具有自调谐的谐振电源制造技术

本发明专利技术涉及用于电力应用的将直流(DC)变成交流(AC)的电流反馈谐振逆变器。本发明专利技术的一个应用是用于感应功率传输(IPT)系统的电源。提供了一种谐振逆变器，包括：输入，所述输入用于从DC电源(208)供应电流，包括两个耦合电感元件(205,206)和调谐电容(204)的谐振电路，所述电感元件被配置成将来自所述电源的电流分开；第一开关设备，所述第一开关设备包括以基本相反相位操作以交替地将电流从所述电源投入所述电感元件中的两个开关装置(200,201)；第二开关设备(504A1‑n,504B1‑n)，所述第二开关设备根据所述谐振电路的功率因数选择性将一个或多个控制电容(510A1‑n,510B1‑n)投入或切出所述谐振电路。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于电力应用的将直流(DC)变成交流(AC)的电流反馈谐振逆变器。本专利技术的一个应用是用于感应功率传输(IPT)系统的电源。
技术介绍
逆变器在电力供应中有许多应用，包括交流电源的产生，例如用作将DC电压转换成AC电压供给的逆变器(例如不间断电源)。逆变器还可以用在DC至DC变换器的内部阶段、感应加热、微波产生、表面检测、医学实验、高频无线系统、IPT系统等。已知的推挽(push-pull)电流反馈谐振逆变器的电路示意图示于图1中。这种逆变器的操作在美国专利说明书5,450,305中讨论，其内容通过引用被并入本文。由于这些谐振逆变器的低开关损耗和低电磁干扰(EMI)，他们得到广泛普及。在IPT系统中，IPT电源理想情况是产生固定频率的正弦输出电压的固定频率的电源。这种电源示于图1中。图1的电路具有DC电感器LDC、分相变压器LPS和并联谐振槽电路C1L1。开关S1和S2反相操作，在并联谐调槽电路两端产生谐振电压。加入与开关串联的二极管，使得开关不可能同时接通，对C1放电。电感器LDC在稳态操作条件下提供恒定的DC电流源。此电感器通常设计成很大，以克服饱和问题。具有两个紧密耦合绕组LSP的分相变压器用来将DC电流分成两个支路，开关S1和S2被控制为交替“接通”和“关断”，以改变注入到包括线圈L1和其调谐电容器C1的谐振槽电路中的电流的方向。电阻器R代表由逆变器供应的负载。还需要外部控制器(未显示)，以便控制开关S1和S2。控制器检测谐振电压(例如感测谐振电容器C1两端的电压)，并且在电压过零点驱动开关(零电压开关)。这些开关技术有助于降低开关损耗和EMI。为此，通常需要额外的电压互感器或绕组来检测电容器C1两端的电压过零点。检测到的信息被控制器使用，以驱动开关S1和S2，通常需要有特殊的门极驱动电路。这种形式的逆变器的启动相对困难，需要复杂的控制器。在高频操作时，传统的电源(未显示)是有问题的，原因是随着频率升高，所需的dV/dt和dI/dt暂态很高以致操作电源是有问题的，操作电源变得越发困难。例如，在140kHz频率下，一个完整周期只有7微秒，所以如果开关在半个周期的1％内接通480V总线，则开关上的dV/dt是480/(3.5微秒x1％)＝13.7kV/微秒，这是非常快的暂态，使高压侧开关的操作变得有挑战。图1的电路借助软开关和低的dI/dt及dV/dt避免了此问题。然而，此电路(图1)的难度是响应于逆变器上的电抗负载的变化保持操作频率，特别是保持所需的功率因数，其原因是此电路可能易于分叉。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种逆变器或电源或操作逆变器或电源的方法，其至少消除一个或多个前述缺点或者至少给公众提供一种有用的选择。根据第一方面，提供了一种谐振逆变器，包括：输入，所述输入用于从DC电源供应电流，包括两个耦合电感元件和调谐电容的谐振电路，所述电感元件被配置成将来自所述电源的电流分开；第一开关设备，所述第一开关设备包括以基本相反相位操作以交替地将电流从所述电源投入到所述电感元件中的两个开关装置；以及第二开关设备，所述第二开关设备根据所述谐振电路的功率因数选择性将一个或多个控制电容投入或切出所述谐振电路。诸如上文的S1和S2的第一开关设备在谐振频率下的交替半周接通。第二开关设备投切第一开关设备的开关装置两端的电容器，以改变逆变器的调谐频率。这种配置可以用来降低谐振电路中的高峰值电压，否则由于缺少调谐或低功率因数，可能会出现这种高峰值电压。这种高峰值电压的存在特别是在电压变化速率会非常高的高频下，可能损坏开关装置。调谐逆变器还优化例如在IPT(感应功率传输)二次侧(诸如电动车辆)中传输的功率。控制电容器的选择性开关实现功率因数的动态校正，功率因数由于诸如二次侧负载变化和/或耦合变化的外部因素，例如由于电感元件和电动汽车上的二次线圈之间的距离变化可能会变化。在一个实施例中，第二开关设备包括开关装置和与所述第一开关设备的每个开关装置并联连接的控制电容。第二开关设备可以被配置成在所述调谐电容的电流过零点将所述控制电容投入或切出所述谐振电路，其中，改变逆变器的频率可以调节功率因数。在一个实施例中，谐振逆变器还包括功率因数检测电路，所述功率因数检测电路被配置成通过确定所述谐振电路的电流和用于驱动所述开关装置的开关信号之间的相位差，确定所述功率因数。在一个实施例中，所述功率因数检测电路包括耦合到所述谐振电路和积分电容器的电流互感器、耦合在所述积分电容器两端的方波产生器和用于将所述方波产生器的输出与所述开关信号进行比较的比较器。在一个实施例中，多个控制电容中的个别控制电容或控制电容组被配置成在所述谐振电路的选择周期中选择性投入或切出所述谐振电路，以控制所述逆变器的操作。一连串不同大小的控制电容可以被适当的第二开关设备组合，以便得到所需的电路电容，从而校正逆变器的动态操作中确定的功率因数。在一个实施例中，谐振逆变器还包括第三开关设备，所述第三开关设备包括两个开关装置，每个开关装置连接到控制电阻器，并以基本相反的相位操作，以交替地将电流从电源投入到电感元件中，第一开关设备被投入或切出谐振电路，以便启动或停止谐振电路。此配置提供一种启动和停止谐振逆变器的手段，第三开关设备所有时间都在操作，第一开关设备在需要全功率时接通，以绕过控制电阻器。在一个实施例中，谐振逆变器可以包括耦合于所述输入电流源和所述电感元件之间的降压控制电路，所述降压控制电路具有二极管和降压控制开关，所述降压控制开关具有占空比，所述占空比被控制以便调节所述调谐电容器两端的电压。此配置可以用来启动和停止谐振电流，还可以用来在谐振电路不被调谐时，降低峰值电压。这种开发方案提供更好的控制选项，另外可以只用三个开关实现，是一种廉价的选项。还提供一种操作谐振逆变器的方法，所述谐振逆变器具有输入，所述输入用于从DC电源供应电流，包括两个耦合电感元件和调谐电容的谐振电路，所述电感元件被配置成将来自所述电源的电流分开；包括两个开关装置的第一开关设备和第二开关设备；所述方法包括：以基本相反的相位投切所述两个开关装置，以交替地将电流从所述电源投入所述电感元件中；投切所述第二开关设备，以根据所述谐振电路的功率因数，选择性将一个或多个控制电容投入或切出所述谐振电路。实施例可以提供固定频率的正弦谐振逆变器，包括使本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种谐振逆变器，包括：输入，所述输入用于从DC电源供应电流，包括两个耦合电感元件和调谐电容的谐振电路，所述电感元件被配置成将来自所述电源的电流分开；第一开关设备，所述第一开关设备包括以基本相反相位操作以交替地将电流从所述电源投入到所述电感元件中的两个开关装置；第二开关设备，所述第二开关设备根据所述谐振电路的功率因数选择性将一个或多个控制电容投入或切出所述谐振电路。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.09.12 NZ 6154641.一种谐振逆变器，包括：
输入，所述输入用于从DC电源供应电流，包括两个耦合电感元件和
调谐电容的谐振电路，所述电感元件被配置成将来自所述电源的电流分
开；
第一开关设备，所述第一开关设备包括以基本相反相位操作以交替地
将电流从所述电源投入到所述电感元件中的两个开关装置；
第二开关设备，所述第二开关设备根据所述谐振电路的功率因数选择
性将一个或多个控制电容投入或切出所述谐振电路。
2.根据权利要求1所述的谐振逆变器，其中，所述第二开关设备包括
开关装置和与所述第一开关设备的每个所述开关装置并联连接的所述控
制电容。
3.根据权利要求1或2所述的谐振逆变器，其中，所述第二开关设备
被配置成在所述调谐电容的电流过零点将所述控制电容投入或切出所述
谐振电路。
4.根据任何一个前述权利要求所述的谐振逆变器，还包括功率因数检
测电路，所述功率因数检测电路被配置成通过确定所述谐振电路的电流和
用于驱动所述开关装置的开关信号之间的相位差，确定所述功率因数。
5.根据权利要求4所述的谐振电路，其中，所述功率因数检测电路包
括耦合到所述谐振电路和积分电容器的电流互感器、耦合在所述积分电容
器两端的方波产生器和用于将所述方波产生器的输出与所述开关信号进
行比较的比较器。
6.根据任何一个前述权利要求所述的谐振逆变器，其中，多个控制电
容中的个别控制电容或控制电容组被配置成在所述谐振电路的选择周期
中选择性投入...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·T·博伊斯，G·A·考维克，
申请(专利权)人：奥克兰联合服务有限公司，
类型：发明
国别省市：新西兰;NZ