改進(jìn)的高頻串聯(lián)ac調(diào)壓器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種AC調(diào)壓器，其利用高頻串聯(lián)電感器L3?L6并使用與一個(gè)或多個(gè)整流器D1?D8串聯(lián)的單極半導(dǎo)體低損耗開(kāi)關(guān)Q1?Q8來(lái)調(diào)節(jié)輸出AC電壓電平，無(wú)論AC輸入電壓如何變化，該高頻串聯(lián)電感器L3?L6僅處理總輸出功率的一部分。
【專(zhuān)利說(shuō)明】改進(jìn)的高頻串聯(lián)AC調(diào)壓器
[0001 ]優(yōu)先權(quán)要求
[0002]本申請(qǐng)依據(jù)35U.S.C.§119要求以下申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán):2013年12月10日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)第61/913,932號(hào)、2013年12月10日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)第61/913,934號(hào)、2013年12月10日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)第61/913,935號(hào)、2014年6月3日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)第62/006,900號(hào)、2014年6月3日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)第62/006,901號(hào)和2014年6月3日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)第62/006，906號(hào)，其公開(kāi)的全部?jī)?nèi)容以引用方式并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明一般涉及電源電路(power electronics)。具體地，本發(fā)明涉及用于調(diào)節(jié)交流(AC)電壓的方法及電源電路(power electronics)，更具體地，涉及無(wú)論輸入AC電壓如何變化而將輸出AC電壓特別調(diào)節(jié)至所需的電平。
【背景技術(shù)】
[0004]AC調(diào)壓器用于嚴(yán)密地控制并調(diào)節(jié)傳遞到與AC調(diào)壓器的輸出連接的負(fù)載的AC電壓電平，無(wú)論在AC調(diào)壓器的輸入處的AC電壓如何變化。
[0005]傳統(tǒng)上，這已經(jīng)通過(guò)各種低頻(LF)(通常為50Hz或60Hz或其它頻率)的電源磁結(jié)構(gòu)來(lái)完成。在各種變壓器和變壓器配置中，這些結(jié)構(gòu)通常在特定離散變壓器電壓抽頭進(jìn)行抽頭。然而，所有這些結(jié)構(gòu)依賴(lài)于傳統(tǒng)的AC切換器件，如，繼電器或半導(dǎo)體器件，如，可控硅整流器(SCR)或作為反并聯(lián)AC開(kāi)關(guān)連接的門(mén)極可關(guān)斷晶閘管(GTO)，三端雙向可控硅開(kāi)關(guān)元件(TRIAC)、AC開(kāi)關(guān)，如，絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、MOSFET晶體管和配置為AC開(kāi)關(guān)的SCR，例如連接在整流器之間。這些AC開(kāi)關(guān)由電子控制電路進(jìn)行選擇并激活以自動(dòng)地切換所選擇的磁性變壓器結(jié)構(gòu)抽頭，繼而調(diào)節(jié)變壓器或變壓器配置的匝數(shù)比以控制AC輸出電壓盡可能靠近所需的電平。
[0006]另一種調(diào)節(jié)輸出AC電壓的傳統(tǒng)方法是使用由電氣機(jī)械裝置(如受控電機(jī))驅(qū)動(dòng)的電-機(jī)械調(diào)整的自耦變壓器。在這種情況下電子控制感測(cè)輸入電壓且然后驅(qū)動(dòng)電-機(jī)械裝置以移動(dòng)輸出觸點(diǎn)從而調(diào)整自耦變壓器的匝數(shù)，繼而設(shè)置正確的匝數(shù)比以固定輸出AC電壓為所需的電平。這些電-機(jī)械調(diào)節(jié)的自耦變壓器裝置也是LF磁性結(jié)構(gòu)，通常為50Hz或60Hz，或其它頻率，并且通常使用碳刷使電觸點(diǎn)移動(dòng)到自耦變壓器繞組。然而，這些碳刷經(jīng)歷機(jī)械磨損，使得它們需要頻繁的維護(hù)和更換。
[0007]一種更復(fù)雜的全電子版本再次利用LF電源變壓器，通常為50Hz或60Hz，或其它頻率，其串聯(lián)連接在調(diào)壓器的AC輸入和AC輸出之間。當(dāng)輸入AC電壓電平發(fā)生變化時(shí)，AC調(diào)壓器電子控制感測(cè)輸入電壓電平，且然后建立同相正或同相負(fù)AC電壓差并加到變化的輸入AC電壓上或從其中減去，以維持輸出AC電壓在所需的設(shè)置電平。這種傳統(tǒng)的方式，在其各種形式中，仍然使用LF電源頻率變壓器或LF磁性結(jié)構(gòu)，通常為50Hz或60Hz，或其它頻率。在一種配置中，電源電路(power electronics)產(chǎn)生LF電源頻率以通過(guò)高頻脈寬調(diào)制(HF PffM)裝置校正輸入AC電壓，并且調(diào)整輸入AC電源電壓的此同相校正電壓施加在LF變壓器的初級(jí)，而LF變壓器的次級(jí)串聯(lián)連接在AC電源線(xiàn)的輸入與輸出之間。但仍然是在這些配置中使用的磁性結(jié)構(gòu)，即使電源電路(power electronics)在更高的PffM頻率下工作，最終微分AC波形仍然施加在LF串聯(lián)變壓器，通常為50Hz或60Hz，或其它頻率，因此LF變壓器或磁性結(jié)構(gòu)仍然存在尺寸和重量方面的缺點(diǎn)。
[0008]在美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)第14/525，230號(hào)(其公開(kāi)的全部?jī)?nèi)容以引用方式并入本文)中公開(kāi)的調(diào)壓器還解決了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)在使用串聯(lián)低電源頻率、大而重的磁性結(jié)構(gòu)方面的缺點(diǎn)。由于磁性裝置的尺寸與其操作頻率在很大程度上成反比，所以本發(fā)明將其作為中心設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)處理。14/525,230調(diào)壓器的目的是實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的AC調(diào)壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其僅利用顯著降低這些磁性結(jié)構(gòu)的尺寸、重量和成本的HF(例如IkHz至1000kHz)串聯(lián)磁性結(jié)構(gòu)。然而，14/525，230調(diào)壓器使用了存在額外損失的雙向AC開(kāi)關(guān)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本文所公開(kāi)的是對(duì)在美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)第14/525，230號(hào)中所公開(kāi)的AC降壓-升壓調(diào)壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改進(jìn)的調(diào)壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。取代使用連接為AC開(kāi)關(guān)的單極開(kāi)關(guān)，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案將降壓和升壓部分中的AC電感器電流路徑分為兩個(gè)單極路徑。在本實(shí)施方案中，在降壓部分中，兩個(gè)單極路徑由連接為半橋分支的兩個(gè)二極管(每個(gè)負(fù)責(zé)單極電流的傳導(dǎo))表示。一個(gè)半橋分支在一個(gè)方向上傳導(dǎo)電流且另一個(gè)分支在相反方向上傳導(dǎo)電流。由于對(duì)稱(chēng)原因，兩個(gè)半橋分支上的電感器是具有相同匝數(shù)的耦合電感器?？傒敵鲭娏?其具有傳統(tǒng)降壓變換器的波形)是兩個(gè)分支的電流總和。電壓調(diào)節(jié)(再次舉降壓部分為例)由常規(guī)PWM方法控制AC輸出電壓與正向開(kāi)關(guān)的占空比成線(xiàn)性比例。
[0010]如由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)和二極管方向所確定，AC輸出電流被分為兩個(gè)單極路徑。在兩個(gè)路徑中建立了小循環(huán)電流，其是滿(mǎn)載電流的一小部分且不會(huì)隨負(fù)載電流增加而增加。輸出電流過(guò)零附近的方向反轉(zhuǎn)的瞬時(shí)脈動(dòng)電流是由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)自動(dòng)處理的循環(huán)電流脈動(dòng)的總和。特定操作電壓下的循環(huán)電流的量是PWM重疊期間和耦合電感器的漏電感的函數(shù)。
[0011]AC電流輸出電流可相對(duì)于輸入和輸出電壓成任何相位關(guān)系。因?yàn)檫@個(gè)原因，AC調(diào)節(jié)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠在AC電壓和電流周期的所有四個(gè)可能象限內(nèi)操作。在無(wú)需中間DC環(huán)節(jié)的情況下，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可處理任何功率因數(shù)和雙向功率流。由于單個(gè)切換分支的內(nèi)在單極本質(zhì)。與半橋分支串聯(lián)連接的二極管是擊穿證明。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無(wú)需準(zhǔn)確的電壓和電流極性檢測(cè)來(lái)操作，簡(jiǎn)單的PWM關(guān)系使得該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)于電源線(xiàn)電壓和電流擾動(dòng)具有非常強(qiáng)的健壯性。
【附圖說(shuō)明】
[0012]在下面參考附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明的實(shí)施方案，其中
[0013]圖1a描繪了常規(guī)降壓轉(zhuǎn)換器的一個(gè)實(shí)施方案的電路圖；
[0014]圖1b描繪了常規(guī)升壓轉(zhuǎn)換器的一個(gè)實(shí)施方案的電路圖；
[0015]圖2a描繪了具有雙向AC半導(dǎo)體的HFAC串聯(lián)降壓轉(zhuǎn)換器的一個(gè)實(shí)施方案的電路圖；
[0016]圖2b描繪了具有雙向AC半導(dǎo)體的HFAC串聯(lián)升壓轉(zhuǎn)換器的一個(gè)實(shí)施方案的電路圖；
[0017]圖3描繪了HFAC串聯(lián)降壓-升壓調(diào)壓器的一個(gè)實(shí)施方案的電路圖；
[0018]圖4描繪了根據(jù)本發(fā)明的改進(jìn)的HFAC串聯(lián)降壓-升壓調(diào)壓器的一個(gè)實(shí)施方案的電路圖；
[0019]圖5a描繪了根據(jù)本發(fā)明的改進(jìn)的HFAC串聯(lián)降壓-升壓調(diào)壓器的降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施方案的詳細(xì)電路圖；和
[0020]圖5b示出了根據(jù)本發(fā)明的改進(jìn)的HFAC串聯(lián)降壓-升壓調(diào)壓器的示例性實(shí)施方案的輸出電壓和電流、降壓和升壓繞組電流的波形(PWM 40KHz,Vin = 270VAC RMS1Vout =232VAC 1?^，50取，負(fù)載=11.25011111)。
【具體實(shí)施方式】
[0021]在以下描述中，作為優(yōu)選實(shí)例闡述了用于調(diào)節(jié)輸出AC電壓至所需的電平(無(wú)論輸入AC電壓如何變化)的方法、系統(tǒng)和儀器。本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的是，在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下可以作出修改，包括增設(shè)和/或替換?？墒÷跃唧w細(xì)節(jié)以免模糊本發(fā)明；然而，本公開(kāi)記載了為允許本領(lǐng)域技術(shù)人員在不需要過(guò)度實(shí)驗(yàn)的情況下實(shí)施本文中的教導(dǎo)。
[0022]參考圖1。圖1a是具有串聯(lián)HF電感器LI的常規(guī)非隔離的雙開(kāi)關(guān)DC-DC逐步降壓轉(zhuǎn)換器。電容器C3是用以平滑切換電流脈沖的電荷存儲(chǔ)電容器，電容器Cl和C2是HF旁路電容器，其根據(jù)電壓源、操作頻率和所使用的組件是可選的。圖1b是具有串聯(lián)HF電感器L2的常規(guī)非隔離的雙開(kāi)關(guān)DC-DC逐步升壓轉(zhuǎn)換器。電容器C6是用以平滑切換電流脈沖的電荷存儲(chǔ)電容器，電容器C4和C5是HF旁路電容器，其根據(jù)電壓源、操作頻率和所使用的組件是可選的。圖1a和圖1b是分別具有正電壓輸入和輸出的DC-DC降壓和升壓轉(zhuǎn)換器。應(yīng)注意，本領(lǐng)域的任何普通技術(shù)人員都可構(gòu)造分別具有負(fù)或正電壓輸入和輸出的類(lèi)似的DC-DC降壓和升壓轉(zhuǎn)換器。
[0023]參考圖2。圖2a是具有雙向切換器件的AC降壓轉(zhuǎn)換器。圖1a中的Ql和Q2被改變?yōu)閳D2a中的雙向AC開(kāi)關(guān)QI和Q2。另外，在圖2a中，圖1 a中的輸出單極電解質(zhì)電容器C3被改變?yōu)镠F濾波AC電容器C4ο此外，加入HF濾波器組件以抑制和過(guò)濾輸入和輸出處的HF(例如IKHz-1，OOOKHz)切換頻率。濾波電感器LI和L2及濾波器旁路電容器Cl和C2在輸入處，且濾波電感器L4和L5及濾波旁路電容器C3和C4在輸出處。電容器Cl和C4根據(jù)所使用的組件和操作頻率是可選的。
[0024]在圖2a中，電感器L3是被設(shè)計(jì)為在HF(例如IkHz至I ,OOOKHz)下操作的功率電感器。由于AC切換器件Ql和Q2在通過(guò)模擬電路或具有DSP或微處理器信號(hào)處理的數(shù)字控制電路的電子控制下在HF (例如I kHz至1000ΚΗΖ )下切換，來(lái)自控制電子器件(contro Ie I e c tr on i c s)的輸出采用由PffM調(diào)制的HF (例如I kHz至1 OOKHZ)驅(qū)動(dòng)AC半導(dǎo)體器件，在沿LF電源AC電壓輸入(通常為50Hz或60Hz，或其它頻率)的每個(gè)HF點(diǎn)，所以控制電子器件(control electronics)產(chǎn)生足以驅(qū)動(dòng)AC開(kāi)關(guān)Ql和Q2的特定脈沖寬度以與功率電感器L3結(jié)合產(chǎn)生負(fù)差分電壓，從而降低并調(diào)節(jié)沿輸入AC電壓的每個(gè)點(diǎn)的輸出電壓為由內(nèi)部控制參考設(shè)置的所需值。
[0025]例如，如果控制以25，000Ηζ的設(shè)計(jì)頻率切換，則對(duì)于每40微秒，輸入電源LF(通常為50Hz或60Hz，或其它頻率)電壓的幅值在該點(diǎn)相對(duì)于設(shè)置電壓參考降低并減小。因此，對(duì)于每40微秒，電路使輸入AC電壓降壓以調(diào)整并調(diào)節(jié)所需的設(shè)置輸出AC電壓。輸入濾波器包括電容器Cl和C2以及濾波電感器LI和L2。輸出濾波器包括電容器C3和C4以及濾波電感器L4和L5，或HF濾波元件的各種組合，其可用于過(guò)濾并旁通在HF(如，在此示例性實(shí)方案中為25，OOOHz)下切換的AC雙向半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的HF切換頻率。
[0026]圖2b是具有雙向切換器件的AC升壓轉(zhuǎn)換器。圖1b中的Ql和Q2被改變?yōu)閳D2b中的雙向AC開(kāi)關(guān)Q3和Q4。另外，在圖2b中，圖1b中的輸出單極電解質(zhì)電容器C6被改變?yōu)镠F濾波AC電容器C8。此外，添加了HF濾波器組件來(lái)抑制并過(guò)濾輸入和輸出處的HF(例如IKHz-1，000ΚΗζ)切換頻率。濾波電感器L6和L7及濾波旁通電容器C5和C6在輸入處，且濾波電感器L9和LlO及濾波旁通電容器C7和CS在輸出處。電容器C5和CS根據(jù)所使用的組件和操作頻率是可選的。
[0027]在圖2b中，電感器L8是被設(shè)計(jì)為在HF(例如IkHz至I ,OOOKHz)下操作的功率電感器。由于AC切換器件Q3和Q4是在通過(guò)模擬電路或(但通常是)具有DSP或微處理器信號(hào)處理的數(shù)字控制電路的電子控制下在HF(例如，IKHz至I，OOOKHz)下切換，并且來(lái)自控制電子器件(control electronics)的輸出采用由PffM調(diào)制的HF(例如，IKHz至I ,OOOKHz)驅(qū)動(dòng)AC半導(dǎo)體器件，并且在沿LF(通常為50Hz或60Hz，或其它頻率)電源AC電壓輸入每個(gè)HF點(diǎn)，控制電子器件(control electronics)產(chǎn)生寬度足以驅(qū)動(dòng)AC開(kāi)關(guān)Ql和Q2的特定PffM脈沖，以與功率電感器L3結(jié)合產(chǎn)生正電壓差，從而升高并調(diào)節(jié)沿輸入AC電壓的每個(gè)點(diǎn)的輸出電壓為由控制參考設(shè)置的所需值。
[0028]例如，如果控制以25，000Ηζ的設(shè)計(jì)頻率切換，則對(duì)于每40微秒，輸入電源LF(通常為50Hz或60Hz，或其它頻率)電壓的幅值在該點(diǎn)相對(duì)于設(shè)置內(nèi)電壓參考升高并增加。因此，對(duì)于每40微秒，控制電路驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體雙向AC開(kāi)關(guān)Q3和Q4及功率電感器L8，使輸入AC電壓升高以調(diào)整并調(diào)節(jié)所需的設(shè)置輸出AC電壓。輸入濾波器包括電容器C5和C6以及濾波電感器L6和L7。輸出濾波器包括電容器C7和C8以及濾波電感器L9和LlO，或HF過(guò)濾器元件的各種組合，其可用于過(guò)濾并旁通在HF(如，在此示例性實(shí)方案中為25，000Hz)下切換的AC雙向半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的HF切換頻率。
[0029]本領(lǐng)域的任何普通技術(shù)人員可使用單個(gè)降壓AC調(diào)壓器部分(如圖2a所示)作為串聯(lián)AC降壓調(diào)壓器，或單個(gè)升壓AC調(diào)壓器部分(如圖2b所示)作為串聯(lián)AC升壓調(diào)壓器，或組合圖2a的降壓AC電壓轉(zhuǎn)換器與圖2b的升壓AC調(diào)壓器以形成完整的HF AC調(diào)壓器，示于圖3中。
[0030]圖3示出可降低或升高每個(gè)HF點(diǎn)的AC輸入電壓的完整的HFAC調(diào)壓器的基本操作原理。例如，如果AC調(diào)壓器的操作頻率被選擇為25KHz，則輸入電壓由電子模擬或數(shù)字控制感測(cè)并與內(nèi)部參考比較，且然后AC雙向開(kāi)關(guān)在控制下被驅(qū)動(dòng)以降低(減小)或升高(增加)AC輸入電壓。電壓在每個(gè)LF(通常為50Hz或60Hz，或其它頻率)電源電壓周期在每40微秒點(diǎn)被調(diào)整，通過(guò)參考內(nèi)部電壓電平，模擬或數(shù)字電子控制能夠?qū)C輸出電壓調(diào)節(jié)至所需的設(shè)置電平。這示于圖3中，其中波形示出HF PffM降低或升高由濾波組件濾波以消除HF切換脈沖的輸入AC電壓和輸出AC電壓。
[0031]仍參考圖3。與AC雙向半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)Ql、Q2、Q3和Q4(這些開(kāi)關(guān)由電子控制電路驅(qū)動(dòng)以創(chuàng)建可增加或減小輸入AC電壓的獨(dú)特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu))結(jié)合，該HF降壓-升壓AC調(diào)壓器利用HF(例如IKHz-1 ,OOOKHz)功率電感器L3和L4，來(lái)調(diào)節(jié)AC輸出電壓至設(shè)置的所需電平。因此以每個(gè)HF PWM間隔(例如，25KHz下的40微秒的PWM間隔)，在HF開(kāi)關(guān)控制下降低(減小)或升高(增加)輸入電壓，該HF開(kāi)關(guān)控制對(duì)電源低頻率(通常為50Hz或60Hz，或其它頻率)的每個(gè)HF點(diǎn)為AC開(kāi)關(guān)產(chǎn)生正確的PffM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以針對(duì)控制電子器件(control electronics)中的所需的設(shè)置輸出AC電壓降低或升高并校正輸入AC電壓電平。另外，該HF串聯(lián)降壓-升壓AC調(diào)壓器僅須處理整個(gè)降壓和升壓電感器L3和L4之間的差分功率(differential power)以將輸入調(diào)節(jié)為輸出AC電壓，因此由于這種配置而使這比總輸出功率的功率少得多。降壓和升壓電感僅須處理調(diào)整差分輸入AC電壓以調(diào)節(jié)輸出AC電壓為所需的設(shè)置電平所需的功率。
[0032]參考圖4。圖4中示出對(duì)圖3所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改進(jìn)的調(diào)壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。取代使用連接為AC開(kāi)關(guān)的單極開(kāi)關(guān)，降壓和升壓部分中的AC電感器電流路徑被分為兩個(gè)單極路徑。在降壓部分中，兩個(gè)單極路徑由連接為半橋分支的兩個(gè)二極管(每個(gè)負(fù)責(zé)單極電流的傳導(dǎo))來(lái)表示。在圖4所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，Q1/DUQ2/D2和L3從左至右傳導(dǎo)電流；同時(shí)，Q3/D3、Q4/D4和L4從右至左傳導(dǎo)電流。由于對(duì)稱(chēng)原因，電感器L3和L4是具有相同匝數(shù)的耦合電感器。總輸出電流(具有典型的降壓轉(zhuǎn)換器的波形)是L3和L4分支的電流的總和。電壓調(diào)節(jié)(再次舉降壓部分為例)由常規(guī)P麗方法控fl^AC輸出電壓與正向開(kāi)關(guān)Q1/D1和Q3/D3的占空比成線(xiàn)性比例。兩個(gè)不同切換狀態(tài)與常規(guī)降壓轉(zhuǎn)換器的切換狀態(tài)相同:(I)向前狀態(tài)(forward state):Q1/Dl和Q3/D3開(kāi)，Q2/D2和Q4/D4關(guān)；(2)慣性狀態(tài)(freewheel state):Q1/D1 和Q3/D3關(guān)，Q2/D2和Q4/D4開(kāi)。在從向前至慣性(f orward to freewheel trans it1n)和慣性至向前(freewheel to forward transit1n)的切換狀態(tài)過(guò)渡期間提供小接通定時(shí)重疊(timingoverlay)以為兩個(gè)電感路徑L3和L4提供電流連續(xù)性。
[0033]如由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)和二極管方向所確定，AC輸出電流被分為兩個(gè)單極路徑。在L3和L4的路徑中建立有小循環(huán)電流，這是滿(mǎn)載電流的一小部分且不會(huì)隨著負(fù)載電流的增加而增加。輸出電流過(guò)零附近方向反轉(zhuǎn)的瞬時(shí)脈動(dòng)電流是由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)自動(dòng)處理的循環(huán)電流脈動(dòng)的總和。特定操作電壓下的循環(huán)電流的量是PWM重疊期間和耦合電感器L3和L4的漏電感的函數(shù)。
[0034]AC電流輸出電流可相對(duì)于輸入和輸出電壓成任何相位關(guān)系。由于這個(gè)原因，AC調(diào)節(jié)器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠在AC電壓和電流周期的所有四個(gè)可能象限內(nèi)操作。在無(wú)需中間DC環(huán)節(jié)的情況下，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可處理任何功率因數(shù)和雙向功率流。
[0035]由于單個(gè)切換分支的內(nèi)在單極本質(zhì)。與半橋分支串聯(lián)連接的二極管是擊穿證明。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無(wú)需準(zhǔn)確的電壓和電流極性檢測(cè)來(lái)操作，簡(jiǎn)單的PWM關(guān)系使得該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)于電源線(xiàn)電壓和電流擾動(dòng)具有非常強(qiáng)的健壯性。使用沿L3、L4、L5和L6的電流感測(cè)點(diǎn)用于保護(hù)和管理目的(for protect1n and housekeeping purpose) 0
[0036]改進(jìn)的AC降壓-升壓調(diào)壓器采用與一個(gè)整流器串聯(lián)的較低損耗單極開(kāi)關(guān)。然而，功率電感器需要分別對(duì)待。因此，參考圖4，通過(guò)制作分別具有串聯(lián)二極管:01、02、03、04、05、D6、D7和D8的單極半導(dǎo)體切換器件:01、02、03、04、05、06、07和08，圖3中的功率電感器1^3和L4現(xiàn)在可被分成降壓部分中的功率電感器L3和L4和升壓部分中的功率電感器L5和L6，如圖4所示。
[0037]對(duì)于輸入AC電壓，如果AC電壓輸入電平高于電子控制電路中的所需的設(shè)置AC參考電平，則降壓部分將在LF(通常為50Hz或60Hz，或其它頻率)頻率電源AC輸入電壓的每40微秒點(diǎn)(25KHz頻率作為實(shí)例)減小電壓，其中采用Ql和D1，以及Q2和D2與HF功率電感器L3處理正AC半周期;采用Q3和D3，和Q4和D4與功率電感器L4處理負(fù)AC半周期。
[0038]類(lèi)似地，如果AC電壓輸入電平低于電子控制電路中的所需的設(shè)置AC參考電平，則升壓部分將在LF(通常為50Hz或60Hz，或其它頻率)頻率電源AC輸入電壓的每40微秒點(diǎn)(25KHz頻率作為實(shí)例)增加電壓，其中采用Q5和D5，以及Q6和D6與HF功率電感器L5處理正AC半周期;且采用Q7和D7，和Q8和D8與電感器L6處理負(fù)AC半周期。
[0039]隨著在降壓或升壓輸入AC電壓處理中單獨(dú)處理正和負(fù)半周期，正和負(fù)半周期被獨(dú)立處理。因此，也不會(huì)有任何單極低損耗半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)造成破壞性擊穿，這是由于每個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)現(xiàn)在是僅與一個(gè)整流器串聯(lián)的單獨(dú)單極半導(dǎo)體器件。此外，該單極開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠接受耦合電感器對(duì)L3/L4和L5/L6的寬?cǎi)詈舷禂?shù)變化(在從接近于一至零(未偶聯(lián))的范圍內(nèi))。有了這種靈活性，人們既可在同一電感器芯上纏繞兩個(gè)繞組以節(jié)省空間，又可將耦合電感器對(duì)分成兩個(gè)單個(gè)電感器以最小化循環(huán)電流。
[0040]在圖3中所示的AC開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，這些雙極AC半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)通常由單極半導(dǎo)體器件(如使用插入增加額外整流器功率損耗的全整流橋中的SCR、GTO、IGBT，或MOSFET)的組合創(chuàng)建，或使用高損耗AC雙極器件(如TRIACS、背對(duì)背SCR或GT0)。
[0041]另一方面，本發(fā)明具有許多優(yōu)點(diǎn):非常健壯的降壓-升壓HFAC調(diào)壓器，這是由于對(duì)于降低峰值電流不存在擊穿、最小和非臨界切換重疊定時(shí)的可能性，且使用與一個(gè)整流器串聯(lián)的低損耗單極半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(與傳統(tǒng)的單獨(dú)AC半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)相比減小了損耗)。模擬控制電路，或優(yōu)選使用DSP或微處理器的數(shù)字電子控制電路被配置為處理所有的電壓感測(cè)和半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)定時(shí)的控制。由于半導(dǎo)體器件擊穿的破壞可能性被消除，所以控制電路更容易實(shí)施非臨界參考開(kāi)關(guān)重疊定時(shí)。因此，本發(fā)明提出了非常健壯的改進(jìn)的HF AC調(diào)壓器。
[0042]為了展示本發(fā)明的基本原理，本文檔中描述的電路被簡(jiǎn)化，其中在電壓減小的降壓配置中，或AC電壓增加的升壓配置中，其利用與一個(gè)整流器串聯(lián)的單極半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，且輸入AC電壓的正和負(fù)周期由其自己的功率電感器單獨(dú)處理。本領(lǐng)域的任何普通技術(shù)人員應(yīng)顯而易見(jiàn)的是，能夠由IGBT、FET、SCR、GT0和任何配置中的任何這樣的器件代替與一個(gè)整流器串聯(lián)的單極半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(如圖4所述)以實(shí)現(xiàn)相同的單極切換性能。單極切換器件的一些配置可改變以便于從電子控制電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)連接。
[0043]例如，在圖4中，參考每個(gè)都與整流器Dl和D2串聯(lián)耦合的單極半導(dǎo)體切換器件Ql和Q2，兩個(gè)單極切換半導(dǎo)體器件Ql和Q2可連接至功率電感器L3的公共點(diǎn)，其中整流器Dl和D2分別連接至相線(xiàn)(I ine)和地。這個(gè)或其它類(lèi)似配置可應(yīng)用于每個(gè)切換元件，但基本上實(shí)現(xiàn)相同效果(這是與整流器串聯(lián)的單極切換半導(dǎo)體器件的效果)?？墒褂么?lián)的附加整流器，盡管損耗可更高。另外，如圖4所示的降壓AC調(diào)壓器部分可用作獨(dú)立的串聯(lián)AC降壓調(diào)壓器；且如圖4所示的升壓AC調(diào)壓器可用作獨(dú)立的串聯(lián)AC升壓調(diào)壓器。在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下，本領(lǐng)域的任何普通技術(shù)人員可應(yīng)用本文所述的發(fā)明原理至任何多相AC系統(tǒng)，如三相電氣系統(tǒng)。
[0044]本文公開(kāi)的實(shí)施方案可使用通用或?qū)Ｓ糜?jì)算裝置、計(jì)算機(jī)處理器、微控制器或電子電路來(lái)實(shí)施(包括但不限于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、專(zhuān)用集成電路(ASIC)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)以及根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)被配置成或被編程的其它可編程邏輯裝置)。在通用或?qū)Ｓ糜?jì)算裝置、計(jì)算機(jī)處理器或可編程邏輯裝置中運(yùn)行的計(jì)算機(jī)指令或軟件代碼可由軟件或電子領(lǐng)域的普通技術(shù)人員基于本發(fā)明的教導(dǎo)而容易地制備。
[0045]已經(jīng)針對(duì)說(shuō)明和描述的目的提供了本發(fā)明的上述描述。它并非旨在窮舉性的或限制本發(fā)明為公開(kāi)的精確形式。許多修改和變型對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的。
[0046]選擇并描述這些實(shí)施方案以便最好地解釋本發(fā)明的原理及其實(shí)際應(yīng)用，從而使本領(lǐng)域的其他技術(shù)人員理解本發(fā)明的各種實(shí)施方案以及用適于預(yù)期的特定用途的多種修改來(lái)理解本發(fā)明。意圖是本發(fā)明的范圍由以下權(quán)利要求書(shū)及其等效項(xiàng)限定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種交流(AC)串聯(lián)調(diào)壓器，用于調(diào)節(jié)AC輸出電源的AC輸出電壓，其特征在于，所述AC串聯(lián)調(diào)壓器包括: 用于降低AC輸入電源的AC輸入電壓的AC高頻(HF)串聯(lián)電壓降壓電源調(diào)控器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(series voltage buck power regulator topology)，其包括: 第一單極路徑，其包括: 第一半橋，其包括第一和第二整流器，所述第一和第二整流器分別與第一和第二獨(dú)立可控單極開(kāi)關(guān)串聯(lián)連接，和第一功率電感器； 第二單極路徑，其包括: 第二半橋，其包括第三和第四整流器，所述第三和第四整流器分別與第三和第四獨(dú)立可控單極開(kāi)關(guān)串聯(lián)連接，和第二功率電感器;和 用于升高所述AC輸入電壓的AC HF串聯(lián)電壓升壓電源調(diào)控器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其包括: 第三單極路徑，其包括: 第三半橋，其包括第五和第六整流器，所述第五和第六整流器分別與第五和第六獨(dú)立可控單極開(kāi)關(guān)串聯(lián)連接，和第三功率電感器； 第四單極路徑，其包括: 第四半橋，其包括第七和第八整流器，所述第七和第八整流器分別與第七和第八獨(dú)立可控單極開(kāi)關(guān)串聯(lián)連接，和第四功率電感器;和 控制電路，其用于接收所述AC輸入電壓、AC參考電壓，和AC輸出電壓，并產(chǎn)生用于所述單極開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)； 其中，在消除任何功率“擊穿”的任何一個(gè)時(shí)間，在所述AC HF串聯(lián)電壓升壓電源調(diào)控器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或所述AC HF串聯(lián)電壓降壓電源調(diào)控器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，分離地且獨(dú)立地處理正和負(fù)半周期的AC輸入電壓。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的AC串聯(lián)調(diào)壓器，其特征在于，所述第一和第二功率電感器以第一預(yù)定耦合系數(shù)相耦合，且所述第三和第四功率電感器以第二預(yù)定耦合系數(shù)相耦合。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的AC串聯(lián)調(diào)壓器，其特征在于，所述ACHF串聯(lián)電壓升壓電源調(diào)控器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或所述AC HF串聯(lián)電壓降壓調(diào)控器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被失活(inactivated)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的AC串聯(lián)調(diào)壓器，其特征在于，還包括輸入濾波器，所述輸入濾波器用于消除回傳至所述AC輸入電源的HF切換能量。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的AC串聯(lián)調(diào)壓器，其特征在于，所述輸入濾波器包括兩個(gè)電容器和兩個(gè)電感器。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的AC串聯(lián)調(diào)壓器，其特征在于，還包括輸出濾波器，所述輸出濾波器用于平均HP電壓脈動(dòng)以創(chuàng)建用于所述AC輸出電壓的平滑的已調(diào)節(jié)的電壓電平。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的AC串聯(lián)調(diào)壓器，其特征在于，所述輸出濾波器包括兩個(gè)電容器和兩個(gè)電感器。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的AC串聯(lián)調(diào)壓器，其特征在于，還包括電流變換器(currenttransformer)，所述電流變換器用于產(chǎn)生輸出電流測(cè)量信號(hào)到所述控制電路以實(shí)現(xiàn)過(guò)電流保護(hù)。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的AC串聯(lián)調(diào)壓器，其特征在于，用于所述AC雙向開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)是脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制信號(hào)。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的AC串聯(lián)調(diào)壓器，其特征在于，每個(gè)單極開(kāi)關(guān)包括一個(gè)或多個(gè)功率半導(dǎo)體器件。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的AC串聯(lián)調(diào)壓器，所述功率半導(dǎo)體器件是單極MOSFET功率半導(dǎo)體器件、可控硅整流器(SCR)、門(mén)極可關(guān)斷晶閘管(GTO)、TRIAC、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，或MOSFET晶體管。12.—種交流電流(AC)串聯(lián)調(diào)壓器，用于調(diào)節(jié)AC輸出電源的AC輸出電壓，其特征在于，所述AC串聯(lián)調(diào)壓器包括: 第一單極路徑，其包括: 第一半橋，其包括第一和第二整流器，所述第一和第二整流器分別與第一和第二獨(dú)立可控單極開(kāi)關(guān)串聯(lián)連接，和 第一功率電感器； 第二單極路徑，其包括: 第二半橋，其包括第三和第四整流器，所述第三和第四整流器分別與第三和第四獨(dú)立可控單極開(kāi)關(guān)串聯(lián)連接，和 第二功率電感器;和 控制電路，其用于接收所述AC輸入電壓、AC參考電壓，和所述AC輸出電壓，并產(chǎn)生用于所述單極開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的AC串聯(lián)調(diào)壓器，其特征在于，所述第一和第二功率電感器以預(yù)定耦合系數(shù)相耦合。14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的AC串聯(lián)調(diào)壓器，其特征在于，還包括輸入濾波器，所述輸入濾波器用于消除回傳至所述AC輸入電源的HF切換能量。15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的AC串聯(lián)調(diào)壓器，其特征在于，所述輸入濾波器包括兩個(gè)電容器和兩個(gè)電感器。16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的AC串聯(lián)調(diào)壓器，其特征在于，還包括輸出濾波器，所述輸出濾波器用于平均HP電壓脈動(dòng)以創(chuàng)建用于所述AC輸出電壓的平滑的已調(diào)節(jié)的電壓電平。17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的AC串聯(lián)調(diào)壓器，其特征在于，所述輸出濾波器包括兩個(gè)電容器和兩個(gè)電感器。18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的AC串聯(lián)調(diào)壓器，其特征在于，還包括電流變換器，所述電流變換器用于產(chǎn)生輸出電流測(cè)量信號(hào)到所述控制電路以實(shí)現(xiàn)過(guò)電流保護(hù)。19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的AC串聯(lián)調(diào)壓器，其特征在于，用于所述AC雙向開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)是脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制信號(hào)。20.根據(jù)權(quán)利要求12所述的AC串聯(lián)調(diào)壓器，其特征在于，每個(gè)單極開(kāi)關(guān)包括一個(gè)或多個(gè)功率半導(dǎo)體器件，并且其中所述功率半導(dǎo)體器件是單極MOSFET功率半導(dǎo)體器件、可控硅整流器(SCR)、門(mén)極可關(guān)斷晶閘管(GTO)、TRIAC、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，或MOSFET晶體管。
【文檔編號(hào)】H02M5/257GK105874701SQ201480067716
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2014年12月10日
【發(fā)明人】斯圖爾特·尼爾喬治, 鄭永寧
【申請(qǐng)人】逸節(jié)電子有限公司