图900包括指示时间的水平轴和指示电压电平的垂直轴。曲线图900包括第一调制信号902、第二调制信号904、第三调制信号906和边界线908。在一些实施方式中，调制信号902-906是三角形波形，且边界线908是指示输入电压的正弦波形。
第一调制信号902在水平轴和电压V三角形之间振荡，且电压V三角形的极性与在第一区域910中的边界线908的极性相反。在图9所示的实施方式中，存在第一区域910的四个实例，每个实例包括第一调制信号902。第二调制信号904在水平轴和第二区域912中的边界线908之间振荡。在图9所示的实施方式中，存在第二区域912的四个实例，每个实例包括第二调制信号904。
第三调制信号906在边界线908和电压V三角形之间振荡，且电压V三角形具有与第三区域914中的边界线908的极性相同的极性。在图9所示的实施方式中，存在第三区域914的四个实例，每个实例包括第三调制信号906。
在一些实施方式中，可以实现曲线图900以确定将由控制器314执行的操作模式。例如，输出电压波形例如提供给负载338的输出电压波形可以与曲线图900进行比较，以确定输出电压波形是否在第一区域910、第二区域912、第三区域914中或近似等于边界线908。在一些实施方式中，第一区域910对应于停止模式，第二区域912对应于降压模式，第三区域914对应于续流模式，且边界线908对应于连接模式。
调制信号902-906可用于根据操作模式来产生由控制器314提供给3电平NPC转换器300中的一个或更多个开关的PWM信号。在一些实施方式中，对于给定区域，可以将相应的调制信号与误差信号进行比较。例如，在第一区域910中，可以将第一调制信号902与指示在输出电压和指示期望输出电压波形的参考输出电压之间的误差的误差信号进行比较。
误差信号可以由控制器例如控制器314或另一控制器产生。比较可以由比较器执行，该比较器被配置为基于在误差信号和第一调制信号902之间的比较来输出根据转换器300的操作模式提供给3电平NPC转换器300中的一个或更多个开关的PWM信号。例如，如果输出波形在第一区域910中——这可以对应于停止模式，则第一调制信号902可以对应于提供给在整流器部分304和逆变器部分308中的开关的PWM信号，以交替地断开和闭合开关。
图10示出了根据实施方式的示例曲线图1000。曲线图1000包括指示时间的水平轴和指示范围从负最大电压电平-V最大到正最大电压电平+V最大的电压电平的垂直轴。曲线图1000包括输入电压信号1002、输出电压信号1004和中间电压信号1006。为了解释的目的，曲线图1000被划分为第一时间段1008、第二时间段1010、第三时间段1012、第四时间段1014、第五时间段1016和第六时间段1018。
曲线图1000提供了根据FCCD PWM控制方案来选择操作模式的示例。例如，曲线图1000可以示出由控制器314结合3电平NPC转换器300执行的控制方案的示例。输入电压信号1002可以对应于由AC电压电源316提供的输入电压信号，输出电压信号1004可以对应于提供给负载338的输出电压信号，并且中间电压信号1006可以对应于在中间节点346处的电压电平。
第一时间段1008通常对应于输入电压信号1002具有与输出电压信号1004的极性相反的极性时的时间段。如图9和10所示，输出电压信号1004可被认为在第一时间段1008期间处于第一区域910中，这可对应于停止操作模式。如图10所示，在第一时间段1008期间的中间电压信号1006可以在水平轴的电压和负最大电压电平-V最大之间以变化的宽度振荡，以产生类似于输出电压信号的输出电压。
第二时间段1010通常对应于输入电压信号1002具有与输出电压信号1004的极性相同的极性和比输出电压信号1004的幅度大的幅度时的时间段。如图9和10所示，输出电压信号1004可被认为在第二时间段1010期间处于第二区域912中，这可对应于降压操作模式。在第二时间段1010期间的中间电压信号1006可以在水平轴和输入电压信号1002的电压之间以变化的宽度振荡，以产生类似于输出电压信号的输出电压。
在第二时间段1010和第三时间段1012之间，可以认为输入电压信号1002近似等于输出电压信号1004。当输入电压信号1002在输出电压信号1004的阈值范围内时，可以认为输入电压信号1002等于输出电压信号1004。在一些实施方式中，输入电压信号1002近似等于输出电压信号1004可以对应于连接操作模式。
第三时间段1012通常对应于输入电压信号1002具有与输出电压信号1004的极性相同的极性和比输出电压信号1004的幅度小的幅度时的时间段。如图9和10所示，输出电压信号1004可被认为在第三时间段1012期间处于第三区域914中，这可对应于续流操作模式。
如图10所示，在第三时间段1012期间的中间电压信号1006可以在输入电压信号1002的电压和正最大电压电平+V最大之间以变化的宽度振荡，以产生类似于输出电压信号的输出电压。
类似于第一时间段1008，第四时间段1014通常对应于输入电压信号1002具有与输出电压信号1004的极性相反的极性时的时间段。然而，在第四时间段1014期间的输入电压信号1002的极性与在第一时间段1008期间的输入电压信号1002的极性相反，并且在第四时间段1014期间的输出电压信号1004的极性与在第一时间段1008期间的输出电压信号1004的极性相反。
如图9和10所示，输出电压信号1004可被认为在第四时间段1014期间处于第一区域910中，这可对应于停止操作模式。如图10所示，在第四时间段1014期间的PWM信号1006可以在水平轴和正最大电压电平+V最大之间以变化的宽度振荡，以产生类似于输出电压信号的输出电压。
类似于第二时间段1010，第五时间段1016通常对应于输入电压信号1002的极性与输出电压信号1004的极性相同并且输入电压信号1002的幅度大于输出电压信号1004的幅度时的时间段。然而，在第五时间段1016期间的输入电压信号1002和输出电压信号1004的极性与在第二时间段1010期间的输入电压信号1002和输出电压信号1004的极性相反。
如图9和10所示，输出电压信号1004可被认为在第五时间段1016期间处于第二区域912中，这可对应于降压操作模式。如图10所示，在第五时间段1016期间的PWM信号1006可以在水平轴和输入电压信号1002的电压之间以变化的宽度振荡，以产生类似于输出电压信号的输出电压。
在第五时间段1016和第六时间段1018之间，输入电压信号1002可以被认为近似等于输出电压信号1004。类似于在第二时间段1010和第三时间段1012之间的时间，输入电压信号1002近似等于输出电压信号1004可以对应于连接操作模式。因此，在第五时间段1016和第六时间段1018之间的PWM信号1006可以表示由控制器314传递到整流器部分304、逆变器部分308和辅助部分310中的至少一个中的一个或更多个开关的一个或更多个PWM控制信号，如上面关于图6所讨论的。
类似于第三时间段1012，第六时间段1018通常对应于输入电压信号1002的极性与输出电压信号1004的极性相同并且输入电压信号1002的幅度小于输出电压信号1004的幅度时的时间段。然而，在第六时间段1018期间的输入电压信号1002和输出电压信号1004的极性与在第三时间段1012期间的输入电压信号1002和输出电压信号1004的极性相反。
如图9和10所示，输出电压信号1004可被认为在第六时间段1018期间处于第三区域914中，这可对应于续流操作模式。如图10所示，在第六时间段1018期间的PWM信号1006可以在输入电压电平1002的电压和负最大电压电平-V最大之间以变化的宽度振荡，以产生类似于输出电压信号的输出电压。
因此，通过提供辅助分支部分310，3电平NPC转换器300使开关损耗能够至少部分地最小化。最小化开关损耗允许转换器效率增加，这产生成本和可能不利的热发射的减小。3电平NPC转换器300的操作根据FCCD PWM控制方案至少部分地由控制器314控制，这使在上面讨论的各种操作模式之间的平滑过渡成为可能。
控制器314可以监控和控制3电平NPC转换器300的操作。使用储存在相关存储器中的数据，控制器314还执行可以导致所操控的数据的存储在一个或更多个非临时计算机可读介质上的一个或更多个指令。在一些示例中，控制器314可以包括一个或更多个处理器或其他类型的控制器。在一个示例中，控制器314是可商购获得的通用处理器。在另一个示例中，控制器314在通用处理器上执行本文公开的功能的一部分并且使用为执行特定操作而被定制的专用集成电路(ASIC)来执行该功能的另一部分。如这些示例所说明的，根据本发明的示例可以使用硬件和软件的许多特定组合来执行本文所述的操作，并且本发明不限于硬件和软件部件的任何特定的组合。
在描述了至少一个实施方式的几个方面后，应认识到，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一部分，并且被规定为落在本公开的范围内。因此，前文的描述和附图仅仅是示例性的。

Claims (15)

1.一种UPS***，所述UPS***包括：
输入端，其被配置为接收AC输入电力；
输出端，其被配置为向至少一个负载提供AC输出电力；
整流器，其耦合到所述输入端；
逆变器，其在一端耦合到所述整流器，并在另一端耦合到所述输出端；
辅助分支，其在一端耦合到所述输入端，并在另一端耦合到所述输出端；以及
控制器，其耦合到所述整流器、所述逆变器和所述辅助分支，并被配置为：
接收指示所述AC输入电力的电压电平的输入电压信息；
接收指示所述AC输出电力的电压电平的输出电压信息；
基于所述输入电压信息和所述输出电压信息满足第一条件来选择降压操作模式；
基于所述输入电压信息和所述输出电压信息满足第二条件来选择续流操作模式；以及
基于所选择的操作模式来将一个或更多个控制信号传递到所述整流器、所述逆变器和所述辅助分支中的至少一个；
其中：
所述辅助分支包括一个或更多个辅助开关；
所述整流器包括一个或更多个整流开关；以及
所述逆变器包括一个或更多个主分支开关和一个或更多个续流开关；
其中满足所述第二条件包括确定所述AC输入电力的电压电平小于所述AC输出电力的电压电平；以及
其中所述输出端包括输出电感器，并且其中所述控制器被配置为响应于所述第二条件被满足而：
操作所述一个或更多个主分支开关以产生所述AC输出电力并向所述输出端提供所述AC输出电力；以及
操作所述一个或更多个辅助开关以在所述输出电感器的反激期间续流。
2.根据权利要求1所述的UPS***，其中满足所述第一条件包括确定所述AC输入电力的电压电平大于所述AC输出电力的电压电平。
3.根据权利要求2所述的UPS***，其中所述控制器被配置为响应于所述第一条件被满足而：
操作所述一个或更多个辅助开关以将所述AC输入电力传导到所述输出端和所述逆变器中的至少一个；以及
操作所述一个或更多个续流开关以使所述AC输入电力降压。
4.根据权利要求1所述的UPS***，其中所述控制器还被配置为基于所述输入电压信息和所述输出电压信息来选择连接操作模式和停止操作模式之一。
5.根据权利要求4所述的UPS***，其中所述控制器被配置成响应于确定所述AC输入电力的电压电平近似等于所述AC输出电力的电压电平而选择所述连接操作模式。
6.根据权利要求5所述的UPS***，其中所述控制器被配置为响应于确定所述AC输入电力的电压电平在所述AC输出电力的电压电平的阈值范围内而确定所述AC输入电力的电压电平近似等于所述AC输出电力的电压电平。
7.根据权利要求5所述的UPS***，其中所述控制器被配置为响应于选择所述连接操作模式而：
禁止所述整流器和所述逆变器提供电力；以及
操作所述一个或更多个辅助开关以向所述输出端提供所述AC输入电力。
8.根据权利要求4所述的UPS***，其中所述控制器被配置为响应于确定所述AC输入电力的电压电平的极性与所述AC输出电力的电压电平的极性相反而选择所述停止操作模式。
9.根据权利要求8所述的UPS***，其中所述控制器被配置为响应于选择所述停止操作模式而：
禁止所述一个或更多个辅助开关向所述输出端提供所述AC输入电力；以及
操作所述一个或更多个整流开关、所述一个或更多个主分支开关和所述一个或更多个续流开关以向所述输出端提供所述AC输出电力。
10.一种用整流器、逆变器和辅助分支中的一个或更多个来调节从输入端接收的AC输入电力以向输出端提供AC输出电力的方法，所述方法包括：
接收指示所述AC输入电力的电压电平的输入电压信息；
接收指示所述AC输出电力的电压电平的输出电压信息；
基于确定所述输入电压信息和所述输出电压信息在第一时间满足第一条件来选择降压操作模式；
基于确定所述输入电压信息和所述输出电压信息在第二时间满足第二条件来选择续流操作模式；以及
基于所选择的操作模式来将一个或更多个控制信号传递到所述整流器、所述逆变器和所述辅助分支中的至少一个；
其中确定所述输入电压信息和所述输出电压信息满足所述第二条件包括确定所述AC输入电力的电压电平小于所述AC输出电力的电压电平；
所述方法还包括：
响应于选择所述续流操作模式而操作所述逆变器以产生所述AC输出电力并将所述AC输出电力提供给所述输出端；以及
响应于选择所述续流操作模式而操作所述辅助分支以在所述输出端的反激期间续流。
11.根据权利要求10所述的方法，其中确定所述输入电压信息和所述输出电压信息满足所述第一条件包括确定所述AC输入电力的电压电平大于所述AC输出电力的电压电平。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：
响应于选择所述降压操作模式而操作所述辅助分支以将所述AC输入电力传导到所述输出端和所述逆变器中的至少一个；以及
响应于选择所述降压操作模式而操作所述逆变器以使所述AC输入电力降压。
13.根据权利要求10所述的方法，还包括基于所述输入电压信息和所述输出电压信息来选择连接操作模式和停止操作模式之一。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括：
响应于确定所述AC输入电力的电压电平等于所述AC输出电力的电压电平而选择所述连接操作模式；以及
响应于确定所述AC输入电力的电压电平的极性与所述AC输出电力的电压电平的极性相反而选择所述停止操作模式。
15.一种不间断电源(UPS)***，所述***包括：
输入端，其被配置为接收AC输入电力；
输出端，其被配置为向至少一个负载提供AC输出电力；
整流器，其耦合到所述输入端；
逆变器，其在一端耦合到所述整流器，并在另一端耦合到所述输出端；
辅助分支，其在一端耦合到所述输入端，并在另一端耦合到所述输出端；以及
用于响应于第一条件被满足而选择降压操作模式和响应于第二条件被满足而选择续流操作模式以及用于基于所选择的操作模式来控制所述整流器、所述逆变器和所述辅助分支中的至少一个的装置；
其中：
所述辅助分支包括一个或更多个辅助开关；
所述整流器包括一个或更多个整流开关；以及
所述逆变器包括一个或更多个主分支开关和一个或更多个续流开关；
其中满足所述第二条件包括确定所述AC输入电力的电压电平小于所述AC输出电力的电压电平；
其中所述输出端包括输出电感器，并且其中所述装置被配置为响应于所述第二条件被满足而：
操作所述一个或更多个主分支开关以产生所述AC输出电力并向所述输出端提供所述AC输出电力；以及
操作所述一个或更多个辅助开关以在所述输出电感器的反激期间续流。
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