CN101860254A

CN101860254A - 用于为消费电子设备供电的交通工具逆变器

Info

Publication number: CN101860254A
Application number: CN201010138991A
Authority: CN
Inventors: 锋泰·黄; 理查德·哈姆珀
Original assignee: Lear Corp
Current assignee: Lear Corp
Priority date: 2009-04-08
Filing date: 2010-03-19
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2030-03-19
Also published as: US20100259098A1; US8085565B2; DE102010001770A1; CN101860254B

Abstract

一种用于将直流电源逆变成交流电源的逆变器，所述直流电源例如但不限于一般被使用在交通工具电源系统中的类型，所述交流电源例如但不限于一般用来为消费电子设备供电的类型。该逆变器可以被配置成将初级和次级电气地隔离开，而不要求分离初级电源和次级电源。

Description

用于为消费电子设备供电的交通工具逆变器

发明领域

本发明涉及可操作将低压直流电源逆变成交流电源的类型的逆变器，所述直流电源例如但不限于一般使用在交通工具电源系统中的类型，所述交流电源足够为消费电子设备供电。

背景技术

在近些年，用于交通工具中的消费电子设备的120Vac/230Vac电源已经变成汽车工业中的基础特征。在一些应用中，120Vac/230Vac供电的电源来自12Vdc交通工具蓄电池。通常12Vdc被首先升压到更高电平直流电压，例如170Vdc/340Vdc，然后其逆变成经修正的正弦波交流电压。这种120Vac/230Vac电源的额定功率可以达到一千瓦。图1中所示为用于逆变器100的典型电路配置。

在图1中，升压转换器102被显示为推挽式转换器，具有全桥整流器或中央抽头整流器104之一，并且输出逆变器106被显示为H桥。转换器102和逆变器106各自包含开关器件108、110，这些开关器件必须以适合升压和逆变直流供电112的方式被选择性地激活和去激活。分离的推挽式控制器和H型桥式控制器114、116可以用来输出时变信号，以选择性地激活和去激活转换器102和逆变器106的开关器件108、110。这些时变信号可以被输送给驱动电路120、122，这些驱动电路依次协调开关器件108、110中被选择的一个或多个的激活和去激活。

重要地，两个分离的辅助电源126、128被各自用于控制器114、116。其中一个电源126是电压调节器例如线性调节器，该调节器将蓄电池电压调节为适合用于为控制器114和驱动器120供电的电压。其中另一个电源128是隔离式开关模式电源(SMPS)，该SMPS将逆变器的第二级从初级隔离开。还可以包含一个电力变压器(未示出)，以促进将提供到栅极驱动器122和控制器116的电源相对于提供到初级的电源电气地隔离开。

使用SMPS 128将初级从次级电气地隔离开，这有利于防止较高压次级受初级操作的干扰。然而由于使用了像电力变压器一样具有较大额定功率的组件，设计的隔离式SMPS尺寸大并且相对昂贵。

附图简述

本发明用附加权利要求中的特性指出。然而，通过连同附图一起参考以下详细描述，本发明的其他特征将变得更明白，并且本发明将被最好地理解，其中：

图1示出具有隔离的初级电源和次级电源的逆变器；

图2示出根据本发明中的一个非限制方面被配置以支持将直流电源逆变为交流电源的逆变器；

图3示出根据本发明中的一个非限制方面被配置的次级控制器和信号转换器；以及

图4示出根据本发明中的一个非限制方面作为经修正正弦波输出的交流信号。

优选实施方式的详述

图2示出根据本发明中的一个非限制方面被配置以支持将直流电源逆变为交流电源的逆变器10。该逆变器10可以包含在外壳12内，以促进将交通工具直流电源逆变成适合于为消费电子设备供电的交流电源，所述外壳12被装在交通工具(未示出)内，所述交通工具直流电源例如但不限于由交通工具蓄电池来提供，所述消费电子设备例如但不限于那些一般插在家中壁装电源插座上或者那些以50/60Hz频率的120/230Vac电压来产生动力电子设备。本发明考虑了一种需要，即支持相对低功率消费设备的操作，所述消费设备在使用了逆变器10的交通工具内，该设备例如但不限于要求功率高达1kW的设备。

逆变器10可以包含初级14和次级15。初级14可以包含的组件和特征适合于促进直流电源的升压，所述直流电源由交通工具蓄电池提供。次级15可以包含的组件和特征适合于将直流电源逆变为交流电源。出于举例的目的，初级14可以包含多个开关器件16、18和变压器20，所述组件和变压器以推挽式配置被布置以促进升压由蓄电池所提供的直流电源。然而，本发明无意于被限制在被示出的布置中，并且本发明全面地考虑了任何其他配置例如但不限于半桥和全桥转换器。

来自变压器20的被升压的交流输出可以在输出到次级之前被传递到整流器22。整流器22可以是可开关整流器，这是因为该整流器能够随着开关28的活动在变压器中央抽头位置24和非中央抽头位置26之间进行切换。在非中央抽头位置26，以全波桥式配置所布置的多个二极管D1、D2、D3和D4可以连接到变压器20输出的两个末端，使得整流器22的输出接近230Vdc。在中央抽头位置24，仅仅有二极管D1和D2被激活，二极管D3和D4则在反向阻断状态(浮动状态)下，这有效地导致整流器22以中央抽头配置被布置。中央抽头配置将整流器22的全波输出减半，使得有近似120Vdc的电压被提供到次级15。

开关控制器(未示出)可以用来使开关28活动在中央抽头和非中央抽头位置24、26之间。控制初级14的电压输出的能力会有益于支持各种电子设备的操作需求。从制造的角度来看这可能也是有帮助的，因为允许了交通工具制造商购买本发明的逆变器10用于交通工具，所述交通工具出售在美国和欧洲，或者具有相类似电源需求的其他地方，而不必建造或支持不同逆变器系统的制造厂。

本发明的逆变器10能够用在具有不同电源需求的地方，如下面以更多细节描述的，这是通过简单地调整开关28的位置，以及实现对交流输出进行受软件控制的频率调整。重要地是，能够不必替换硬件就做出这些调整。虽然上文的例子用关于以50Hz频率的120Vac电压和以60Hz频率的230Vac电压之间的切换来描述，本发明全面地考虑选择组件值以支持任何交流输出电压和频率。本发明的逆变器10可以是相对灵活的逆变器，该逆变器有能力切换其交流输出而不对制造商产生过多的需求。

切换交流输出的能力能够通过用开关控制器(未示出)控制开关128的定位来促进。该开关控制器可以是交通工具系统控制器，或者可以被包含在逆变器10的其他控制器中的一个之中。逆变器10可以包含初级控制器40和次级控制器42，这些控制器与开关控制器一致地操作以促进由本发明所考虑的逆变。更详细地，初级和次级控制器40、42可以被配置成控制对初级和次级14、15的切换操作，以便促进所提供直流电压的升压，以及其随后逆变到期望的交流输出。

电压调节器46可以用来给初级和次级控制器40、42中的每一个供电。电压调节器46可以是线性调节器或者其他调节器，所述调节器具有的配置适合于向控制器40、42提供实质上恒定的电压。依赖于控制器的操作需求，图2中所示调节器46可以被配置成向控制器40、42输出5或12V的电压，包含从相同或不同的输出向控制器40、42提供相同或不同的电压的能力。由调节器46执行的调节对控制器40、42两者是共同的，使得这些控制器被电气地连结到一起。

不像图1中所示的布置，其中控制器114、116通过使用开关模式电源128被电气地隔离，该开关模式电源128从126隔离开，而本发明的控制器40、42没有被电气地隔离。

虽然初级和次级控制器40、42被电气地耦合，控制器40、42不需要是相同的控制器类型。例如，初级控制器40可以根据初级14的操作要求被配置成控制开关器件16、18，同时次级控制器42可以不同的方式被配置成支持次级15的操作需求。初级控制器14可以包含信号生成器(未示出)，该信号生成器向栅极驱动器50输出时变信号48。该控制信号48可以是标称电压和电流，否则该控制信号不足以为栅极驱动器50或开关16、18供电。栅极驱动器50可以使用控制信号48以协调开关器件16、18的激活和去激活。而电压调节器46可以被配置成提供由栅极驱动器和开关器件所要求的电源，出于举例的目的，被显示为5或12V的信号54。

以这种方式，初级14的栅极驱动器50要求电源和控制信号48、54，以便促进正确控制初级开关器件16、18。次级15的栅极驱动器60要求相类似的电源和控制信号62、64以控制次级15的开关器件T1、T2、T3、T4。为了将次级15的电源和控制信号62、64与次级14的电源和控制信号电气地隔离开，本发明依靠次级控制器42向信号转换器68输出调频信号66。然后信号转换器68无源地转换调频信号66，以生成由栅极驱动器60所要求的电源和控制信号62、64。信号转换器68配置成将次级栅极驱动器60所使用的电源和控制信号62、64与初级栅极控制器50所使用的相类似控制信号48、54电气地隔离开。

图3示出根据本发明中的一个非限制方面来配置次级控制器42和信号转换器68，以促进生成由次级栅极驱动器60所要求的电源和控制信号62、64。因为期望用单相交流电源为消费设备供电，所以必须给次级栅极驱动器60提供时变控制信号64，该次级栅极驱动器能够依靠该时变控制信号来选择性地控制次级15的开关器件T1、T2、T3、T4，来形成输出的波形。出于举例的目的，所示次级15的逆变器70具有以H型桥式配置来布置的开关金属氧化物半导体场效应晶体管T1、T2、T3和T4。这样做仅仅是出于举例的目的，因为本发明全面地考虑其他逆变器配置的使用。

次级控制器42可以被配置成与信号转换器68配合操作，以提供由栅极驱动器60适当地控制开关T1、T2、T3、和T4所要求的时变信号64。为此目的，次级控制器42可以被配置成调频器，该调频器输出被选择频率以对交流输出整形。出于举例的目的，依赖于输出交流信号的期望波形，调频器以50kHz、100kHz和150kHz这三个频率中的一个输出。图4示出根据本发明中的一个非限制方面作为经修正正弦波输出的交流信号72。显示经修正的正弦波是出于举例目的，并且无意于限制本发明的范围和考虑-包含改善经修正的正弦波的其他波形能够被输出而不偏离本发明的范围和考虑。

如所示，正弦波72通常被构造为接连的正负循环74、76，它们都是以零交叉78开始和结束的。本发明考虑控制与这些循环相应的调频信号66的频率。具体地，该频率可以在所指出的频率之间切换，这依赖于正弦波72的当前循环74、76、78。例如，在正弦波72的正循环74期间，开关T1和T4可以被闭合而同时开关T2和T3被断开。随后，开关T1、T2、T3和T4可以被断开以促进零交叉78通向负循环76，该负循环76以开关T2和T3被闭合而同时开关T1和T4保持断开来开始。

本发明考虑以无源的方式控制开关器件T1、T2、T3和T4，这是通过简单地变化从控制器42向信号转换器68输出的调频信号66的频率，例如可通过将循环74、76、78中的每个部分分配到50kHz、100kHz、和150kHz调制信号中的一个。信号转换器68可以包含低通滤波器82和高通滤波器84以过滤调频信号，使得频率在通过相应的滤波器时，相关控制信号64仅仅被输出到开关T1、T2、T3、和T4。以这种方式，调频信号66能够被改变来确保信号仅仅通过与待被激活和去激活的开关T1、T2、T3、T4相关的滤波器82、84。

以图3中所示布置，每当高通和低通滤波器82、84防止输出被过滤信号64时，开关T1、T2、T3、和T4被去激活。信号转换器68还包含信号变压器86，以将信号转换器68与次级控制器42电气地隔离开。因为信号变压器86比SMPS中所使用的变压器便宜，这以有成本效益的方式提供了所期望的第一和第二级14、15的电气隔离。此外，通过信号变压器86执行的相对较低的功率传输能够帮助进一步限制信号转换器68的尺寸和成本。

除信号输出之外，信号转换器68还包含电源输出88，所述信号输出用来分别激活开关T1与T4以及开关T2与T3。电源输出88可以用整流器部分40来生成，该整流器部分40被配置成使在信号变压器86的输出侧的交流信号平滑成12V直流供电。电源88能够提供由栅极驱动器60所要求的电源以促进期望的开关操作。以这种方式，信号转换器68仅仅包含无源组件，以将来自控制器42的调频信号66输出转换成栅极驱动器60控制开关T1、T2、T3、和T4的激活和去激活所需的电源和控制信号62、64。

如上面所指出的，逆变器10可以包含开关28以促进在120V和230V交流输出之间进行切换。这个输出的频率能够通过次级控制器42来控制，所述次级控制器42选择性地调整开关T1、T2、T3、和T4被激活和不被激活的时间周期。换句话说，为了将50Hz输出切换为60Hz输出，次级控制器42仅仅需要对交流工作周期的正部分和负部分的持续时间做出微小的修正。这能够通过对调频信号66进行软件控制而不做任何硬件修正来完成。这允许本发明轻易地向在美国和欧洲的消费电子产品提供交流电源。可选择地，次级控制器42可以被配置成响应于开关28是在中央抽头位置24还是在非中央抽头位置26而自动地设置调频信号。

如上面所支持的，随着对于减小成本的需求日益增长，汽车制造商可能不得不对于不同的系统，例如120Vac和230Vac的系统来统一他们的设计，并且最小化他们的设计以减小设计的、制造的、以及组件的成本。本发明中的至少一个非限制方面描述了可配置用于120Vac和230Vac系统的统一设计。本发明还描述了简化的逆变器控制方法，该方法不要求有用于其逆变器控制器的隔离式开关模式电源。通过本发明所考虑的配置能够用任何实际装置，例如跳线和机械开关来实现。通过向左转动图2中所示的通用输出跳线箱中的开关，将输出配置到120Vac。同样地，通过向右转动开关，将输出配置到230Vac。当输出被配置成120Vac时，两个二极管D3和D4未被装载。直流侧电容(DC link capacitor)C的大小能够定为250V。逆变器开关T1、T4能够为额定250V。如果输出被配置在230Vac，则两个二极管D3和D4将被装载。则直流侧电容和逆变器开关可以为额定350V。

基于由逆变器栅极驱动电路所要求的电量可削减隔离式开关模式电源。由于逆变器在50Hz/60Hz切换。所要求电力非常小。可以使用标准栅极驱动脉冲变压器。这种脉冲变压器能够执行两个功能-为栅极驱动电路提供电源和以调频信号的形式传送栅极驱动开关信号。如所指出的，调频(FM)脉冲生成器能够用来生成开关信号以控制H型桥式逆变器开关器件的栅极。FM信号可被设计成，当没有所要求的开关信号时，脉冲生成器生成100kHz的脉冲。当要求用于T1和T4的开关信号时，生成器生成50kHz的脉冲。150kHz的被生成用于T2和T3。在脉冲变压器的输出上，随着开关信号的存在与否，可获得经整流的12Vdc电压。低通滤波器(LPF)的输出提供用于开关T1和T4的信号。高通滤波器(HPF)的输出提供用于开关T2和T3的信号。由于滤波器的原因而出现的相位延迟能够通过增加或减少两个滤波器之间对于在H型桥式控制器内调频脉冲生成器中的命令信号的相位延迟差来补偿。一旦栅极驱动供电和信号可用时，H型桥式栅极驱动的实现能够用任何存在的拓扑结构来实现。

虽然此处公开了本发明被要求的和详细的实施方式；然而要理解的是，所公开实施方式仅仅是本发明的示例，而本发明可以各种不同形式或可选择形式来实施。附图不必按比例绘制，一些特征可能被放大或缩小以显示特殊组件的细节。因此，此处所公开的特定结构的和功能的细节不作为限制性的解释，而仅仅作为用于权利要求的代表性基础，和/或作为用于教导本领域中的技术人员各种不同地使用本发明的代表性基础。各种不同的实施方式实现的特征能够被结合以形成本发明的另一些实施方式。

虽然本发明的实施方式已经被示出和描述，但无意于用这些实施方式示出和描述本发明的所有有可能的形式。相反，说明书中所使用的词语是描述性的词语而不是限制性的，并且要理解的是，可以在不偏离本发明精神和范围的情况下做出各种不同的改变。

Claims

1.一种用在具有直流电源的交通工具中的逆变器，所述逆变器包括：

初级，该初级具有开关器件，该开关器件可操作来响应于初级控制信号而将所述直流电源的第一直流输出升压到第二直流输出；

次级，该次级具有开关器件，该开关器件可操作来响应于次级控制信号而将所述第二直流输出逆变成交流输出；

初级控制器，该初级控制器被配置成输出所述初级控制信号，所述初级控制信号被用来控制所述初级的开关器件以将所述第一直流输出升压到所述第二直流输出；

次级控制器，该次级控制器被配置成输出调频信号，该调频信号代表控制所述次级的开关器件以将所述第二直流输出逆变成所述交流输出所需的所述次级控制信号；

信号转换器，该信号转换器被配置成将所述调频信号转换成所述次级控制信号，所述次级控制信号被用来控制所述次级的开关器件以将所述第二直流输出逆变成所述交流输出；以及

调节器，该调节器被配置成使用所述直流电源的所述第一直流输出为所述初级和所述次级两者供电。

2.如权利要求1所述的逆变器，其中所述调节器被配置成将所述第一直流输出调节到第一级直流输出用于为所述初级控制器供电，并且将所述第一直流输出调节到第二级直流输出用于给所述次级控制器供电。

3.如权利要求1所述的逆变器，其中所述信号转换器包括变压器、整流器和滤波器。

4.如权利要求3所述的逆变器，其中所述滤波器包括高通滤波器(HPF)和低通滤波器(LPF)，所述低通滤波器和所述高通滤波器中的每一个分别被配置成响应于具有第一频率或第二频率的所述调频信号而选择性地激活所述开关器件中的一个或多个。

5.如权利要求4所述的逆变器，其中所述次级控制器还被配置成根据所述交流输出的期望特性而选择性地控制所述第一频率和所述第二频率的输出。

6.如权利要求5所述的逆变器，其中所述次级控制器还被配置成输出第三频率，以选择性地去激活所述次级的开关器件，以便防止输出所述交流输出。

7.如权利要求4所述的逆变器，其中所述第一频率近似50kHz，所述第二频率近似150kHz，并且所述第三频率近似100kHz。

8.如权利要求3所述的逆变器，其中所述信号转换器电气地连接在所述次级控制器和所述次级的开关器件之间，从而所述变压器将所述次级的开关器件与所述初级控制器和所述次级控制器电气地隔离开。

9.如权利要求1所述的逆变器，其中所述初级包括推挽式转换器、整流器、以及开关，所述开关可操作在中央抽头位置和非中央抽头位置之间，在所述中央抽头位置上所述整流器充当中央抽头整流器，在所述非中央抽头位置上所述整流器充当桥式整流器。

10.如权利要求1所述的逆变器，其中所述初级包括具有四个二极管和一开关的整流器，其中所述二极管以桥式配置来布置，并且所述开关可操作在中央抽头位置和非中央抽头位置之间，所述中央抽头位置相应于所述二级管中的两个二极管的正极处于浮动状态，而所述非中央抽头位置相应于所述二极管中的所述两个二极管的正极连接到H桥的参考地。

11.如权利要求1所述的逆变器，其中所述初级包括具有多个二极管和一开关的整流器，其中所述多个二极管以桥式配置来布置，并且所述开关可操作在中央抽头位置和非中央抽头位置之间，所述中央抽头位置相应于所述二级管中的至少第一部分的正极处于浮动状态，而所述非中央抽头位置相应于所述二极管中的至少所述第一部分的正极连接到所述变压器末端。

12.一种用在具有直流电源的交通工具中的逆变器，所述逆变器包括：

初级控制器，该初级控制器被配置成输出所述初级控制信号；

次级控制器，该次级控制器被配置成输出代表所述次级控制信号的、频率超出200Hz的调频信号；以及

信号转换器，该信号转换器被配置成将所述调频信号转换成所述次级控制信号，所述信号转换器还被配置成输出频率小于200Hz的所述次级控制信号。

13.如权利要求12所述的逆变器，该逆变器还包括调节器，所述调节器被配置成将所述第一直流输出调节为控制输出，用于直接给所述初级控制器和所述次级控制器这两者供电。

14.如权利要求13所述的逆变器，其中所述信号转换器连接在所述次级控制器和所述次级的开关器件之间，并且所述信号转换器包括变压器，以将所述次级的开关器件与所述次级控制器电气地隔离开。

15.如权利要求12所述的逆变器，其中所述初级包括推挽式转换器、整流器、以及开关，所述开关可操作在中央抽头位置和非中央抽头位置之间，在所述中央抽头位置上所述整流器充当中央抽头整流器，在所述非中央抽头位置上所述整流器充当桥式整流器。

16.一种用在具有直流电源的交通工具中的逆变器，所述逆变器包括：

初级，该初级具有开关器件，所述开关器件选择性地在被激活状态和不被激活的状态之间操作，以将所述直流电源的第一直流输出升压到第二直流输出；

次级，该次级具有开关器件，所述开关器件选择性地在被激活状态和不被激活的状态之间操作，以将所述第二直流输出逆变成交流输出；

初级控制器，该初级控制器被配置成输出初级控制信号，所述初级控制信号被用来选择性地使所述开关器件操作在所需的被激活状态和不被激活的状态之间，以将所述直流电源的所述第一直流输出升压到所述第二直流输出；

次级控制器，该次级控制器被配置成输出代表次级控制信号的调频信号，需要所述次级控制信号来选择性地使所述开关器件操作在所需的被激活状态和不被激活的状态之间，以将所述第二直流输出逆变成所述交流输出；

其中所述次级控制器将所述调频信号的输出频率在第一频率、第二频率和第三频率之间进行切换，以对所述交流输出整形，所述第一频率在所述交流输出的正部分期间被输出，所述第二频率在所述交流输出的负部分期间被输出，并且所述第三频率在正循环和负循环之间的零交叉期间被输出；以及

信号转换器，该信号转换器被配置成接收所述调频信号并且无源地将所述调频信号转换成所述次级控制信号，根据所述调频信号是否处在所述第一频率、所述第二频率和所述第三频率，所述次级控制信号被用来选择性地激活和去激活所述次级的开关器件中的每一个。

17.如权利要求16所述的逆变器，该逆变器还包括调节器，所述调节器被配置成将所述第一直流输出调节为控制输出，所述控制输出适合于给所述初级控制器和所述次级控制器这两者供电。

18.如权利要求17所述的逆变器，其中所述信号转换器连接在所述次级控制器和所述次级的开关器件之间，并且所述信号转换器包括变压器，以将所述次级的开关器件与所述次级控制器电气地隔离开。

19.如权利要求16所述的逆变器，其中所述初级包括推挽式转换器、整流器、以及开关，所述开关可操作在中央抽头位置和非中央抽头位置之间，在所述中央抽头位置上所述整流器充当中央抽头整流器，在所述非中央抽头位置上所述整流器充当桥式整流器。

20.如权利要求16所述的逆变器，其中所述调频信号是大于200Hz的，并且所述次级控制信号是小于200Hz的。