串联交流电压调节器的制作方法

本申请根据巴黎公约要求2016年9月9日提交的美国临时专利申请no.62/385,249的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。

本发明一般地涉及功率电子学。特别地，本发明涉及用于调节交流电（ac）电压的方法和功率电子器件，更具体地，涉及将ac输出电压调节到所期望的电平而不管ac输入电压的变化。

背景技术：

ac电压调节器用于严密控制和调节输送到与ac电压调节器的输出相连的负载的ac电压电平，而不管ac电压调节器的输入处的ac电压变化。

传统上是通过各种低频（lf）——通常为50或60hz或其他频率——的电源磁结构来完成。这些结构通常分接于各种变压器或变压器配置中特定的分立变压器的电压抽头处。尽管如此，所有这些结构都依赖于传统的交流开关设备，例如继电器或者半导体设备，半导体设备诸如可控硅整流器（scr）或连接为反向并联的ac开关的门关闭晶闸管（gto），triac，诸如绝缘栅双极晶体管（igbt）、mosfet晶体管的ac开关、以及配置为如整流器之间连接的ac开关的scr。通过电子控制电路选择和激活这些ac开关，以自动切换所选择的磁变压器结构抽头，进而调节变压器或变压器配置的匝数比，以控制ac输出电压尽可能接近所需电平。

调节ac输出电压的另一种传统方法是使用由机电装置（例如受控电动机）驱动的机电调节的自耦变压器。在这种情况下，电子控制器检测输入电压，然后驱动机电装置移动输出触点以调节自耦变压器的匝数，进而设置正确的匝数比以将ac输出电压固定到所需的电平。这些电机调节的自耦变压器装置也是lf磁结构，通常为50hz或60hz或其他频率，并且通常使用碳刷来实现与自耦变压器绕组的移动电接触。然而，这些刷子由于受机械磨损，因此需要经常维护和更换。

技术实现要素：

一种用于控制和调节输送至负载的ac电压电平而不管ac输入电压变化的系统包括pct申请no.pct/cn2014/093475和pct申请no.pct/cn2014/089721至少之一公开和要求保护的ac串联电压调节器，其耦接lf工作电源变压器。在一种实施方式中，lf工作电源变压器在电源频率（其通常为50hz或60hz）下工作。lf工作电源变压器的磁芯可以由工业标准低频芯材料制成，该材料选自包括硅钢和非晶芯（如“metglass”）的材料组。在一种实施方式中，ac串联电压调节器连接到lf工作电源变压器的初级，并且lf工作电源变压器的次级串联连接在电源输入（其接收待调节的未调节ac输入电压）及其输出（其将调节后的ac电压输出到负载）之间。

附图说明

在下文中参考附图更详细地描述了本发明的实施方式，其中

图1示出了根据本发明一实施方式的包括高频（hf）ac串联电压调节器和lf变压器的电压调节系统的系统图；

图2示出了pct/cn2014/093475公开和要求保护的hfac串联电压调节器的一实施方式的电路图；

图3示出了pct/cn2014/093475公开和要求保护的hfac串联电压调节器的另一实施方式的电路图；

图4示出了pct/cn2014/089721公开和要求保护的hfac串联电压调节器的一实施方式的电路图。

具体实施方式

在以下描述中，作为优选示例，阐述了用于将ac输出电压调节到所期望电平而不管ac输入电压的变化等的方法、系统和装置。对于本领域技术人员，显而易见的是，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可以对本发明进行修改，包括添加和/或替换。为免模糊本发明可以省略具体细节；然而，本说明书是为了使本领域技术人员能够在不进行过度实验的情况下实践本说明书的教导。

根据本发明的一实施方式，提供了一种用于调节输送至负载的ac电压电平而不管ac输入电压波动的电压调节系统。该电压调节系统包括在pct申请no.pct/cn2014/093475和pct申请no.pct/cn2014/089721至少之一公开和要求保护的ac串联电压调节器，其耦接lf变压器。在一种实施方式中，lf变压器在电源频率（其通常为50hz或60hz）下工作。lf变压器的磁芯可以由工业标准低频芯材料制成，该材料选自包括硅钢和诸如'metglass'的非晶芯的材料组。在一种实施方式中，ac串联电压调节器连接到lf变压器的初级，并且lf变压器的次级串联连接在电源输入（其接收待调节的未调节的ac输入电压）及其输出（它将调节的交流电压输出到负载）之间。

参见图1。hf串联ac电压调节器102连接到主电源上的未调节的ac输入电压（vin）源101和变压器103的初级，使得hf串联ac电压调节器102的输入并联连接（跨越主电源的热线和中性线）未调节的ac输入电压（vin）源101。hf串联ac电压调节器102的输出并联连接（跨越主电源的热线和中性线）变压器103的初级线路。随着未调节的ac输入电压（vin）电平波动，hf串联ac电压调节器102内的控制电子器件检测出ac输入电压（vin）电平和ac输出电压（vout）电平和输出电流（iout）电平，控制和设置由hf串联ac电压调节器101输出到变压器103的初级的同相正或同相负的差分ac电压（vprimary）。在电压调节系统的输出上获取ac输出电压（vout），从电压调节系统100的输出处的热线上的电流变换器的输出获取输出电流（iout）。变压器103的次级串联在位于未调节的ac输入电压（vin）源和电压调节系统100的调节的ac电压（vout）输出104之间的电源热线上。

利用hf串联ac电压调节器102输出的同相正或同相负的差分ac电压（vprimary）并馈送变压器103的初级，通过增加或减去跨变压器103的次级产生的电压电平，调节变化的ac输入电压（vin），并因此在所期望电压电平处产生已调节的ac输出电压（vout）。

电压调节系统100还包括半导体继电器装置105和可选的机电旁路装置106，二者均与变压器103的初级并联连接。半导体继电器装置105和机电旁路装置106保护电压调节系统100免受过电压和/或过电流的影响，即免受负载短路、功率电子器件故障或系统过热的情况的影响。半导体继电器装置105可以包括triacs、scr和类似功能的半导体器件中的一个或多个。机电旁路装置106可以是机电继电器和接触器中的一个或多个。半导体继电器装置105和机电旁路装置106都由hf串联ac电压调节器102的控制电子器件触发和控制。

在一替代的实施方式中，半导体继电器装置104和可选的机电旁路装置105都与变压器103的次级而非初级并联连接。然而，由于变压器103的初级电流中的旁路电流低于次级电路中的旁路电流，因此优选与初级连接。

本领域普通技术人员应该理解，上述系统设计可以利用lf变压器，各种形式的隔离或非隔离的单相或多相相位器，或自动变压器磁结构，其通常用于50hz或60hz电源频率，并耦接pct申请no.pct/cn2014/093475和pct申请no.pct/cn2014/089721之一公开并要求保护的hf串联ac电压调节器，以实现ac电压的调节。在这种情况下，hf串联ac电压调节器经过改良，使其控制电子元件是从电压调节系统而非电压调节器获取的ac输出电压（vout）和输出电流（iout）。

在一种实施方式中，变压器的次级串联连接在未调节的ac输入电压（vin）源和调节的ac电压（vout）输出之间。例如pct申请no.pct/cn2014/093475和pct申请no.pct/cn2014/089721之一公开和要求保护的hf串联ac电压调节器。hfpwm电压施加到变压器的初级，其反过来在变换器的次级上产生同相或异相电压校正，以从未调节的ac输入电压（vin）产生期望的调节的ac电压（vout）。

采用耦接lf变压器或磁结构的pct申请no.pct/cn2014/093475和pct申请no.pct/cn2014/089721之一公开和要求保护的hf串联电压调节器的优点在于，仅被调节总功率的一小部分用于校正电源电压变化。这是因为hf串联ac稳压器的功率电子器件是连接到，而不是直接连接到主电源，并且只需要产生用于lf变压器的初级或磁结构上所需的电压校正的差分交流电压（vprimary）。例如，在需要+/-10％的电压校正的情况下，hf串联ac电压调节器仅需要处理总功率的大约20％。

此外，在电流负载需求异常激增的情况下，例如电动机启动或者甚至负载短路，由于hf串联ac电压调节器的功率电子器件连接lf变压器的初级或磁结构，初级电流远低于通过lf变压器的刺激绕组或磁结构的负载电流或浪涌电流，因此功率电子器件受到很大程度的保护。

尽管前述和附图仅描述了单相ac系统，但是本领域的任何普通技术人员在不偏离本发明的范围和精神的情况下，可以将本文所述的发明原理应用于任何多相ac系统，例如三相电气系统。

本文公开的实施方式可以通过使用通用或专用计算设备、计算机处理器、微控制器或电子电路来实现，包括但不限于数字信号处理器（dsp）、专用集成电路（asic）、现场可编程门阵列（fpga）、以及其他根据配置或编程的可编程逻辑器件。基于本申请的教导，软件或电子领域的技术人员可以容易地准备在通用或专用计算设备、计算机处理器或可编程逻辑设备中运行的计算机指令或软件代码。

已经出于说明和描述的目的给出了本发明的前述描述。这并不意味着对本发明进行穷举或将本发明限制于所公开的确切形式。对于本领域技术人员来说，许多修改和变化是显而易见的。

前述实施方式的选择和描述是为了最好地解释本发明的原理及其实际应用，从而使得本领域其他技术人员能够以适合所设想的特定用途的各种修改来理解本发明的各种实施方式。本发明的范围旨在由以下权利要求及其等同物限定。

pct申请no.pct/cn2014/093475和pct申请no.pct/cn2014/089721公开的内容通过引用整体并入本文。下面也将描述pct申请no.pct/cn2014/093475和pct申请no.pct/cn2014/089721公开和要求保护的hf串联ac电压调节器。

pct/cn2014/093475公开并要求保护的hf串联ac电压调节器

图2示出了pct/cn2014/093475公开和要求保护的可以在每个hf点降低或升高ac输入电压的完整hf串联ac电压调节器的基本操作原理。例如，如果ac电压调节器的工作频率选择为25khz，则由电子模拟或数字控制器检测出输入电压并将其与内部参考电压进行比较，然后ac双向开关在控制下受驱动而降低（减少）或提升（增加）ac输入电压。在模拟或数字电子控制下，通过每个lf电源电压周期——通常为50hz或60hz或其他频率——的每个40微秒点，参考内部电压电平调节电压，能够将ac输出电压调节到所需的设定电平。图2示出此，其中波形示出hfpwm降压或升高ac输入电压，以及由滤波器组件对ac输出电压滤波以消除hf切换脉冲。

仍然参考图2。这种hf降压-升压型ac电压调节器利用hf功率电感（例如1khz-1,000khz）l3和l4，并结合由电子控制电路驱动的ac双向半导体开关q1、q2、q3和q4，以创建一个独特的拓扑结构，其可以增加或减少ac输入电压以将ac输出电压调节到设定的所需电平。因此，在每个hfpwm间隔（例如，25khz处的40微秒pwm间隔）下，在hf开关控制下的输入电压处于降压（降低）或升压（增加），从而向主电源低频——通常为50hz或60hz或其他频率——上的每个hf点处的ac开关产生正确的pwm驱动信号，以相对于控制电子器件中所期望的设定的ac输出电压，降低或升高并校正ac输入电压电平。此外，该hf系列降压-升压型ac电压调节器只需处理降压和升压电感l3和l4之间的差分功率，以调节输出到ac输出电压，因此，由于配置，功率远低于总输出功率。降压和升压电感只需处理调节差分ac输入电压所需的功率，以将ac输出电压调节到所期望的设定电平。

参考图3。图3示出了在图2所示拓扑结构上改进的电压调节器拓扑结构。降压和升压部分中的ac电感器电流路径分成两条单极路径，而不是使用连接为ac开关的单极开关。在降压部分中，这两条单极路径由连接为半桥分支的两个二极管表示，每个负责单极电流的传导。在图3所示的拓扑结构中，q1/d1、q2/d2和l3从左向右传导电流；同时，q3/d3、q4/d4和l4从右向左传导电流。由于对称的原因，电感器l3和l4是具有相同匝数的耦合电感器。具有典型降压转换器的波形的总输出电流是l3分支和l4分支的电流之和。再以降压部分为例，电压调节由传统的pwm方法控制。ac输出电压与正向开关q1/d1和q3/d3的占空比成线性比例。两种不同的开关状态与传统降压转换器的状态相同：（1）正向状态：q1/d1和q3/d3接通，q2/d2和q4/d4断开；（2）自由轮状态：q1/d1和q3/d3断开，q2/d2和q4/d4接通。在从正向到自由轮和自由轮到正向的开关状态转换期间提供短的接通时序覆盖，以为两个电感器路径l3和l4提供连续的电流。

ac输出电流由拓扑开关和二极管方向所确定而分成两条单极路径。l3路径和l4路径中存在小的循环电流积累，这是满载电流的一小部分，并且不会随着负载电流的增加而增加。在输出电流过零点附近的瞬时电流脉动方向反转是由拓扑结构自动处理的循环电流脉动的总和。特定工作电压下的循环电流量是耦合电感器l3和l4的pwm重叠周期和漏电感的函数。

ac电流输出电流可以相对于输入和输出电压处于任何相位关系。因此，该ac调节器拓扑结构能够工作于ac电压和电流周期的所有四个可能的象限中。拓扑结构可以处理任何功率因数和双向功率流，而无需中间dc链路。

由于各个开关分支的内在单极性质。二极管串联的半桥分支是直通式证明。这种拓扑结构不需要精确的电压和电流极性检测即可工作，简单的pwm关系使这种拓扑结构对于电源线电压和电流扰动非常稳健。沿l3、l4、l5和l6使用的电流检测点用于保护和内务整理处理。

改进的ac降压-升压型电压调节器采用与一个整流器串联的低损耗单极开关。但是，功率电感需要单独处理。因此，参考图3，通过分别制造具有串联二极管：d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7和d8的单极半导体开关器件：q1、q2、q3、q4、q5、q6、q7和q8，图2中的功率电感器l3和l4现在可以分成如图3所示的降压部分中的功率电感器l3和l4、以及升压部分中的l5和l6。

对于ac输入电压，如果ac电压输入电平高于电子控制电路中所期望的设定的ac参考电平，则降压部分将在每40微秒点（例如25khz频率）在lf频率电源ac输入电压——通常为50hz或60hz或其他频率——上降低电压，其中q1和d1、q2和d2及hf功率电感器l3处理正ac半周期，以及q3和d3、q4和d4及功率电感器lf处理负ac半周期。

类似地，如果ac电压输入电平低于电子控制电路中所期望的设定的ac参考电平，则升压部分将在每40微秒点（例如25khz频率）在lf频率电源ac输入电压——通常为50hz或60hz或其他频率——上增加电压，其中q5和d5、q6和d6及hf功率电感器l5处理正ac半周期，q7和d7、q8和d8及电感器l6处理负ac半周期。

在正半周和负半周分别在降压或升压ac输入电压处理中处理的情况下，独立地处理正半周和负半周。因此，任何单极低损耗半导体开关也没有破坏性的击穿，因为每个半导体开关此时是仅与一个整流器串联的单个单极半导体器件。此外，该单极开关拓扑结构能够接受耦合电感器对l3/l4和l5/l6的宽耦合系数变化，其范围从接近于1到零（未耦合）。通过这种灵活性，可以将两个绕组缠绕在同一个电感器芯以节省空间，或者将耦合电感器对分成两个单独的电感器以最小化循环电流。

在图2所示的ac开关拓扑结构中，这些双极ac半导体开关通常由单极半导体器件的组合产生，例如使用插入全整流桥的scr、gto、igbt或mosfet，全整流桥增加了额外的整流器功率损失；或使用高损耗ac双极器件，如triacs、连续的scr或gto。

另一方面，本发明具有许多优点：降压-升压型hfac电压调节器非常稳健，因为不存在直通的可能性，最小且非关键的开关重叠时序以减小峰值电流，以及使用与一个整流器串联的低损耗单极半导体开关，与传统的单个ac半导体开关相比，可降低损耗。模拟控制电路，或优选地使用dsp或微处理器的数字电子控制电路，用于处理半导体开关定时的所有电压感测和控制。由于消除了可能的半导体器件击穿的破坏性，因此控制电路更容易实现非关键的参考开关重叠时序。因此，本发明提出了一种非常稳健的改进的hfac电压调节器。

为了说明本发明的基本原理，本文中简化了所描述的电路，该基本原理利用与一个整流器串联的单极半导体开关，并且ac输入电压的正、负周期用其自身的功率电感器单独处理，可以是降压配置以降低电压，也可以是升压配置以增加ac电压。对于本领域的任何普通技术人员来说，显而易见的是，能够用在任何配置下都能实现相同的单极性开关性能的igbt、fet、scr、gto和任何此类器件来代替与一个整流器串联的单极半导体开关，如图3所示。可以改变单极开关装置的一些配置以便于来自电子控制电路的驱动连接。

例如，在图3中，参考单极半导体开关器件q1和q2，每个单极半导体开关器件串联耦接整流器d1和d2，两个单极开关半导体器件q1和q2可以连接到功率电感器l3处的公共点，以及整流器d1和d2分别连接到线路和地线。这种或其他类似的配置可以应用于每个开关元件，但基本上实现相同的效果，即与整流器串联的单极开关半导体器件的效果。可以使用其他串联的整流器，但损耗可以会更高。另外，如图3所示的降压ac电压调节器部分可用作独立的串联ac降压电压调节器；如图3所示的升压ac电压调节器可用作独立的串联ac升压电压调节器。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，本领域普通技术人员可以将本文所述的发明原理应用于任何多相ac系统，例如三相电气系统。

pct/cn2014/089721公开并要求保护的hf串联ac电压调节器

图4示出了pct/cn2014/089721公开和要求保护的可以在每个hf点降低或升高ac输入电压的完整hf串联ac电压调节器的基本操作原理。例如，如果hf串联ac电压调节器的工作频率配置为25khz，则输入电压由电子模拟或混合数字和模拟的电路检测，并与电压基准进行比较，然后在pwm控制下驱动ac双向半导体开关s1、s2、s3和s4与功率电感器l3和l4的组合，以在avrhfac串联电压调节器输出处降压（降低）或升压（增加）ac输入电压。通过每个lf电源电压周期——通常为但不限于50hz或60hz——在每40微秒间隔点调节电压。因此，参考固定参考电压电平，在模拟或数字电子pwm控制下，完整的hfac串联电压调节器能够将ac输出电压完全调节到所需的设定电平。

图4还示出了在hfac串联电压调节器输出处hfpwm对ac输入电压进行补偿或升压的波形，组合的输入滤波器组件c1、c2、l1和l2用于消除返回到输入ac源的hf切换能量；组合的输出滤波器组件c3、c4、l5和l6用于消除输出得hfpwm切换脉冲，并将hf电压pwm脉动平均到平均的dc电平，从而产生平滑的调节ac输出电压。

为了清楚起见，本文简化了所公开的电路和描述，并且各种其他电路结构和装置可以用于实施本发明的原理。例如，双向ac开关是半导体器件并且可以包括各种电路配置，但是这些开关仍然用作工业中常用的ac双向半导体开关。这种双向ac半导体开关，例如但不限于，可以是包括四个整流器的整流桥，其中单极半导体器件结构插入桥中，例如scr、gto、igbt、mosfet或与pwm驱动控制产生相同效果的任何其他半导体器件，该pwm驱动控制可以构建受控的双向ac半导体开关器件。此外，有或没有整流器的业内使用的其他半导体交流开关配置和器件，如背对背或反向并联scr、gto、igbt、rb-igbt、mosfet、任何其他背对背或反向-并联双向ac半导体器件或配置、或将来的任何其他类似的新半导体器件（例如但不限于gan、sic），是本发明的一些替代实施方式。

尽管这里仅描述了单相电气系统，但是，通过利用和互联多个hfac串联降压拓扑结构、hf串联升压拓扑结构、或组合的hf串联降压-升压型拓扑结构，以用于全hfac自动电压控制部分或单元来创建多相电压调节器，本发明的原理可以应用于其他ac频率和多相ac系统，例如，通用的三相电气系统。由于这些hf串联电压部分可以独立控制，因此它们也可以设计为用于电压平衡配置，以重新平衡失衡的多相电压。

图4所示hf降压-升压型ac串联电压调节器利用hf（例如1khz–1,000khz）功率电感器l3并结合ac双向半导体开关s1和s2来降低ac输入电压，以及利用hf功率电感器l4结合ac双向半导体开关s3和s4来升高ac输入电压。ac双向半导体开关s1、s2、s3和s4由电子控制电路的pwm输出分别驱动，以创建能够降低（降压）或升高（升压）ac输入电压的自动电压控制拓扑结构，借此调节ac输出电压至设定的所需电平。这种设计是功率流双向且直接单极，并且没有内部dc链接电容器（其通常为不可靠的电解电容器）。

在其他实施方式中，降压拓扑结构和升压拓扑结构可以分别工作。连同图4所示的组合的hf降压-升压型ac串联电压调节器拓扑结构，任一这些拓扑结构根据ac输入电压的范围和变化，只需要处理总输出功率的一部分。

在每个hfpwm间隔，例如25khz处的40微秒pwm间隔，在hf开关pwm控制下，输入电压降压（降低）或升压（增加），其在主电源低频（通常为50hz或60hz）上的每个hf点产生正确pwm驱动信号给双向ac半导体开关，以降低或升高及校正ac输出电压电平至馈送到控制电子器件的所期望的设定的ac输出电压基准。

其他实施方式包括能够产生如上所述的所期望的效果的各种滤波器配置，其中，一种输入滤波器配置用于消除进入输入ac主电源的高频开关脉冲，一种输出滤波器配置用于消除来自ac输出电压的高频开关脉冲。另外的其他实施方式包括ac输出电压反馈回路和控制电子器件，用于调节输出电压，以满足均方根（rms）的ac输出电压规格，优选的实施方式满足平均电压，或ac输出电压的峰值电压电平。

另外，hfac串联降压-升压型ac电压调节器以及独立的降压-升压部分（如果单独使用）只需要分别处理降压和升压电感l3、l4上的差分功率，以将变化的ac输入电压调节至设定且调节的ac输出电压；因此，由于此配置，功率远低于总输出功率。降压和升压电感l3、l4只需处理调节差分ac输入电压所需的总功率的一部分，以调节ac输出电压至所期望的设定电平。