[发明专利]用于控制多电平软开关功率转换器的方法和设备

说明书

本申请公开了一种用于控制多电平软开关功率转换器的系统，包括：DC母线、一对开关臂和控制器。所述DC母线具有可操作以使所述DC母线两端呈现电压电位的正轨和负轨。每个开关臂连接在所述正轨和所述负轨之间，并包括四个软开关。每个软开关连接在正轨、负轨或正轨和负轨之间的三个中间连接之一之间。每个软开关还由门极信号控制。飞跨电容器连接在第一中间连接和第三中间连接之间，输出端子连接在每个开关臂的第二中间连接处。控制器可操作以使用至少三个控制例程生成门极信号中的每一个。

技术领域

本文中公开的主题涉及用于控制多电平飞跨电容器软开关谐振功率转换器的系统，可选地还涉及利用多种调制策略在宽范围操作条件上提供功率转换器的改进性能的系统。

背景技术

本领域技术人员都知道，功率转换器允许供应来自输入电源的可控的输出电压和/或电流。输入电源是直流(DC)电源，其可能具有固定或可变幅值。可控输出电压是AC电压，并且可以具有可变的幅值和频率(AC电压)。一个或多个有源或无源开关装置连同电感或电容装置的许多种配置被设置成提供可控的输出电压。

用于控制功率转换器的常见方法利用“硬”开关。硬开关需要不考虑由开关传导的电流或电压以期望的时间接通或关断有源控制的开关装置。结果，在导通和关断之间的过渡期间，产生电压和/或电流的尖峰。这些尖峰生成作为开关频率的函数的宽带电磁噪声。此外，在开关装置的反向恢复期间由于呈现的电压和/或电流，开关装置会带来开关损耗。

功率转换器的新近发展尝试通过实现“软”开关缓解由“硬”开关生成的开关损耗和噪声。在软开关中，当开关装置两端的电流或电压处于或接近零时，开关装置被控制导通和关断。在超级谐振逆变器拓扑中，当出现零电压但有一些电流时，通常关断开关装置。缓冲电容器(snubber capacitor)并联连接在每个开关装置两端，其快速去除在开关装置已经被关断之后开关装置两端的剩余电流。结果，与硬开关转换器相比，软开关转换器降低产生的开关损耗和噪声。

众所周知，谐振功率转换器的性能通常可能在一个操作点最优。然而，在宽范围的输入电压、负载变化或其组合上性能降低。

因此，期望提供一种在宽范围操作条件上表现出期望性能的谐振转换器。

发明内容

本文中公开的主题描述控制多电平软开关转换器的改进的系统和方法。多电平转换器被配置成将五个不同的电压电平提供至负载。在每个开关的两端提供缓冲电容器以提供软开关操作。多电平软开关转换器被配置成在宽范围操作条件上操作。结果，多电平软开关转换器包括三种不同的操作模式。每个操作模式被优化以在多电平软开关转换器的总操作范围的不同部分上提供输出电压。第一操作模式控制多电平软开关转换器高达额定功率的操作并且通常在高功率操作。第二操作模式控制转换器在中功率操作范围上操作，第三操作模式控制转换器在低功率操作范围上的操作。

在本发明的一个实施例中，公开了一种多电平软开关功率转换器，包括：DC母线、一对开关臂和控制器。所述DC母线包括可操作以使所述DC母线两端呈现电压电位的正轨和负轨。每个开关臂连接在所述正轨和所述负轨之间，每个开关臂还包括串联的四个软开关。第一软开关连接在所述正轨和第一中间连接之间并由第一门极信号控制。第二软开关连接在所述第一中间连接和第二中间连接之间并由第二门极信号控制。第三软开关连接在所述第二中间连接和第三中间连接之间并由第三门极信号控制。第四软开关连接在所述第三中间连接和所述负轨之间并由第四门极信号控制。每个开关臂还包括连接在所述第一中间连接和所述第三中间连接之间的飞跨电容器以及连接在所述第二中间连接处的输出端子。所述控制器可操作以利用至少三种控制方法生成所述第一门极信号、所述第二门极信号、所述第三门极信号和所述第四门极信号中的每一个。