CN103518300A

CN103518300A - 例如多电平功率逆变器的电子装置的控制方法和电容器平衡电路

Info

Publication number: CN103518300A
Application number: CN201180068243.3A
Authority: CN
Inventors: A.佩尔穆伊; L.所罗门
Original assignee: GE Energy Power Conversion Technology Ltd
Current assignee: GE Energy Power Conversion Technology Ltd
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2011-12-19
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2031-12-19
Also published as: CN103518300B; BR112013015894A2; US20120161858A1; US9312705B2; MX2013007362A; WO2012087895A1; EP2656467A1; CA2822864A1; EP2656467B1; EP2656467A4

Abstract

平衡例如多电平功率逆变器的电力电子装置的电容器组中的电压的方法包括基于这些电容器中选择的一个电容器的电压做出关于是（i）将能量从能量储存元件注入到这些电容器中选择的一个电容器中还是（ii）将能量从这些电容器中选择的一个电容器提取到该能量储存元件中的平衡确定，并且基于该平衡确定将能量从该能量储存元件注入到这些电容器中选择的一个电容器中，或将能量从这些电容器中选择的一个电容器提取到该能量储存元件中。同样，实现该方法的电压平衡电路。在一个特定实现中，实用空间二次导数算法。在另一个特定实现中，实用与平均电容器电压的比较。

Description

例如多电平功率逆变器的电子装置的控制方法和电容器平衡电路

相关申请的交叉引用

该申请根据35 U.S.C.§119(e)要求来自2010年12月22日提交的名为“Multilevel Power Converter Capacitor Balancing Circuit and Control Algorithm（多电平功率转换器电容器平衡电路和控制算法）”的临时美国专利申请号61/426,035的优选权，其的内容通过引用结合于此。

技术领域

本发明关于采用电容器组来提供DC电压的电子装置，例如功率电子装置（例如，多电平功率逆变器），并且具体地关于用于平衡这样的电子装置的电容器组的多个电容器上的电荷的方法和电路。

背景技术

多电平功率逆变器是功率电子装置，其形成结构来从一个或多个DC输入电压产生AC波形。多电平功率逆变器在很多种应用中使用，例如（无限制地）变速马达驱动器和作为高压DC传输线与AC传输线之间的接口。

多电平功率逆变器后的一般概念是使用多个功率半导体开关，其耦合于多个较低电平的DC电压源来通过合成阶梯电压波形执行功率转换。用于实现多电平功率逆变器的多个不同的拓扑结构是众所周知的，包括但不限于中性点箝位（NPC）拓扑结构和H桥拓扑结构。

如本领域内已知的，耦合于一个或多个DC电压输入的一组电容器（“DC链路”）常常用于提供对于多电平功率逆变器的操作所需要的多个DC电压源。例如，已知在上文描述的NPC拓扑结构中使用包括一组电容器的这样的DC链路。在正常的正弦操作下，具有超过三个电平的多电平逆变器的DC链路电容器组电压将趋于变得不平衡。如已知的，由于逆变器输出电压中无特性谐波的生成和横过半导体开关的过电压的存在，在DC链路电容器组中具有不平衡电压的多电平功率逆变器的操作将不利地影响该多电平功率逆变器的性能。

对电容器平衡问题的一个已知方式是应用专用的多个二次绕组变压器，其固有地迫使电容器电压跨越所有功率转换器电平平衡。第二个已知方式是对负载电流应用先进的控制技术，以便管理进入和离开DC链路电容器组的能量流。然而，这些技术方案已经被证明是成本过高的和/或在许多应用中功能不足。

发明内容

在一个实施例中，提供平衡例如多电平功率逆变器的电子装置的电容器组中的电压的方法，其包括步骤：确定这些电容器中选择的一个电容器相对于这些电容器中第一剩余的一个电容器和这些电容器中第二剩余的一个电容器的电压空间二次导数，基于该电压空间二次导数做出关于是（i）将能量从能量储存元件注入到这些电容器中选择的一个电容器还是（ii）将能量从这些电容器中选择的一个电容器提取到该能量储存元件中的平衡确定，并且基于该平衡确定将能量从该能量储存元件注入到这些电容器中选择的一个电容器中，或将能量从这些电容器中选择的一个电容器提取到该能量储存元件中。

在另一个实施例中，提供用于平衡电子装置的电容器组中的电压的平衡电路，其包括多个电子开关装置、耦合于该多个电子开关装置的能量储存元件和操作耦合于该多个电子开关装置的控制单元。该控制单元控制该电子开关装置，并且被编程以确定这些电容器中选择的一个电容器相对于这些电容器中第一剩余的一个电容器和这些电容器中第二剩余的一个电容器的电压空间二次导数，基于该电压空间二次导数做出关于是（i）将能量从能量储存元件注入到这些电容器中选择的一个电容器还是（ii）将能量从这些电容器中选择的一个电容器提取到该能量储存元件中的平衡确定，并且基于该平衡确定控制该电子开关装置来使能量从该能量储存元件注入到这些电容器中选择的一个电容器中，或控制该电子开关装置来使能量从这些电容器中选择的一个电容器提取到该能量储存元件中。

在另一个实施例中，提供平衡电子装置的电容器组中的电压的方法。该方法包括确定这些电容器中选择的一个电容器的电压，确定这些电容器中两个或更多电容器（其可包括这些电容器中该选择的一个电容器）的平均电压，基于该电压与平均电压的比较做出关于是（i）将能量从能量储存元件注入到这些电容器中该选择的一个电容器中还是（ii）将能量从这些电容器中该选择的一个电容器提取到该能量储存元件中的平衡确定，并且基于该平衡确定将能量从该能量储存元件注入到这些电容器中该选择的一个电容器中，或将能量从这些电容器中该选择的一个电容器提取到该能量储存元件中。

在再另一个实施例中，提供用于平衡电子装置的电容器组中的电压的平衡电路。该平衡电路包括多个电子开关装置、耦合于该多个电子开关装置的能量储存元件和操作耦合于该多个电子开关装置的控制单元，其中该控制单元控制该电子开关装置。该控制单元被编程以确定这些电容器中选择的一个电容器的电压，确定这些电容器中两个或更多电容器（其可包括这些电容器中该选择的一个电容器）的平均电压，基于该电压与平均电压的比较做出关于是（i）将能量从能量储存元件注入到这些电容器中该选择的一个电容器中还是（ii）将能量从这些电容器中该选择的一个电容器提取到该能量储存元件中的平衡确定，并且基于该平衡确定控制该电子开关装置来使能量从该能量储存元件注入到这些电容器中该选择的一个电容器，或控制该电子开关装置来使能量从这些电容器中该选择的一个电容器提取到该能量储存元件中。

本发明的这些和其他目的、特征和特性以及结构的有关元件的操作方法和功能和部件的组合以及制造经济当参照附图考虑下列描述和附上的权利要求时将变得更明显，其中的全部形成该说明书的部分，其中类似的标号指代各种图中对应的部件。然而，要明确地理解图仅仅是为了说明和描述的目的并且不意为本发明的限制的限定。

附图说明

图1是现有技术的3相、3电平NPC型多电平逆变器的示意图；

图2是现有技术的3相、5电平多电平功率逆变器的示意图；

图3A-3C是示出根据本发明的各种示范性实施例的电容器平衡电路的示意图；

图4是示出根据本发明的一个示范性实施例的操作图3A-3C的电容器平衡电路的方法的流程图；

图5-8是示出根据本发明的一个特定实施例的图3A-3C的电容器平衡电路的操作的有限状态机的图；以及

图9是示出根据本发明的另一个示范性实施例的操作图3A-3C的电容器平衡电路的方法的流程图。

具体实施方式

如本文使用的，“一（a）”、“一（an）”和“该”的单数形式包括复数个指代物，除非上下文清楚地另外指明。如本文使用的，两个或更多部分或组件“耦合”的陈述将意味这些部件直接或间接（即，通过一个或多个中间部件或组件）联接在一起或一起操作，只要存在链路。如本文使用的，“直接耦合”意味两个元件直接彼此接触。如本文使用的，“固定耦合”或“固定的”意味两个组件耦合以便作为一个移动同时维持相对于彼此的恒定取向。

如本文使用的，单词“单一的”意味组件形成为单个件或单元。即，包括分别形成并且然后耦合在一起作为单元的件的组件不是“单一的”组件或主体。如本文采用的，两个或更多部分或组件彼此“接合”的陈述将意味这些部件直接或通过一个或多个中间部件或组件对彼此施加力。如本文采用的，术语“数量”将意味一或大于一的整数（即，多个）。

本文使用的方向短语，诸如（例如并且无限制地）顶部、底部、左边、右边、上部、下部、前面、背面和其的派生词涉及在图中示出的元件的取向，并且对权利要求不是限制性的除非在其中明确地详述。

本发明提供电容器平衡电路和关联的方法，其提供功能性来保持所有DC链路电容器组电压在规定的容差范围内。本发明的方法和电路可与任何串联连接的电容器集采用，并且从而可与包括这样的串联连接的电容器集的任何电子装置采用。例如并且无限制地，本发明的方法和电路可与功率电子装置采用，该功率电子装置包括串联连接的电容器，诸如（无限制地）采用一组电容器来提供需要的DC电压电平的多电平功率逆变器。尽管将理解这仅意味是示范性的，为了说明性目的，本发明的电容器平衡方法和电路将连同具有特定已知的拓扑结构的多电平功率逆变器描述，并且包括不同的多电平功率逆变器拓扑结构的其他装置预想在本发明的范围内。

如本领域内已知的，多电平功率逆变器从由多电平逆变器的电容器组提供的DC电容器电压的若干电平合成阶梯输出电压。m电平逆变器（即，用于合成该阶梯输出电压的m个电压电平）由电容器组中的m-1个电容器（DC母线）、每相2（m-1）个开关装置和每相2（m-2）个箝位二极管构成。图1是用标号2标记的现有技术3相、3电平NPC逆变器（即，m=3）的示意图。如在图1中看见的，DC电压母线通过使用两个（即，m-1）DC电容器C1和C2分成三个电平（即，m=3）。每个电容器具有V_dc/2伏特，并且输出电压具有三个状态（0伏特、+V_dc/2伏特、-V_dc/2伏特），其用于构建AC输出阶梯。另外，每个相桥臂具有四个开关装置（即，2（m-1））和两个箝位二极管（即，2（m-2））。

如同样在本领域中已知的，多电平功率逆变器的电平数量可以通过提供另外的电容器、开关装置和箝位二极管而增加。图2是用标号4标记的已知5电平多电平功率逆变器拓扑结构（即，m=5）的一个相桥臂的示意图。为了说明性目的，当描述本发明的多电平功率逆变器电容器平衡电路和关联的方法时，将使用具有示出的拓扑结构的多电平功率逆变器4。然而，将理解这仅意味是示范性的，并且具有不同的电压电平（即，其中m≥3的任何数量的电平）和/或不同的拓扑结构和/或布局（即，不同于在图2中示出的）的多电平功率逆变器可在本发明的范围内采用。例如并且无限制地，2010年12月22日提交的美国临时申请号61/426,051和2011年6月28日提交的美国临时申请号61/501,876，各自由本发明的受让人所有并且名为“Mechanical Arrangement of a Multilevel Power Converter Circuit（多电平功率转换器电路的机械装置）”描述多电平功率逆变器的特定备选机械装置，并且将理解本文描述的电容器平衡电路和方法可与这样的多电平功率逆变器装置采用。美国临时申请号61/426,051和61/501,876以及与此相同日期提交并且根据35 U.S.C.§119(e)要求刚刚识别的临时申请的优先权的美国专利申请序列号的公开通过引用全文结合于此。

参照图2，5电平多电平功率逆变器4包括电容器组6，其具有正输入端子8、负输入端子10、四个DC电容器12A、12B、12C和12D和中间点14A、14B、14C。5电平多电平功率逆变器4还包括变换模块16，其包括输出端子18、八个（即，2（m-1））开关装置20（其在图示的实施例中各自是例如IGBT的晶体管24，和与该晶体管24成反并联关系连接的二极管26）和六个（即，2（m-2））箝位二极管22。更具体地，在图示的实施例中，在变换模块16中，开关装置20和箝位二极管22布置在两个末端支路28和三个（即，m-2）中间支路30中。每个中间支路30连接到电容器组的相应中间点14A、14B、14C，并且包括箝位二极管22中的两个。第一二极管22顺排（in-line）连接在相应中间点14A、14B、14C和两个末端支路28中的一个的相应中点32之间，并且第二二极管22反向连接在相应中间点14A、14B、14C和两个末端支路28中的另一个的中点32之间。操作中，每个电容器12A、12B、12C、12D具有V_dc/4伏特，并且5电平多电平功率逆变器4的输出电压具有五个状态（0伏特、+V_dc/4伏特、-V_dc/4伏特、+V_dc/2伏特、和-V_dc/2伏特），其用于在输出端子18构建AC输出阶梯。

图3A是示出根据本发明的示范性实施例的电容器平衡电路40的示意图，其耦合于上文描述的电容器组6。如本文详细描述的，电容器平衡电路40形成结构来通过保持电容器12A、12B、12C、12D中的每个的电压在规定的容差范围内而平衡在电容器组6的电容器12A、12B、12C、12D中的每个上的电荷。如本文同样详细描述的，这通过根据如由本发明的方法确定的需要将能量注入到电容器12A、12B、12C、12D中的每个中或从电容器12A、12B、12C、12D中的每个抽取能量来进行。

参照图3A，电容器平衡电路40包括在图3A中标记为Q1-Q8的2（m-1）个（即，八个）电子开关装置，其提供在正输入端子8和负输入端子10中间。如在图3A中看见的，Q1-Q4全部串联并且Q5-Q8全部串联，但Q4不与Q5串联。在图3A中，电子开关装置Q1-Q8示为理想的开关。这样的电子开关装置Q1-Q8可是任何类型的适合的开关装置，诸如（例如并且无限制地）如在图3B的示范性实施例中示出的绝缘栅双极晶体管（IGBT）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、另一个类型的半导体开关装置或微机电系统（MEMS）开关。电容器平衡电路40进一步包括二十个二极管，其如在图3A中示出的标记为D1-D20和连接。另外，电容器平衡电路40还包括临时电流源能量储存元件42，其提供在位于开关装置Q4和Q5中间的两个节点中间。临时电流源能量储存元件42可是（例如并且无限制地）采用磁场的形式储存能量的电感或一些其他类型的电抗器装置。备选地，临时电流源能量储存元件42自身可以是复杂的电力电子系统。另外，还可提供用于测量流过临时电流源能量储存元件42的电流的例如安培表的电流测量工具。电容器平衡电路40还进一步包括多个伏特表46（或其他适合的电压测量装置），其各自形成结构来测量电容器12A、12B、12C、12D中关联的那个的电压电平。最后，电容器平衡电路40包括控制单元46，例如（无限制地）微处理器、微控制器或一些其他适合的处理装置，其耦合于开关装置Q1-Q8并且如本文描述的控制开关装置Q1-Q8的开关。另外，尽管没有在图3A中示出，伏特表44的输出提供给控制单元46。

电容器平衡电路40示出具有二极管D1-D20，其额定（因为它们的数量暗指的）用于单个Vdc/4电平。由于许多原因，包括但不限于额定电压或电流，图3A中的每个单个电路元件可以用该电路元件的多个串联和/或并联组合代替。增加电路元件的这些组合不改变图3A中示出并且本文中描述的电路的逻辑功能性。

另外，如在图3A中看见的，开关装置Ql、Q2、Q3和Q4与二极管D5、D6、D7、D8、D9、D13、D14、D17、D18和D19包括第一电流运送工具，其形成结构来在控制单元46的控制下从中间点14A、14B、14C和正输入端子8和负输入端子10提取电荷并且将它输送到临时电流源能量储存元件42。相似地，开关装置Q5、Q6、Q7和Q8与二极管D1、D2、D3、D4、D10、D11、D15、D16和D20包括第二电流运送工具，其形成结构来在控制单元46的控制下将电荷从临时电流源能量储存元件42注入到中间点14A、14B、14C和正输入端子8和负输入端子10。

根据本发明的方面，电容器平衡电路40确定关于电容器组6中的每个电容器12A、12B、12C、12D的电压不平衡的存在，并且确定是否必要通过控制各种开关装置Q1-Q8的状态经由临时电流源能量储存元件42将能量注入到特定电容器12A、12B、12C、12D中或从特定电容器12A、12B、12C、12D抽取能量（通过刚刚描述的第一或第二电流运送工具）。

图4是示出根据本发明的一个示范性实施例的操作电容器平衡电路40来平衡电容器12A、12B、12C、12D上的电压的一个方法的流程图。如下文描述的，图4的方法基于电容器电压空间二次导数算法确定是将能量注入到特定电容器12A、12B、12C、12D中还是从其放出能量，其中电容器的电压空间二次导数相对于组中其他电容器中的任意两个确定。例如，电容器的电压空间二次导数可相对于它的两个最近的相邻电容器确定。然而，这仅是示范性的，并且将理解其他两个电容器不必是相邻电容器。如将意识到的，在示范性实施例中，该方法在控制单元46中采用多个软件例程实现。

更具体地，参照图4，如应用于一个特定电容器12A、12B、12C、12D（为了说明性目的，将使用电容器12A）并且如在控制单元46中实现的方法在步骤50开始，其中电容器12A、12B、12C、12D中的每个上的电压由关联的伏特表44确定并且提供给控制单元46。接着，在步骤52，确定对象电容器（12A）相对于电容器中两个其他电容器的电压空间二次导数（例如无限制地，它的两个最近的相邻电容器（在该示例中12B和12D）中的每个）。在示范性实施例中，电容器c相对于电容器中两个其他电容器的电压空间二次导数确定如下：d²Vc/dx²=((其他电容器1的V)-(2*Vc)+(其他电容器2的V))/(间距常数)^2，其中该间距常数对于DC链路电容器的给定系统的所有空间二次导数是相等的。该间距常数可以任意选择为任何非零数。

接着，在步骤54，做出关于在步骤52中确定的电压空间二次导数是否大于零减负滞后电压并且小于零加正滞后电压的确定。如果答案是是，那么方法前进到步骤56，其中对下一个电容器12A、12B、12C、12D（例如，12B）重复该方法。

如果在步骤54的答案是否，那么方法前进到步骤58，其中做出关于在步骤52中确定的电压空间二次导数是否>零加正滞后电压的确定。如果答案是是，那么方法前进到步骤60。在步骤60，能量从临时电流源能量储存元件42注入到对象电容器（12A）中直到电压空间二次导数（当连续监测时）变得小于零减负滞后电压。该能量注入通过控制开关装置Q1-Q8的状态完成，使得使能量经由上文描述的第二电流运送工具注入到适当的电容器（该示例中的12A）中。一旦电压空间二次导数变得小于零减负滞后电压时，方法前进到步骤62，其中对下一个电容器12A、12B、12C、12D（例如，12B）重复该方法。备选地，在步骤60，能量可以从临时电流源能量储存元件42注入到对象电容器（12A）中直到电压空间二次导数（当连续监测时）变得小于零加正滞后电压。

如果在步骤58的答案是否，那么这意味在步骤52中确定的电压空间二次导数<零减负滞后电压，并且方法前进到步骤64。在步骤64，能量从对象电容器（12A）提取（即，从……放出）到临时电流源能量储存元件42中直到电压空间二次导数（当连续监测时）变得大于零加正滞后电压。该能量的提取通过控制开关装置Q1-Q8的状态完成，使得使能量经由上文描述的第一电流运送工具从适当的电容器（该示例中的12A）放出并且进入临时电流源能量储存元件42。一旦电压空间二次导数变得大于零加正滞后电压时，方法前进到步骤66，其中对下一个电容器12A、12B、12C、12D（例如，12B）重复该方法。备选地，在步骤64，能量可从对象电容器（12A）提取（即，从……放出）到临时电流源能量储存元件42中直到电压空间二次导数（当连续监测时）变得大于零减负滞后电压。

另外，在一个特定实施例中，图4的方法通过同样周期监测临时电流源能量储存元件42中在该时刻的电流电平而增强，以便调整电流源能量储存元件中的能级。如果电流电平高于某个预定的第一阈值量I_max，那么施加来自DC链路电容器电平的任何组合的DC电压于能量储存元件42来对能量储存元件42放电直到临时电流源能量储存元件42中的电流电平等于或降至低于预定的第一阈值量I_max。该能量的注入通过控制开关装置Q1-Q8的状态完成，使得使能量经由上文描述的第二电流运送工具注入到电容器12A、12B、12C、12D中的全部中。如果电流电平低于某个预定的第二阈值量I_nom，那么施加来自DC链路电容器电平的任何组合的DC电压于能量储存元件42来对能量储存元件42充电直到临时电流源能量储存元件42中的电流电平等于或超过预定的第二阈值量。该能量的提取通过控制开关装置Q1-Q8的状态完成，使得使能量经由上文描述的第一电流运送工具从电容器12A、12B、12C、12D中的全部放出。应该注意到尽管没有在图4中示出，本文描述的数学比较可包括容差带（例如，电滞后）来防止关于阈值（例如，第一阈值量I_max、第二阈值量I_nom）的震颤。

在一个特定示范性实施例中，基于电容器电压空间二次导数操作电容器平衡电路40来平衡电容器12A、12B、12C、12D上的电压的方法使用两个独立的有限状态机限定和实现（注意，电容器12A、12B、12C、和12D在状态机中分别标记为1、2、3和4）。一个状态机为了保持电压平衡的目的管理将电荷放入电容器12A、12B、12C、12D，并且第二状态机为了保持电压平衡的目的管理将电荷从电容器12A、12B、12C、12D取出。该方法自身非常适合于有限状态机实现，简单地由于以下事实：存在电容器平衡电路40可以在任一个时间处于的有限状态集。

对于图3A和3B的5电平情况，图5图示控制电容器放电功能性的有限状态机，并且图6图示控制电容器充电功能性的有限状态机。在状态机图中，圆代表电容器平衡电路40可以在其中操作的不同有效状态。在每个状态圆里面的是有关的开关装置（Q1-Q8）和它们的对应断开/闭合状态的列表。也就是说，对于电容器平衡电路40，状态限定为每个开关装置的对应断开/闭合状态。如果满足某一条件集，电容器平衡电路40在控制单元46的控制下可以转变进入不同的状态。在图5和6的有限状态机图中，转变由方向箭头指示。必须满足以便发生转变的逻辑条件集位于对应的转变箭头中的每个旁边。应该注意到电容器平衡电路40可以在其中操作的有效状态仅是所有可能的开关组合的子集。包含无效开关状态的系统状态没有在有限状态机图中的任何图中示出。

在图5和6的有限状态机图中，下列常见的有限状态机定义适用。I_{TempEnergyStorage}是在任意给定时间通过临时电流源储存元件42的电流量。I_max是限定在任意给定时间允许通过临时电流源储存元件42的最大电流量的阈值。I_nom是限定在任意给定时间期望通过临时电流源储存元件42的标称电流量的阈值。minStateTime是限定控制系统在它可以转变到新状态之前必须在特定状态中度过的最小时间量的阈值。maxStateTime是限定允许控制系统在它必须转变到新状态之前在特定状态中度过的最大时间量的阈值。maxReactTime是限定允许控制系统在它必须转变到新状态之前在电抗器充电或放电特定状态中度过的最大时间量的阈值。minCycleTime是限定控制系统在它可以开始新状态机循环之前必须在初始状态中度过的最小时间量的阈值。I_max、I_nom、minStateTime、maxStateTime、maxReactTime和minCycleTime全都是控制系统中可配置的阈值。如本文别处论述的，在示范性实施例中，d²Vc_N/dx²是第N个电容器电压相对于关于电容器中任何两个其他的电容器的位置的二次导数。为了说明性目的，将在本特定的非限制示范性实施例的描述中使用两个最近的相邻电容器。对于电容器c₁，如果采用两个最近的相邻电容器，它位置上的邻居被认为是c₂和c_N-1。对于电容器c_N-1，它的两个最近的位置上的邻居被认为是c_N-2和c₁。对于所有其他的任意电容器c_Z，它们的两个最近的位置上的邻居被认为是c_Z-1和c_Z+1。从而，

；

；并且

。

图3C是示出耦合于电容器组6的电容器平衡电路40-N的示意图，其中对N电平NPC多电平逆变器扩展电容器平衡电路40-N。另外，根据一个特定实施例，图7图示管理电容器平衡电路40-N的电容器放电功能性的有限状态机，并且图8图示管理电容器平衡电路40-N的电容器充电功能性的有限状态机。

图9是示出根据本发明的备选示范性实施例的操作电容器平衡电路40来平衡电容器12A、12B、12C、12D上的电压的方法的流程图。如下文描述的，图9的方法基于对象电容器的电压与电容器中的两个或更多（其在示范性实施例中可包括对象电容器，或备选地其可仅是其他剩余的（非对象）电容器中的两个或更多）的平均电压的比较确定是将能量注入到特定电容器12A、12B、12C、12D中还是将能量从其放出。如将意识到的，在示范性实施例中，该方法在控制单元46中采用多个软件例程实现。

更具体地，参照图9，如应用于一个特定电容器12A、12B、12C、12D（为了说明性目的，将使用电容器12A）并且如在控制单元46中实现的方法在步骤70开始，其中电容器12A、12B、12C、12D中的每个上的电压由关联的伏特表44确定并且提供给控制单元46。接着，在步骤72，确定电容器中的两个或更多（12A、12B、12C和12D中的任意两个）的平均电压。在示范性实施例中，确定电容器（12A、12B、12C、12D）中的全部的平均值。然而，将意识到也可使用电容器中少于全部（例如，12A、12B、12C、12D的一些子集）的平均值。

接着，在步骤74，做出关于对象电容器的电压是否大于平均电压减负滞后电压并且小于平均电压加正滞后电压的确定。如果答案是是，那么方法前进到步骤76，其中对下一个电容器12A、12B、12C、12D（例如，12B）重复该方法。

如果在步骤74的答案是否，那么方法前进到步骤78，其中做出关于对象电容器的电压是否低于平均电压减负滞后电压的确定。如果答案是是，那么方法前进到步骤80。在步骤80，能量从临时电流源能量储存元件42注入到对象电容器（12A）中直到对象电容器的电压（当连续监测时）变得大于或等于平均值加正滞后电压（当连续监测时）。该能量注入通过控制开关装置Q1-Q8的状态完成，使得使能量经由上文描述的第二电流运送工具注入到适当的电容器（该示例中的12A）中。一旦对象电容器的电压变得大于或等于平均值加正滞后电压时，方法前进到步骤82，其中对下一个电容器12A、12B、12C、12D（例如，12B）重复该方法。备选地，在步骤80，能量可从临时电流源能量储存元件42注入到对象电容器（12A）中直到对象电容器的电压（当连续监测时）变得大于或等于平均值减负滞后电压（当连续监测时）。

如果在步骤78的答案是否，那么这意味对象电容器的电压高于平均电压加正滞后电压，并且方法前进到步骤84。在步骤84，能量从对象电容器（12A）提取（即，从……放出）到临时电流源能量储存元件42中直到对象电容器的电压（当连续监测时）变得小于或等于平均值减负滞后电压（当连续监测时）。该能量的提取通过控制开关装置Q1-Q8的状态完成，使得使能量经由上文描述的第一电流运送工具从适当的电容器（该示例中的12A）放出并且进入临时电流源能量储存元件42。一旦对象电容器的电压变得小于或等于平均值减负滞后电压时，方法前进到步骤86，其中对下一个电容器12A、12B、12C、12D（例如，12B）重复该方法。备选地，在步骤84，能量可从对象电容器（12A）提取（即，从……放出）到临时电流源能量储存元件42中直到对象电容器的电压（当连续监测时）变得小于或等于平均值加正滞后电压（当连续监测时）。

另外，采用周期监测临时电流源能量储存元件42中电流电平的本文中别处论述的增强也可与图9的方法一起使用。

尽管刚描述的示范性实现基于两个独立的有限状态机，然而应该认识到为了电压平衡的目的对电容器12A、12B、12C、12D充电或放电的功能不是严格独立的。从而，将两个独立的有限状态机中的每个联接成单个有限状态机是可能的，其将管理电容器12A、12B、12C、12D的充电和放电两者。尽管认识到单个有限状态机方案将要求更复杂的软件实现，要理解这样的备选实现在本发明的范围内。

在权利要求中，放置在圆括号之间的任何标号不应该解释为限制权利要求。单词“包括”或“包含”不排除除在权利要求中列出的那些之外的元件或步骤的存在。在列举若干工具的装置权利要求中，这些工具中的若干个可由一个和相同的硬件项实施。元件前面的词“一（a）”或“一（an）”不排除多个这样的元件的存在。在列举若干工具的任何装置权利要求中，这些工具中的若干个可由一个和相同的硬件项实施。仅仅某些元件在互相不同的从属权利要求中详述的事实不指示这些元件不可以组合使用。

尽管本发明已经基于当前认为是最实用和优选的实施例为了说明的目的详细描述，要理解这样的细节仅仅是为了该目的，并且本发明不限于公开的实施例，而相反意在涵盖在随附的权利要求的精神和范围内的修改和等同布置。例如，要理解本发明预想任何实施例的一个或多个特征可以尽可能地与任何其他实施例的一个或多个特征组合。

Claims

1.一种平衡电子装置的电容器组中的电压的方法，包括：

确定所述电容器中选择的一个电容器相对于所述电容器中第一剩余的一个电容器和所述电容器中第二剩余的一个电容器的电压空间二次导数；

基于所述电压空间二次导数做出关于是（i）将能量从能量储存元件注入到所述电容器中所述选择的一个电容器中还是（ii）将能量从所述电容器中所述选择的一个电容器提取到所述能量储存元件中的平衡确定；并且

基于所述平衡确定将能量从所述能量储存元件注入到所述电容器中所述选择的一个电容器中，或将能量从所述电容器中所述选择的一个电容器提取到所述能量储存元件中。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述电容器中所述第一剩余的一个电容器和所述电容器中所述第二剩余的一个电容器是所述电容器中所述选择的一个电容器的最近的邻居。

3.如权利要求1所述的方法，其中，如果确定的电压空间二次导数大于零加正滞后电压，所述平衡确定确定将能量从所述能量储存元件注入到所述电容器中所述选择的一个电容器中。

4.如权利要求3所述的方法，其中，如果所述电压空间二次导数大于零加正滞后电压，执行将能量从所述能量储存元件注入到所述电容器中所述选择的一个电容器中，并且继续直到所述电容器中所述选择的一个电容器相对于所述电容器中一个或多个剩余的电容器的监测的电压空间二次导数变得小于零减负滞后电压。

5.如权利要求1所述的方法，其中，如果确定的电压空间二次导数小于零减负滞后电压，所述平衡确定确定将能量从所述电容器中所述选择的一个电容器提取到所述能量储存元件中。

6.如权利要求5所述的方法，其中，如果所述电压空间二次导数小于零减负滞后电压，执行将能量从所述电容器中所述选择的一个电容器提取到所述能量储存元件中，并且继续直到所述电容器中所述选择的一个电容器相对于所述电容器中一个或多个剩余的电容器的监测的电压空间二次导数变得大于零加正滞后电压。

7.如权利要求1所述的方法，其中，所述电子装置是电力电子装置。

8.如权利要求7所述的方法，其中，所述电力电子装置包括多电平功率逆变器。

9.如权利要求1所述的方法，其中，所述电容器中所述选择的一个电容器的所述电压空间二次导数是d²Vc/dx²，并且根据以下确定：d²Vc/dx²=((所述电容器中第一剩余的一个电容器的电压)-(2*所述电容器中所述选择的一个电容器的电压)+(所述电容器中第二剩余的一个电容器的电压))/(间距常数)^2，其中所述间距常数对于所述方法中确定的所有空间二次导数是相等的。

10.如权利要求1所述的方法，进一步包括：

确定所述能量储存元件中的电流电平；

如果所述能量储存元件中的所述电流电平高于预定的第一阈值量，施加来自所述电容器的任何组合的DC电压于所述能量储存元件来对所述能量储存元件放电；并且

如果所述能量储存元件中的所述电流电平低于预定的第二阈值量，施加来自所述电容器的任何组合的电压于所述能量储存元件来对所述能量储存元件充电。

11.一种平衡电路，用于平衡电子装置的电容器组中的电压，其包括：

多个电子开关装置；

耦合于所述多个电子开关装置的能量储存元件；以及

操作耦合于所述多个电子开关装置的控制单元，其中所述控制单元控制所述电子开关装置，并且被编程以：

基于所述平衡确定控制所述电子开关装置来使能量从所述能量储存元件注入到所述电容器中所述选择的一个电容器中，或控制所述电子开关装置来使能量从所述电容器中所述选择的一个电容器提取到所述能量储存元件中。

12.如权利要求11所述的平衡电路，其中，所述电容器中所述第一剩余的一个电容器和所述电容器中所述第二剩余的一个电容器是所述电容器中所述选择的一个电容器的最近的邻居。

13.如权利要求11所述的平衡电路，其中，如果确定的电压空间二次导数大于零加正滞后电压，所述平衡确定确定将能量从所述能量储存元件注入到所述电容器中所述选择的一个电容器中。

14.如权利要求13所述的平衡电路，其中，所述控制单元被编程以如果所述电压空间二次导数大于零加正滞后电压则控制所述电子开关装置以使能量从所述能量储存元件注入到所述电容器中所述选择的一个电容器中，并且控制所述电子开关装置来允许能量注入继续直到所述电容器中所述选择的一个电容器相对于所述电容器中一个或多个剩余的电容器的监测的电压空间二次导数变得小于零减负滞后电压。

15.如权利要求11所述的平衡电路，其中，如果确定的电压空间二次导数小于零减负滞后电压，所述平衡确定确定将能量从所述电容器中所述选择的一个电容器提取到所述能量储存元件中。

16.如权利要求15所述的平衡电路，其中，所述控制单元被编程以如果所述电压空间二次导数小于零减负滞后电压则控制所述电子开关装置以使能量从所述电容器中所述选择的一个电容器提取到所述能量储存元件中，并且控制所述电子开关装置以允许能量提取继续直到所述电容器中所述选择的一个电容器相对于所述电容器中一个或多个剩余的电容器的监测的电压空间二次导数变得大于零加正滞后电压。

17.如权利要求11所述的平衡电路，其中，所述电子装置是电力电子装置。

18.如权利要求17所述的平衡电路，其中，所述电力电子装置包括多电平功率逆变器。

19.如权利要求11所述的平衡电路，其中，所述电容器中所述选择的一个电容器的所述电压空间二次导数是d²Vc/dx²，并且根据以下确定：d²Vc/dx²=((所述电容器中第一剩余的一个电容器的电压)-(2*所述电容器中选择的一个电容器的电压)+(所述电容器中第二剩余的一个电容器的电压))/(间距常数)^2，其中所述间距常数对于由控制单元确定的所有空间二次导数是相等的。

20.如权利要求11所述的平衡电路，其中，所述控制单元进一步被编程以：

确定所述能量储存元件中的电流电平；

如果所述能量储存元件中的所述电流电平高于预定的第一阈值量，控制所述电子开关装置以施加来自所述电容器的任何组合的电压于所述能量储存元件以对所述能量储存元件充电；并且

如果所述能量储存元件中的所述电流电平低于预定的第二阈值量，控制所述电子开关装置以施加来自所述电容器的任何组合的电压于所述能量储存元件以对所述能量储存元件放电。

21.一种平衡电子装置的电容器组中的电压的方法，包括：

确定所述电容器中选择的一个电容器的电压；

确定所述电容器中两个或更多电容器的平均电压；

基于所述电压与所述平均电压的比较做出关于是（i）将能量从能量储存元件注入到所述电容器中所述选择的一个电容器中还是（ii）将能量从所述电容器中所述选择的一个电容器提取到所述能量储存元件中的平衡确定；并且

22.如权利要求21所述的方法，其中，所述电容器中所述两个或更多电容器包括所述电容器中所述选择的一个电容器。

23.如权利要求21所述的方法，其中，如果所述电压低于所述平均电压减负滞后电压，所述平衡确定确定将能量从所述能量储存元件注入到所述电容器中所述选择的一个电容器中。

24.如权利要求23所述的方法，其中，如果所述电压低于所述平均电压减负滞后电压，执行将能量从所述能量储存元件注入到所述电容器中所述选择的一个电容器中，并且继续直到所述电容器中所述选择的一个电容器的监测的电压大于或等于所述电容器中所述两个或更多电容器的监测的平均电压加正滞后电压。

25.如权利要求21所述的方法，其中，如果所述电压高于所述平均电压加正滞后电压，所述平衡确定确定将能量从所述电容器中所述选择的一个电容器提取到所述能量储存元件中。

26.如权利要求25所述的方法，其中，如果所述电压高于所述平均电压加正滞后电压，执行将能量从所述电容器中所述选择的一个电容器提取到所述能量储存元件中，并且继续直到所述电容器中所述选择的一个电容器的监测的电压小于或等于所述电容器中所述两个或更多电容器的监测的平均电压减负滞后电压。

27.如权利要求21所述的方法，其中，所述电子装置是电力电子装置。

28.如权利要求27所述的方法，其中，所述电力电子装置包括多电平功率逆变器。

29.如权利要求21所述的方法，其中，所述电容器中所述两个或更多电容器是所述电容器中的全部。

30.如权利要求21所述的方法，其中，所述电容器中所述两个或更多电容器少于所述电容器中的全部。

31.如权利要求19所述的方法，进一步包括：

确定所述能量储存元件中的电流电平；

如果所述能量储存元件中的所述电流电平高于预定的第一阈值量，施加来自所述电容器的任何组合的电压于所述能量储存元件以对所述能量储存元件放电；并且

如果所述能量储存元件中的所述电流电平低于预定的第二阈值量，施加来自所述电容器的任何组合的电压于所述能量储存元件以对所述能量储存元件充电。

32.一种平衡电路，用于平衡电子装置的电容器组中的电压，其包括：

多个电子开关装置；

耦合于所述多个电子开关装置的能量储存元件；以及

操作耦合于所述多个电子开关装置的控制单元，其中所述控制单元控制所述电子开关装置并且被编程以：

确定所述电容器中选择的一个电容器的电压；

确定所述电容器中两个或更多电容器的平均电压；

33.如权利要求32所述的平衡电路，其中，所述电容器中所述两个或更多电容器包括所述电容器中所述选择的一个电容器。

34.如权利要求32所述的平衡电路，其中，如果所述电压低于所述平均电压减负滞后电压，所述平衡确定确定将能量从所述能量储存元件注入到所述电容器中所述选择的一个电容器中。

35.如权利要求34所述的平衡电路，其中，所述控制单元被编程以如果所述电压低于所述平均电压减负滞后电压则控制所述电子开关装置来使能量从所述能量储存元件注入到所述电容器中所述选择的一个电容器中，并且控制所述电子开关装置来允许能量注入继续直到所述电容器中所述选择的一个电容器的监测的电压大于或等于所述电容器中所述两个或更多电容器的监测的平均电压加正滞后电压。

36.如权利要求32所述的平衡电路，其中，如果所述电压高于所述平均电压加正滞后电压，所述平衡确定确定将能量从所述电容器中所述选择的一个电容器提取到所述能量储存元件中。

37.如权利要求36所述的平衡电路，其中，所述控制单元被编程以如果所述电压高于所述平均电压加正滞后电压则控制所述电子开关装置来使能量从所述电容器中所述选择的一个电容器提取到所述能量储存元件中，并且控制所述电子开关装置来允许能量提取继续直到所述电容器中所述选择的一个电容器的监测的电压小于或等于所述电容器中所述两个或更多电容器的监测的平均电压减负滞后电压。

38.如权利要求32所述的平衡电路，其中，所述电子装置是电力电子装置。

39.如权利要求38所述的平衡电路，其中，所述电力电子装置包括多电平功率逆变器。

40.如权利要求32所述的平衡电路，其中，所述控制单元进一步被编程以：

确定所述能量储存元件中的电流电平；

如果所述能量储存元件中的所述电流电平高于预定的第一阈值量，控制所述电子开关装置以施加来自所述电容器的任何组合的电压于所述能量储存元件来对能量储存元件放电；并且

如果所述能量储存元件中的所述电流电平低于预定的第二阈值量，控制所述电子开关装置以施加来自所述电容器的任何组合的电压于所述能量储存元件来对所述能量储存元件充电。