TWI245479B - Multi-module type inverter control system - Google Patents

Description

1245479 五、發明說明（1) •【發明所屬之技術領域】 一種多模組換流器控制系統，尤指一種具有冗餘（R e d u ndancy)與熱拔插重置功能之多模組換流器控制系統。 【先前技術】 近年來’由於不斷電系統（Uninterruptible Power Sy stem; UPS)使用的普及化，使得負載供電之連續性逐漸不 受電源斷電的影響。然而，因為對電力需求的不斷增加， 單台UPS之容量已不敷使用，且限制了系統的擴展。為了 提升系統之供電容量及可靠度，將UPS或換流器並聯操作 已成必然的趨勢。這樣的並聯系統，除了可提升系統的供 電容量外，還有許多重要的特性；諸如··冗餘操作（Redun dancy Operation)、模組化設計（Modular Design)、均流 控制技術（Current-Sharing Control Scheme)、可維護性 (maintainability)與小型化（size reduction)等 ° 並聯系統的操作需符合下列兩個主要的條件，否則系 統將會產生循環電流，造成系統的燒毀： (1 )、各並聯操作的換流器需依它們的功率定額（Power Rat ings)分配負載電流。 (2 )、各換流器模組的輸出電壓需同頻、同相。 為了要滿足上述的特性與條件’習知使用於換流器並 聯操作的方法，係以電壓控制與電流控制合併作並聯操作 的效果最佳，使用也最普遍。電壓電流合併控制的並聯操 作方式是：内迴路電流控制，用來提升系統的暫態響應， 外迴路電壓控制，用來增進系統的穩定度（Stabi 1 i ty)。

第5頁 1245479 •五、發明說明（2) 然而，在習知的並聯架構中，各換流器模組均是獨立 完整的系統，控制器也均包含在系統内。如此設計的好處 是模組性高，且具容量擴充的彈性。但成本高、熱拔插不 易。既使有熱拔插功能，也無法確保嵌入（Plug-in)的 換流器模組一定正常操作，如此整個並聯系統便可能受異 常的模組影響。 【發明内容】 有鑑於此，本發明一種多模組換流器控制系統，係使 用於多模組換流器之並聯系統，用以提供一冗餘（Redun dancy )與熱拔插重置功能之多模組換流器控制系統。 為達上述目的，本發明一種多模組換流器控制系統， 連接於一負載及至少一換流器模組，利用至少一電壓控制 單元連接於一邏輯單元、負載及該些換流器模組，並且傳 送一電壓誤差訊號與一同步訊號到該些並聯之換流器模組 用以作為輸出電壓之調整與各並聯之換流器模組同步操 作。 冗餘控制單元連接於邏輯單元，並且傳送一控制訊號 到邏輯單元用以驅動該些電壓控制單元，同時，該些電壓 控制單元依據電壓誤差訊號與同步訊號之輸出，係分為一 主控電壓控制單元與至少一冗餘電壓控制單元。該些冗餘 電壓控制單元係於主控電壓控制單元異常時，藉由冗餘控 制單元之控制而導入系統，以提供電壓之控制。 重置控制單元連接一解碼電路與該些換流器模組，係 可藉由接收異常換流器模組所傳送之異常訊號來判斷異常

第6頁 1245479 五 換 、發明說明（3) '—〜_____________ 流器模組之位置，並輪出到艇命 常 用 訊號解碼後輸出一重置訊號，、:包路。解碼電路將該異 以進行該異常換流器模組二=2之傳送至重置電路， <重置動作。 本發明多模組換流器控制系 ^ 流器模組同步操作，並提供輪、出電上可控带;各並聯的換 出電壓的調整（Regulation)。同 δ、I °孔唬，以作為輸 制單元，用以提高系統供電之;:_供至少—冗餘電壓控 對並聯換流器模組的熱拔插動作：ί。=外二本發明還針 :聯系統不致因巍入（Plug_ln)換流器模組 崔保 生誤動作。 座 ^基於上述的設計技術，本發明多模組換流器控制系統 係可減少換流器並聯操作之設計成本，可靠度也可大大提 升，且具有很高的模組化。 【實施方式】 為了使貴審議委員能進一步瞭解本發明為達成預定目 的所採用之技術 '手段及功效，請參閱以下有關本發明之 詳細說明與附圖，相信對本發明之目的、特徵與特點當可 得一深入且具體之瞭解。然而，所附圖式僅提供參考與說 明用，並非用來對本發明加以限制者。 參考第一圖，係為本發明多模組換流器控制系統控制 架構方塊示意圖。本發明之控制系統1係連接於一負載3與 至少一換流器模組2。該些換流器模組2係由一電流加權分 佈控制電路（CWDC)、一電流控制器及一電力級組成。電 流加權分佈控制電路（CWDC)係取得該些換流器模組2輸

1245479 _一 五、發明說明（4) 出到負載3之電感電流，並依據該些換流器模組2之功率定 額（P〇 w e r R a t i n g s)產生加權電流，進而傳送加權電流 至電流控制器。電流控制器取得加權電流後，與該些換流 器模組2之電感電流及電壓控制單元之電壓誤差訊號VE：相 整合，產生一電流誤差訊號I E，用以控制電力級的輸出。 再者，控制系統1係先傳送一同步訊號到該些換流器模 組2，用以使所有並聯之換流器模組2同步操作，並取得負 載3之一輸出電壓Vo，比較該輸出電壓Vo與一參考電壓Vr e f後，產生一電壓誤差訊號VE，傳送到該些換流器模組2 之電力級，用以控制電力級的輸出。 如上述說明，該些換流器模組2之電力級，係根據電流 誤差訊號與電壓誤差訊號，用以控制正弦脈寬調變（SPWM )訊號之脈寬，進而調整負載3之輸出電壓、電流，以達 輸出穩壓之功效。 參考第二圖，係為本發明多模組換流器控制系統電路 方塊示意圖。控制系統1係連接於一負載3與至少一換流器 模組2，包括有：一控制模組1 2、一邏輯單元1 4、至少一 電壓控制單元16、一解碼電路18及至少一重置電路19。上 述說明中，控制模組1 2係由一冗餘控制單元1 2 0與一重置 控制單元1 2 2組成。 復參考第二圖，冗餘控制單元12 0連接於邏輯單元14， 係傳送一控制訊號到該邏輯單元1 4，用以驅動連接於該邏 輯單元1 4之至少一電壓控制單元1 6動作。該些電壓控制單 元1 6連接於負載3與該些換流器模組2，係接收由冗餘控制

第8頁 1245479 五、發明說明（5) 單元120傳送過來之一正弦脈寬調變（spwM)訊號，用以產 生該參考電壓Vref，並且取得負載3之輸出電壓v〇。該些 電壓控制單元16同時比較參考電壓Vref與輸出電壓v〇，進 而產生電壓誤差訊號傳送至該些換流器模組2，用以控 制該些換流裔模組2之電力級的輸出，以達負載3輸出穩壓 之功效。同時’藉由同步訊號的傳送，使各並聯之該些換 流器模組2同步操作，不致產生循環電流造成系統燒毀。 设參考苐一圖，控制系統1之冗餘動作方式如下··當 控制系統1正常操作啟動時，該些電壓控制單元丨6係依據 電壓誤差訊號VE：與同步訊號之產生輸出先後，分有一主控 電壓控制單元與至少一冗餘電壓控制單元。上述說明中， 於啟動時，首先產生電壓誤差訊號VE與同步訊號之電壓 制早το 1 6係為主控電壓控制單元，其餘之 ^ 元16係為冗餘電壓控制單元。 —-經控制早 W #主η控φ電壓控制單元負責整個該些換流器模組2的電壓_ ::同步操作，其會送出同步訊號與電壓誤 以

聯的該些換流器模組2，用以作為輸出電壓補償。另^亚 忒些換流斋模組藉由内部之電流加權分佈控制電路（cwD 丄：：該些換流器模組2輸出到負載3之電感 出電流誤差訊號I E。 n m 雷Λ些Λ流組2之電力級，係根據電流誤差訊號1恤 電^差§fl #u VE，用以控制正弦脈寬調變（spfM) ^ 進而調整負請出之電壓、電流，以達輸出穩壓 <功效。

第9頁 1245479 五、發明說明（6) 如上述說明，主控電壓控制單元會隨時送出60HZ之同 步訊號給該些冗餘電壓控制單元藉以與之同步動作，另 外，透過串列通訊方式來相互傳送訊息，藉以了解彼此是 否正常。 當異常發生時，冗餘控制單元1 2 0係傳送控制訊號到該 邏輯單元14，並藉由邏輯單元1 4驅動該些電壓控制單元 1 6，用以作主控電壓控制單元之更換改變，以達系統異常 時之保護，並提昇系統工作之可靠性。 請復參考第二圖，重置控制單元1 2 2係連接於一解碼電 路1 8與該些換流器模組2，並且利用掃描（S c a η)方式， 分別用來檢測該些換流器模組2，用以接收換流器模組2並 聯嵌入（Ρ 1 u g - i η)系統時之動作情形。當嵌入（Ρ 1 u g - i η )的換流器模組2發生異常動作發生時，該模組會傳送一 異常訊號到該重置控制單元1 2 2，重置控制單元1 2 2接收異 常訊號後輸出一解碼訊號到解碼電路1 8，經過解碼後輸出 一重置訊號，用以驅動連接於解碼電路1 8之至少一重置電 路1 9。該些重置電路1 9相對連接於該些換流器模組2，係 接收重置訊號後用以進行異常換流器模組2之重置動作， 用以確保並聯系統不致因嵌入（Plug-in)換流器模組2的 異常而產生誤動作。 請參考第三圖，係為本發明多模組換流器控制系統之 冗餘電壓控制電路示意圖。其中，係利用兩組電壓控制單 元1 6來進行說明。如第三圖所示，冗餘控制單元1 2 0係至 少包括有：DSP-1控制晶片、DSP-2控制晶片，係分別連接

第10頁 1245479 、發明說明（7) 輯 二=控繼161、—第二電壓控制單元162。邏 早兀14係由兩組反及（νανγπ帝妨 x點 ^ > Yii , ^ yV eI ,, D)-电路組成，其輸出分別為 ^ 』亚分別連接到電晶體Q3、Q4。 二設，系^啟始時: DSIM控制晶片之竭出為高電位 婉反及（NAWm控制曰曰片之1/〇輪出為低電位（L〇)，分別 、、，二ΓΓ Π得x點為低電位（L。）、γ點為高電位 1 6 1浐出雷π ^ ,叙明之控制系統係由第一電壓控制單元 1 6 1輸出電壓誤差訊號VE並送到芎此 控電壓控制單元。❿第1懕Λ 2,係為主 號VE被Q4短路，係為冗餘電壓控制單元。之毛壓誤差訊 兩電壓控制單元透過串列通訊方式相互傳送訊* ，合 冗餘電壓控制單元收不到主控電心田 時’會斷定主控電壓控制單元發生Τ二 晶片之I/O輸出為低電位（L〇) 、Dsp_ 工 出變為高電位"n。所以，經反及"則c 點為高電位（Hl) ，Υ點為低電位（Lo)，電壓誤 χ VE由冗餘電壓控制單元所產生，主控電壓控 、—汛唬 號被Q3短路，戶斤以不會影響到整個並聯系：的正；$ :Ε矾 輸出端加上蕭特基二極體是作為保護用，以避免总另'一 常換流器模組之訊號反灌而造成破壞。 又 異 參考第四圖，係為本發明多模組換流器控制系 置電路電路示意圖。其中，重置電路19係連接於解 1 8與換流器模組2，係由至少~ R C電路與至少一雷曰^ 成，同時，重置電路丨9設計在換流器模組2之前，用來作

第11頁 1245479_—_ 五、發明說明（8) 為異常動作之嵌入（P 1 u g - i η)換流器模組的重置（R e s e t) 動作。 參考第四圖，重置電路19的動作原理如下：首先，適 當的選定R2C2之時間常數約為lms左右，R1C1之時間常數 約為10ms左右，R3C1之時間常數約為Is左右，且取R3 >> R 1，使在穩態時之 < 0 . 7 V。當換流器模組2正常時，解碼 電路1 8輸出的重置訊號為低電位（Lo)，由於啟動瞬間， C1短路未充電，所以電晶體Q1導通（on)，但電晶體Q2截 止（of f)，使得C2充電，RST訊號為高電位（Hi)，重置 電路19無作用。C1開始充電後，Q1截止（of Ο 。但因解 碼電路1 8輸出的重置訊號為低電位（Lo)，所以Q2還是截 止（of f) 。RST訊號還是維持高電位（Hi)，重置電路19 無動作。 當換流器模組2異常時，解碼電路1 8輸出的重置訊號變 為高電位（Hi) ，C1開始充電，一段時間後，會使Q1截止 (of f) 、Q2導通（on)，此時C2經Q2放電，所以RST訊號 變為低電位（Lo)，對異常的換流器模組2產生重置動 作。 縱上所述，在本發明係利用加入了冗餘（R e d u n d a n c y ) 的電壓控制單元，以避免因主控電壓控制單元故障而造成 整個並聯系統的當機。 另外，為了能隨時彈性調整並聯系統的容量，本發明 所提出的並聯架構具有熱拔插（Hotswap)的功能。在進行 熱拔插動作時，為了確保嵌入（P1 ug- i η)的換流器模組2

第12頁 1245479

第13頁 1245479 -圖式簡單說明 (1) 圖示說明 第一圖為本發明多模組換流器控制系統控制架構方塊示 意圖； 第二圖為本發明多模組換流器控制系統電路方塊示意 圖； 第三圖為本發明多模組換流器控制系統之冗餘電壓控制 電路示意圖；及 第四圖為本發明多模組換流器控制系統之重置電路電路 示意圖。 (2) 圖號說明 1控制系統 1 2控制模組 1 2 0冗餘控制單元 12 2重置控制單元 1 4邏輯單元 1 6電壓控制單元 161第一電壓控制單元 16 2第二電壓控制單元 1 8解碼電路 1 9重置電路 2換流器模組 3負載 Q卜Q2、 Q3、 Q4電晶體 DSP-卜DSP-2控制晶片

第14頁 1245479 谓式簡單說明 VE電壓誤差訊號

IBI 第15頁

Claims (1)

1245479 -六、申請專利範圍 1. 一種多模組換流器控制系統，係連接於至少一換流器模 組與一負載，包括有： 一控制模組，連接於該些換流器模組，用以處理運算 數位訊號； 一邏輯單元，連接於該控制模組，用以作數位訊號之 邏輯運算； 至少一電壓控制單元，連接於該邏輯單元、該負載及 該些換流器模組，係輸出一電壓誤差訊號與一同步 訊號到該些換流器模組； 一解碼電路，連接於該控制模組；及 至少一重置電路，連接於該解碼電路與分別連接該些 換流器模組。 2. 如申請專利範圍第1項所述之多模組換流器控制系統， 其中該控制模組係包括有： 一冗餘控制單元，連接於該邏輯單元，係傳送一控制 訊號到該邏輯單元，用以驅動該些電壓控制單元； 及 一重置控制單元，連接於該解碼電路與該些換流器模 組，係接收一異常訊號並輸出一解碼訊號。 3. 如申請專利範圍第1項所述之多模組換流器控制系統， 其中該些電壓控制單元，係依據該電壓誤差訊號與該同 步訊號之輸出，分有一主控電壓控制單元與至少一冗餘 電壓控制單元。 4 ·如申請專利範圍第1項所述之多模組換流器控制系統，

第16頁 1245479 -六、申請專利範圍 其中該邏輯單元係作為反及（NAND)邏輯運算。 5. 如申請專利範圍第1項所述之多模組換流器控制系統， 其中該些重置電路係由至少一 RC電路與至少一電晶體組 成。 6. 如申請專利範圍第1項所述之多模組換流器控制系統， 其中該些重置電路分別連接於該些換流器模組，係依據 該解碼電路傳送之一重置訊號，用以進行該些換流器模 組之重置動作。 7. 如申請專利範圍第1項所述之多模組換流器控制系統，

其中該些換流器模組係由一電流加權分佈控制電路、一 電流控制器及一電力級組成。 8. —種多模組換流器控制系統，係連接於至少一換流器模 組與一負載，包括有： 至少一電壓控制單元，連接於該負載、該些換流器模 組及一邏輯單元，係輸出一電壓誤差訊號與一同步 訊號到該些換流器模組； 一冗餘控制單元，連接於該邏輯單元，係傳送一控制 訊號到該邏輯單元，用以驅動該些電壓控制單元；

一重置控制單元，連接於一解碼電路與該些換流器模 組，係接收一異常訊號並輸出一解碼訊號到該解碼 電路； 至少一重置電路，連接於該解碼電路與該些換流器模 組，係依據該解碼電路傳送之一重置訊號，用以進 行該些換流器模組之重置動作。

第17頁 1245479 -六、申請專利範圍 9.如申請專利範圍第8項所述之多模組換流器控制系統， 其中該些電壓控制單元，係依據該電壓誤差訊號與該同 步訊號之輸出，分有一主控電壓控制單元與至少一冗餘 電壓控制單元。 1 0 .如申請專利範圍第8項所述之多模組換流器控制系統， 其中該邏輯單元係作為反及（NAND)邏輯運算。 1 1.如申請專利範圍第8項所述之多模組換流器控制系統， 其中該些重置電路係由至少一 RC電路與至少一電晶體組 成。 1 2 .如申請專利範圍第8項所述之多模組換流器控制系統， 其中該些換流器模組係由一電流加權分佈控制電路、一 電流控制器及一電力級組成。