CN105659486B

CN105659486B - 功率转换设备

Info

Publication number: CN105659486B
Application number: CN201480055220.2A
Authority: CN
Inventors: J·E·D·赫维茨; S·A·A·达内斯; W·M·J·霍兰德
Original assignee: Analog Devices Technology
Current assignee: Analog Devices Global ULC; Analog Devices International ULC
Priority date: 2013-08-22
Filing date: 2014-08-22
Publication date: 2019-05-31
Anticipated expiration: 2034-08-22
Also published as: CN105659486A; GB201315061D0; EP3036825B1; WO2015025121A2; US9941812B2; US20160197563A1; WO2015025121A3; EP3036825A2

Abstract

本发明涉及配置为在输入端(42、44)接收高压交流(AC)信号并据此从输出级(58、60)提供低压直流(DC)信号的功率转换设备(40)。功率转换设备(40)包括主要通路，其包括与输入端串联的高压电容器(46)。功率转换设备(40)还包括第一通路，其可操作以在高压交流信号的正走向部分和负走向部分的至少之一中承载主要通路所承载的电流，以及第二通路，其可操作以在高压交流信号的正走向部分和负走向部分承载主要通路所承载的电流。功率转换设备还包括第一和第二开关(52、54)，其可操作以确定相应的第一和第二通路之一何时承载电流。在功率转换设备中，输出级(58、60)接收在第一通路中流动的电流，并且第一和第二开关(52、54)的至少之一能够依据从低压直流信号得到的控制信号来操作。

Description

功率转换设备

技术领域

本发明涉及功率转换设备，该设备配置成在输入端接收交流信号并据此从输出级提供直流信号。本发明也涉及包括多个这样的功率转换设备的功率转换布置。

背景技术

电子设备通常从市电电源获得供电。这样的电子设备包括功率转换设备，其可操作以将高压交流(AC)电源转换为低压直流(DC)电源。根据功率转换设备是否包括变压器可以认为功率转换设备属于两种不同类型之一。变压器提供隔离和相对无损的电压电平转换以及其它作用，但另一方面它们通常是大、重而贵的。无变压器的功率转换设备相对便宜而小，但是限制于低功率应用并且通常限制为小于40mW的直流输出功率。目前无变压器的功率转换设备主要用于可在市电侧操作的AC供电的应用中，例如在量电计、剩余电流检测器、家用控制和监控、PIR控制的外部灯和火警报警器中。

可以认为无变压器的功率转换设备属于两种类型之一，即电阻式的无变压器的功率转换设备和电容式的无变压器的功率转换设备。电阻式的无变压器的功率转换设备通常浪费功率，因而仅限于少数低功率应用。电容式的无变压器的功率转换设备比电阻式的无变压器的功率转换设备浪费功率少，但仍可能浪费输出功率的十到二十倍的功率。

图1中示出了电容式的无变压器的功率转换设备10的一个简单表示。功率转换设备10包括分别连接到例如240V AC电源的电力供应的火线和零线导体的火线连接12和零线连接14。第一电容器16和电阻器18与火线连接串联。第一电容器16是为了保障电源电压电平的安全而设计的X型电容器。电阻器18是为了在功率转换设备在市电周期上并非过零点的一点或者在市电涌浪(surge)事件中连接到市电时限制到第一电容器16的浪涌(inrush)电流而存在。功率转换设备10还包括与第一电容器16和电阻器18串联的二极管20，二极管20被定向为使得其阳极与电阻器18电连接。功率转换设备10还包括齐纳(Zener)二极管22和保持电容器24。齐纳二极管22的阴极电连接在电阻器18和二极管20之间，而齐纳二极管22的阳极电连接到零线连接14。保持电容器24电连接在二极管20的阴极和零线连接之间。功率转换设备10还包括在保持电容器24靠二极管20一侧的正电压输出连接26以及在保持电容器24靠零线一侧的低电压输出连接28。正电压输出连接和低电压输出连接26、28构成从功率转换设备10的输出。齐纳二极管22的击穿电压减去在二极管20两端的压降决定了保持电容器24两端之间的电压以及由此决定了从功率转换设备10的输出电压。

本发明人认识到图1中的功率转换设备中的齐纳二极管22无论功率转换设备的功率输出如何均带来相同的功率消耗。这是由于消耗的功率包括被齐纳管分流而未被负载使用的功率。当功率转换设备在满负载条件下操作时获得最大功率转换效率，同时随着负载降低功率转换效率逐渐降低。本发明人也认识到功率转换设备的功率转换效率受到浪涌电流限制电阻器18所消耗的功率和齐纳二极管22两端无论负载条件如何都有的压降的连累。电阻器18消耗的功率是第一电容器16的电抗和电阻器18的电阻的函数。

已在上述认识的启示下构想了本发明。因此本发明的目的是提供配置成在输入端接收高压交流信号并据此从输出级提供低压直流信号的改进的功率转换设备。本发明的进一步目的是提供包括多个这样的功率转换设备的改进的功率转换布置。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了功率转换设备，该设备配置成在输入端接收高压交流信号并据此从输出级提供低压直流信号，该功率转换设备包括：

主要通路，其包括与输入端串联的高压电容器；

第一通路，其可操作以在高压交流信号的正走向部分和负走向部分至少之一承载主要通路所承载的电流；

第二通路，其可操作以在高压交流信号的正走向部分和负走向部分承载主要通路所承载的电流；以及

第一和第二开关，其可操作以确定相应的第一和第二通路之一何时承载电流，其中

输出级接收在第一通路中流动的电流，并且第一和第二开关至少之一依据从低压直流信号得到的控制信号来操作。

功率转换设备配置成在输入端接收高压交流(AC)信号，例如市电AC信号，并据此在输出级提供低压直流(DC)信号，例如电子电路电源。高压AC信号的峰值电压可以比低压DC信号的电压高。依据如下所述的功率转换设备的配置，第一通路可以操作以仅在高压AC信号的正走向部分承载电流，仅在高压AC信号的负走向部分承载电流或者在高压AC信号的正走向和负走向部分都承载电流。第二通路可以操作以在高压交流信号的正走向部分和负走向部分承载电流。功率转换设备可以配置成使得第二通路可操作以限制功率转换设备中的电压电平。第二通路从而可以操作以执行钳位操作。第一和第二开关可操作为基本上异相的，并且可以彼此异相，第一和第二开关凭此并不同时闭合。

功率转换设备可以配置成使得第一通路与输出级串联，并且第二通路与输出级并联。第二通路可以提供在功率转换设备的高压侧和功率转换设备的低压侧之间的导通。高压电容器可以与功率转换设备的输入端的高压侧串联。功率转换设备因而可依据第一和第二开关的操作来配置，如以下进一步所述，从而提供正的低压DC电源。功率转换设备的输出级从而可以参考功率转换设备的输入端的低压侧，例如在功率转换设备相对于零线在火线接收市电AC信号情况下的零线。根据一个可替代的方案，功率转换设备的输出级可以参考功率转换设备的输入端的低压侧，例如在功率转换设备相对于火线在零线接收市电AC信号的情况下的火线。根据一个可替代的方案，高压电容器可以与功率转换设备的输入端的低压侧串联，功率转换设备凭此依据第一和第二开关的操作以配置，如以下进一步所述，从而提供负的低压DC电源。功率转换设备的输出级从而可以参考功率转换设备的输入端的高压侧，例如在功率转换设备相对于零线在火线接收市电AC信号情况下的火线。根据一个可替代的方案，功率转换设备的输出级可以参考功率转换设备的输入端的高压侧，例如在功率转换设备相对于火线在火线接收市电AC信号的情况下的零线。

第一通路可以包括第一开关。第一开关可以串联在功率转换设备的输入端和功率转换设备的输出级之间，例如在功率转换设备的高压侧。第二通路可以包括第二开关。第二开关可以与功率转换设备的输入端的高压侧和低压侧并联。第一和第二开关的至少一个可以依据频率高于高压AC信号的频率的控制信号来操作。

输出级可以配置成接有负载。负载因而可在使用中从功率转换设备接收DC功率。输出级可以配置使得其包括高压侧输出导体和低压侧输出导体。功率转换设备可以包括保持电容器，保持电容器与输出级并联电耦接，例如在高压侧输出导体和低压侧输出导体之间。在功率转换设备操作期间，保持电容器可以由在第一通路中流动的电流充电并由此作为贮存器操作以符合来自连接到输出级的负载的功率要求。在功率转换设备如下所述的一些形式中，保持电容器的值可以比在已知的电路中需要的小，并且在特定应用中可以是并不需要的。

第一个和第二通路每个都可以操作以在比高压AC信号的一个周期内的全部正走向部分或负走向部分少的部分中承载电流。第一或第二通路从而可以操作以在正走向部分或负走向部分的至少一部分(优选为多个部分)中承载电流。例如通路可以操作以在构成完整的正走向或负走向部分的25％的部分中承载电流，并且可以在其中高压AC信号的变化速率最大的部分期间承载电流。可替代地，第一和第二通路的至少一个(具体为第二通路)可以操作以在至少一个周期并且可以在多个周期承载电流。例如在负载要求低并且功率转换设备包括保持电容器的情况中，可以不需要在高压AC信号的多个完整周期上使保持电容器再充电。第一和第二通路的至少一个(更具体地为第一通路)可以不操作为在每个正走向部分或负走向部分都承载电流。例如以下进一步所述，第二通路可以操作以在需要钳位操作时在间歇的基础上承载电流。通过另一个示例，第一通路可以操作以在输出级需要电流时在间歇的基础上承载电流，例如用于顾及负载要求而维持保持电容器上的电荷水平。而且，功率转换设备可以操作以使得第一和第二通路在高压AC信号的周期的一部分期间都不承载电流从而保持电流转换设备的当前状态。更具体地，至少满足一个：第二开关可以在第一开关闭合之前打开；第一开关可以在第二开关闭合前打开。将第一和第二通路提供为在周期的一部分期间都不承载电流可以在功率转换设备中包括保持电容器的情况中避免第二开关的闭合使保持电容器放电。另一方面，周期内第一和第二通路都不承载电流的部分可以具有有限的持续时间以限制高压电容器的低压侧的电压偏向高压电容器的高压侧的电压的程度。在特定形式中，第一和第二开关可以短暂地同时闭合，高压电容器凭此被加载。高压电容器上的电压偏置从而可被解决。

第一和第二开关至少一个的每一个可以包括两个触点和一个控制输入端，在控制输入端的电压电平的改变可操作以在两个触点间导通和两个触点间不导通之间变换。功率转换设备可以配置使得控制信号应用到开关的控制输入端。开关可以包括至少一个具有控制输入的有源装置。更具体地，开关可以包括至少一个晶体管，例如一对背靠背配置的MOSFET。可替代地，开关可以包括单个MOSFET，该单个MOSFET由合适的半导体工艺形成，使得该MOSFET能够支持功率转换设备中存在的最高电压。因而功率转换设备至少部分可以以CMOS集成电路构建。至少一个晶体管可以包括在阱中，该阱的电压偏置在操作期间可改变以处理增大的电压范围。功率转换设备可以包括与至少一个晶体管串联为级联的保护装置，例如MOSFET。功率转换设备可以包括与至少一个晶体管并联的保护装置，例如基或阱的寄生二极管。这样的开关通常具有比基于二极管或齐纳二极管的这类开关更低的压降，例如小于100mV。

如上面指明的，第一和第二开关的至少一个依据从低压DC信号得到的控制信号来操作。功率转换设备因而还包括开关控制电路，其操作以依据关于功率转换设备中的至少一个信号的状态所做出的确定来生成至少一个控制信号。开关控制电路可以配置成测量电流转换设备中电压和电流的至少一个。开关控制电路还可以进一步配置成将测量值与参考值比较并依据该比较生成控制信号。根据一个方案，开关控制电路可以操作以测量第二开关两端的电压。根据另一个方案，开关控制电路可以操作以测量第一开关两端的电压。根据又一个方案，开关控制电路可以操作以测量第二通路中的电流的流向。根据另一个方案，开关控制电路可以操作以例如通过分压器的方式测量输入端两端(如在火线和零线之间)的电压。这些方案的每一个都可以允许确定高压AC信号的周期的特征，例如关于周期何时处于正走向部分或负走向部分。开关控制电路可以操作以确定开关何时打开和闭合。开关控制电路可以配置成测量在输出级的电压，以将测得的电压与参考值比较并依据该比较确定开关工作周期和开关状态的至少一个。比较可以涉及迟滞，以纹波作为折衷(trade-off)来改进稳定性或减少开关频率。开关控制电路因而可操作以将输出级的电压控制到期望的电平并且在期望的纹波范围内。

功率转换设备可以配置成使得第二开关依据从低压DC电流信号得到的控制信号来操作。与齐纳二极管等相比，当负载抽取少于在输出级的最大可用功率时通过允许依据负载要求控制第二开关，第二开关以这种方式的操作可以提供改善效率的优势。控制第一和第二开关的至少一个的能力和对高压AC信号的阶段的识别可以允许将低压DC信号调节至有利的效果。例如可以实行控制来提升低压DC信号的电平以允许保持电容器的尺寸减少。作为进一步示例，可以实行控制来提升低压直流信号的电平以考虑充电的可用性最小或为零的时期(即处于死区)，例如在高压AC信号的峰值或谷值之处或附近。低压DC信号的电平可以仅被提升相对短的时期，升高的电平凭此可以使得功率转换设备的寿命需求仍旧被满足。提升的低压DC信号可以让保持电容器能在死区期间继续传送功率并使得低压DC信号的电平不下降得太低。

在第一实施例中，功率转换设备可以配置成，依据第一开关何时操作使得第一通路仅在高压AC信号的正走向和负走向部分之一承载电流。更具体地，第一通路可以仅在高压AC信号的正走向和负走向部分中的正走向部分承载电流。此外功率转换设备可以配置成，依据第二开关何时操作使得第二通路在高压AC信号的负走向和正走向部分承载电流。当第一通路仅在高压AC信号的正走向部分承载电流时，功率转换设备可以配置成使得第二通路在高压AC信号的负走向承载电流。当第一开关操作使得第一通路仅在正走向和负走向部分之一的一部分承载电流时，功率转换设备可以配置成使得第二通路在第一通路不承载电流时的正走向和负走向部分之一承载电流。当第一通路在正走向部分的一部分承载电流时，第二通路可以，例如，在正走向部分的另一部分以及在负走向部分承载电流。

在第一实施例中功率转换设备可以在第一通路仅包括一个开关(即第一开关)，并且在第二通路仅包括一个开关(即第二开关)。如以上指明的，第一和第二开关的至少之一可依据从低压DC电流信号得到的控制信号来操作。在第一形式中，第一开关可包括二极管。第一开关从而可以依据在二极管的阳极和阴极的电压电平而不依据控制信号来操作。二极管可以位于功率转换设备中来导通并从而提供在高压AC信号的正走向部分的至少一部分承载电流的第一通路。二极管的阳极的位置可以比二极管的阴极更靠近高压电容器。第二开关可以包括两个触点和一个控制输入端，并且在控制输入端的电压电平的改变可以操作以在两个触点间的导通和两个触点间的不导通之间变换。此外第二开关可以具有与上述相同的形式和功能。在第一实施例的第二形式中，第一和第二开关的每一个都可以各自包括两个触点和一个控制输入端，并且在控制输入端的电压电平的改变可以操作以在两个触点间的导通和两个触点间的不导通之间变换。此外第一和第二开关的每一个都可以具有与上述相同的形式和功能。由于低压DC信号的容差改善和第一开关两端的压降降低，其中第一和第二开关都可以依据控制信号来操作的功率转换设备可以使高压电容器的尺寸可观地减小。与已知的通常需要大于20％的容差的齐纳二极管和二极管电路相比，可以达到例如几个百分点的容差。

本发明者认识到在功率输出和效率上的进一步的改善可以通过使用高压AC信号的正走向部分和负走向部分而不是正走向和负走向部分之一来获得。因此依据第二实施例，功率转换设备可以配置成使得第一通路在正走向部分和负走向部分都承载电流。更具体地，功率转换设备可以包括中间能量存储元件和第三、第四和第五开关，其各自依据从低压直流电流信号得到的控制信号来操作。第三、第四和第五开关的每一个可以包括两个触点和一个控制输入端，同时在控制输入端的电压电平的改变可以操作以在两个触点间的导通和两个触点间的不导通之间变换。中间能量存储元件可以包括中间电容器和中间电感器之一。中间能量存储元件可以位于串联在高压电容器和输出级(例如在功率转换设备的高压侧)之间。

功率转换设备可以配置使得包括中间能量存储元件的第三通路可以在高压AC信号的正走向和负走向部分之一的第一部分期间承载电流。更具体地，中间能量存储元件可以在负走向部分期间存储电荷。第三开关的第一端可以连接到中间能量存储元件的第一端，并且第三开关的第二端可以连接到功率转换设备的低压侧，所述中间能量存储元件的第一端是中间能量存储元件的第一和第二端中更靠近输出级的一端。在中间能量存储元件是中间电容器的情况中，第四开关的第一端可以在连接到中间电容器的第二端，并且第四开关的第二端可以连接到功率转换设备的低压侧。在中间能量存储元件是中间电感器的情况中，第四开关的第一端可以连接到中间电感器的第二端，并且第四开关的第二端可以连接到输出级。第五开关的第一端可以连接到中间能量存储元件的第一端，并且第五开关的第二端可以连接到输出级。第五开关从而可以串联在中间能量存储元件和输出级之间。在功率转换设备包括保持电容器的情况中，保持电容器的一端可以连接到第五开关的第二端。第三通路可以在第一和第三开关闭合时承载电流，中间能量存储元件凭此存储从输入端接收到的能量。此后，在中间能量存储元件是中间电容器的情况中，第一和第三开关可以打开，并且第四和第五开关可以闭合，或者在中间能量存储元件是中间电感器的情况中，第三和第四开关可以闭合，电荷凭此从中间能量存储元件流向输出级。在功率转换设备包括保持电容器的情况中，电荷可以从中间能量存储元件流向保持电容器。第一、第三、第四和第五开关可以操作使得它们在周期的正走向和负走向部分之一期间都闭合并打开至少一次。更具体地，第一、第三、第四和第五开关的操作频率可以是高压AC信号的频率的至少10倍、100倍、1000倍、10000倍、100000倍或1000000倍。

功率转换设备还可以包括第六开关，第六开关的第一端连接到中间能量存储元件的第二端，并且第六开关的第二端连接到输出级，其中中间能量存储元件是中间电容器。在中间能量存储元件是中间电感器的情况中，第六开关的第一端连接到中间电感器的第二端，并且第六开关的第二端连接到功率转换设备的低压侧。在正走向和负走向部分中的另一个的期间，第一和第五开关可以闭合，中间能量存储元件凭此存储从输入端接收到的能量。在功率转换设备包括保持电容器的情况中，保持电容器也可以存储电荷。此后，在中间能量存储元件是中间电容器的情况中，第一和第五开关可以打开，并且第三和第六开关可以闭合级，或者在中间能量存储元件是中间电感器的情况中，第五和第六开关可以闭合，电荷凭此从中间能量存储元件流向输出级。在功率转换设备包括保持电容器的情况中，电荷可以从中间能量存储元件流向保持电容器。第一、第三、第五和第六开关可操作使得它们在周期的正走向和负走向部分中的另一个的期间都闭合并打开至少一次。更具体地，第一、第三、第五和第六开关的操作频率可以是高压AC信号的频率的至少10倍、100倍、1000倍、10000倍、100000倍或1000000倍。功率转换设备的效率取决于功率转换设备的输入端的功率消耗，所述功率消耗是高压电容器的电抗和浪涌电阻器(如果存在的话)的阻值以及第二开关两端的压降的函数。在本发明的第二实施例中，在电容的电抗和压降上的减少可以提供在效率上的显著改善。功率转换设备可以配置为例如当不需要使保持电容器充电时或者在死区时使得第二开关如上述操作。在特定情况下第二开关可以操作以在中间能量存储元件使保持电容器充电时箝住高压电容器的电压。

在中间能量存储元件是中间电容器的情况中，第一和第三到第六开关和中间电容器可以构成第一通路布置。在特定形式中，功率转换设备可以包括多个第一通路布置，例如两个第一通路布置。多个第一通路布置可以操作成彼此异相。依据第一方案，多个第一通路布置的每一个可以包括不同的保持电容器。功率转换设备从而可以包括多个第一通路布置，同时每个第一通路布置包括保持电容器。功率转换设备可以配置使得多个第一通路布置的每一个提供不同的低压DC信号。例如功率转换设备可以配置使得一个第一通路提供正的低压DC信号而另一个第二通路提供负的低压DC信号。依据第二方案，多个第一通路布置的每一个可以包括同一个保持电容器。多个第一通路布置从而可以操作以使一个保持电容器充电。具有多个这样的第一通路布置可以使功率更平滑地传送到保持电容器。通过对一个第一通路布置相对另一个第一通路布置的适合的调相控制，可以使在第一通路布置的高压电容器侧上的显著的电压电平变化最小化。

在中间能量存储元件是中间电感器的情况中，中间电感器和第一和第三到第六开关可以构成第一通路布置。在特定形式中，功率转换设备可以包括多个第一通路布置，例如两个第一通路布置。每个第一通路布置可以包括不同的中间电感器和第一和第三到第六开关中至少不同的第四和第五开关。多个第一通路布置可以操作成彼此异相。依据第一方案多个第一通路布置的每一个可以包括不同的保持电容器。功率转换设备从而可包括多个第一通路布置，同时每个第一通路布置包括保持电容器。功率转换设备可以配置使得多个第一通路布置的每一个提供不同的低压DC信号。依据第二方案多个第一通路布置的每一个可以包括同一个保持电容器。多个第一通路布置从而可以操作以使一个保持电容器充电。在一个形式中，多个第一通路布置的每一个可以包括不同的中间电感器和不同的第四和第五开关，而第一、第三和第六开关对于多个第一通路布置是共用的。在另一个形式中，多个第一通路布置可以包括不同的中间电感器以及不同的第一和第三到第六开关。第一通路布置的数目可以取决于在中间电感器的输入侧和在输出级的电压的低压侧之间的电压比值，同时该比值与输入级或输出级存在的纹波有关系。在比值较大的情况中，增加第一通路布置的数目可以减小纹波。

功率转换设备还可以包括DC-DC转换器，更具体地是低压DC-DC转换器。DC-DC转换器可以电耦接到输出级。DC-DC转换器可以配置成提供多个低压DC市电信号。在功率转换设备包括保持电容器的情况中，DC-DC转换器可操作以允许在功率转换设备的输出端的更大的纹波，凭此可以使用较低电容量的保持电容器。可替代地或附加地，功率转换设备还可以包括开关转换器。开关转换器可以电耦接到输出级。开关转换器可以配置成提供来自功率转换设备的降低的电压下的增大的电流。

功率转换设备可配置成确定高压AC信号的情况并依据确定的情况提供控制数据。更具体地，功率转换设备可配置成确定故障情况，例如掉电或减弱(sag)(即单相的幅值的缺失或减小)。功率转换设备可以包括可以耦接到负载的控制数据输出端，并且控制数据是可以在控制数据端得到的。从而可以依据控制数据来控制负载，例如以进入低功率消耗状态。可替代地或附加地，功率转换设备可配置成识别高压AC信号的周期的一部分并据此提供控制数据。例如功率转换设备可配置成识别周期的死区或者周期高速变化的时期。控制数据可以相应地配置使得当将其被提供给负载时，负载可操作以改变其功率需求。功率需求可以改变来例如开关负载中包含的继电器，或者从负载中包含的收发器发送一个数据包。

功率转换设备可配置成从负载接收控制数据并依据接收到的控制数据来控制其操作。当负载即将进入低功率状态或者即将增加抽取的功率水平时，控制数据可相应地配置使得功率转换设备被适当地控制。例如在负载即将进入低功率状态时，功率转换设备可操作以延迟或跳过从地线释放高压电容器。通过另一个示例以及在负载即将增加抽取的功率水平的情况中，功率转换设备可操作以增加保持电容器上的电荷水平。继电器或硅控整流器(SCR)的开关通常需要暂时提升功率。而且通常可以提前确定增加的功率水平。通常负载也知晓继电器或SCR即将被开关。功率转换设备从而可以操作以用相应于即将到来的功率需求增长的量使保持电容器充电，而保持电容器上过量的电荷在开关继电器或SCR不久之后被使用。继电器或SCR通常在高压AC信号的过零点附近开关。高压AC信号的过零点也是峰值水平的电流从功率转换设备的高压电容器传递出去的时刻。根据本发明的增加保持电容器上的电荷水平的方案从而在负载功率需求和功率发送能力的角度上可以是有益的。通过有线或无线媒介发送数据通常需要暂时提升功率。发送所需要的功率水平通常比接收所需要的功率水平高几倍，或者比空闲时所需要的功率水平高几个数量级。功率转换设备从而可以操作以用相应于即将到来的功率需求增长的量使保持电容器充电，而保持电容器上过量的电荷在数据发送不久之后被使用。在负载中包含的通讯电路与信标时刻对齐，而信标与高压AC信号的过零点对齐的情况中，保持电容器上的电荷的提升可以用于有益的作用。由于即将到来的功率需求增长是暂时的，可以在短时间内提升保持电容器上的电荷。许多可靠性标准在与时间有关的基准上限制操作电压电平，保持电容器上的电荷的暂时升高凭此在可靠性标准上具有最小化的负面效果。本方案可以提供暂时提高从功率转换设备抽取的功率水平，代价是低压DC信号中存在的纹波的水平增加。

功率转换设备可以包括通讯电路，所述通讯电路可操作以通过功率转换设备的输入端提供数据发送和接收中的至少一个。在功率转换设备的输入端耦接到市电电源的情况中，通讯电路可以提供发送数据给市电电源和从市电电源接受数据中的至少一个。通讯电路可以从低压DC信号获得供能。功率转换设备可配置成有选择地将通讯电路的输出端或通讯电路的输入端耦接到功率转换设备的一部分。更具体地，功率转换设备可配置成有选择地将通讯电路的输出端或通讯电路的输入端耦接到高压电容器的低压侧(或输出级侧)。功率转换设备可以包括通讯开关，其为本文其它地方描述的形式的可控开关。通讯开关可以在一端连接到通讯电路的输出端或通讯电路的输入端，并且可以在另一端连接到功率发生设备的一部分，例如到高压电容器的输出级侧。功率转换设备可以配置使得通讯开关在第一和第二开关打开时闭合。功率转换设备可以配置使得通讯电路可操作以在高压AC信号的过零点附近通讯。过零点是最大功率传输的时期，保持电容器在该处可易于充电。适合的通讯协议的示例是X10和双向混合通讯技术(Insteon)以及其它。

功率转换设备还可以包括浪涌电阻器。更具体地，浪涌电阻器可以置于与输入端串联，例如在输入端的高压侧。浪涌电阻器可以由高瓦特电阻器构建，并且可用于在功率设备被插接或在其遭受涌浪事件时限制电流。可替代地或附加地，功率转换设备还可以包括串联的负温度系数电阻或热敏电阻来使浪涌电流最小化，但是这样一来在功率转换设备在操作且温热的时候电流不受限制。可替代地或附加地，功率转换设备还可以包括跨接在高压电容器两端的放电电阻器。可替代地或附加地，功率转换设备还可以包括压敏电阻器，例如金属氧化物压敏电阻器，其连接在功率转换设备的高压侧和低压侧之间，同时压敏电阻器的一端连接在高压电容器的输出级侧，压敏电阻器凭此与第二通路并联。

高压AC信号的基本频率可以少于500Hz，例如用于家用市电的基本上是60Hz或者基本上是50Hz的频率，或者用于船或飞机上的市电的基本上是400Hz的频率。高压电容器可以具有不大于10pF、100pF、1nF、10nF、47nF、100nF、220nF、470nF、1μF、4.7μF或10μF的值。高压电容器可以是X或Y型电容器。高压电容器可以由寄生的形成。高压电容器可以包括多个串联的较低压电容器。高压AC信号可以是至少100V RMS、200V RMS、300V RMS或400V RMS。低压DC信号的电压可以不大于高压AC信号的峰值电压的一半。低压DC信号可以是大约24Volts、15Volts、12Volts、5Volts、3.3Volts、2.5Volts、1.8Volts、1.2Volts或0.9Volts。

功率转换设备可以包括负载电路，例如包括如上所述的通讯电路等、SCR或继电器的负载。负载电路可以包含在家用控制网络中。负载电路可以包括能量测量布置，例如通过附连到火线或零线的分流。负载电路可以包括DIN计、PANEL计、电子计或家用电能监控器。负载电路可以包括电气故障检测能力，例如接地线/地线故障、电弧故障、剩余电流检测、过载保护或断路器。负载电路可以是低压开关闸。负载电路可以包括气体或烟雾检测器布置。负载电路可以包括在场或外侵报警布置。负载电路可配置成控制对于电器、信息技术设备、多媒体设备或通用电源的首要电源。负载电路可以是在设备处于空闲或省电模式时用于控制首要电源的次要电源。

除了其中有火线和零线的应用以外，上述功率转换设备还可以用于其中有多于一个火线相的应用中。根据本发明的第二方面，从而提供了包括多个根据本发明的第一方面的功率转换设备的功率转换布置。

根据第一方案，功率转换布置可配置使得同一高压电容器共享在多个功率转换设备之间，并且每个功率转换设备用多个相中的不同的一个来操作。从而可以从每个功率转换设备给不同的负载供能。作为示例，根据此配置，一个功率转换设备可以耦接到高压AC电源的零线相电容，并且另一个功率转换设备可以耦接到高压AC电源的的火线相电容。

根据第二方案，功率转换布置可以配置使得多个功率转换设备的每一个以不同的高压电容器来操作，并且多个功率转换设备用同一个相来操作。作为示例，依据此配置，一个功率转换设备可以耦接到高压AC电源的零线相，同时高压电容器耦接到一个火线相，并且另一个功率转换设备可以耦接到同一个零线相，同时高压电容器耦接到不同的火线相。

根据第三方案，多个功率转换设备可以用同一个相来操作，并且功率转换布置可以配置使得一个功率转换设备可操作以提供正的电压信号而另一个功率转换设备可操作以提供负的电压信号。功率转换布置如此可以配置为提供正的和负的电源轨两者。功率转换布置还可以包括位于每个功率转换设备和共享的高压电容器之间的整流器布置。两个整流器布置中的一个可以配置成提供在波形周期的正部分期间导通，而两个整流器布置中的另一个可以配置成提供在波形周期的负部分期间导通。

功率转换布置可以包括三对功率转换设备的三角形配置，其中每个功率转换设备耦接到三相电源的不同的相，并且其中不同对的邻接的功率转换设备共享同一个高压电容器。三角形配置从而可以包括三个高压电容器。三对功率转换设备中的每一个都可以给不同的负载供能。每个负载从而可以用两个不同的相的功率来供能。这可以提供冗余的优势，每个负载凭此可以在一个相故障的事件中由另一个相供能。在特定形式中，功率转换设备可操作以在其第一通路在周期的正走向和负走向部分二者承载电流。在功率转换布置在每对功率转换设备中包括保持电容器的情况中，与其中功率转换设备从单相接收功率的配置相比，保持电容器可以尺寸更小。这可以带来提供使用与“湿”(例如电解质)相反的“干”(例如陶瓷)的电容器技术的优势。干电容器技术比湿电容器技术具有更加有利的寿命可靠性。这是由于使用三相可以意味着实际上没有死区。在特定应用中，可以不需要保持电容器。功率转换布置从而可以不具有保持电容器。

功率转换布置可以包括含有至少三个功率转换设备的星形配置。三个功率转换设备的每一个可以耦接到相应的高压电容器，同时每个高压电容器耦接到不同的火线相。三个功率转换设备可以耦接到零线相。功率转换布置的每个相臂可以包括一对背靠背配置的中间带有高压电容器的功率转换设备。三角形和星形配置可以结合在同一设备中。通过另一个可替代例，功率转换布置可以包括分相配置的两个火线相和零线。功率转换布置的两个火线相臂的每一个都可以包括一对背靠背配置的带有高压电容器的功率转换设备。分相配置还可以包括耦接到两个火线相中的第一个和高压电容器的第一功率转换设备，以及耦接到两个火线相中的第二个和高压电容器的第二功率转换设备。

可以提供多相配置的若干不同的组合(其中高压电容器被共享并且负载不同)以及其中有不同的高压电容器和共享的负载。可以运用这种不同的组合来最大化收益但会花费额外的元件。例如，多相和零线布置可配置成通过提供在零线上并联的多个功率转换设备，同时每个功率转换设备从相对于相应的相的相应高压电容器抽取电流来使相对于零线的可用功率最大化。此方案在关于使零线上的功率最大化的方面可以是有益的，其通常能包括以多相布置的额外的电子器件。由于可用功率包络是多个相的总和，此方案也可以承受对保持电容器的需求的减少。通过另一个示例，多个功率转换设备可以共享对应于其相应相的高压电容器，凭此可以向多个负载提供功率而不用额外的高压电容器。通过进一步的示例，上述三角形和星形配置可以包含在同一功率转换布置中，不论有或没有用于星形配置的功率转换设备的背靠背配置。

功率转换布置可以配置使得多个相包括以下的至少一个：单个火线相和一个零线相；两个火线相和一个零线相；两个火线相而无零线相；成三角形配置的三个火线相和一个零线相；成三角形配置的三个火线相而无零线相；成星形配置的三个火线相和一个零线相；成星形配置的三个火线相而无零线相；以及多于三个的火线相和一个零线相。

本发明的第二方面的进一步实施例可以包括本发明的第一方面的一个或更多特征。

本发明者认识到在两个功率转换设备之间共享保持电容器具有比目前为止描述的更广泛的应用。根据本发明的第三方面，由此提供了包括多个功率转换设备的功率转换布置，每个功率转换设备配置成在输入端接收高压交流电流信号并据此从输出级提供低压直流信号，该功率转换设备包括：

主要通路，其包括与输入端串联的高压电容器；

第一通路，其可操作以在高压交流信号的正走向部分和负走向部分中的一个中承载主要通路所承载的电流；

第二通路，其可操作以在高压交流信号的正走向部分和负走向部分中的另一个中承载主要通路所承载的电流；以及

第一和第二开关，其可操作以确定相应的第一和第二通路之一何时承载电流，

其中高压电容器共享在多个功率转换设备之间，并且至少一个功率转换设备的第一和第二开关可在缺乏控制信号时操作。

功率转换布置可配置为从如上所述的多相电源操作。至少一个功率转换设备的第一和第二开关可在缺乏控制信号，例如从低压DC信号得到的控制信号，时操作。第一和第二开关从而可自行操作并且依据每个开关两端的相对电压来操作。更具体地，第一开关可以是二极管。可替代地或者附加地，第二开关可以是齐纳二极管。

本发明的第三方面的进一步特征可以包括本发明的第一或第二方面的一个或更多的进一步特征。

根据本发明的进一步方面，提供了配置为在输入端接收高压交流信号并据此从输出级提供低压直流信号的功率转换设备，该功率转换设备包括：主要通路，其包括与输入端串联的高压电容器；第一通路，其可操作以在高压交流信号的正走向部分和负走向部分至少之一承载主要通路所承载的电流；第二通路，其可操作以在高压交流信号的正走向部分和负走向部分承载主要通路所承载的电流；以及第一和第二开关，其可操作以确定相应的第一和第二通路之一何时承载电流，输出级接收在第一通路中流动的电流。本发明的进一步方面的实施例可以包括本发明的在前的任何方面的一个或多个特征。

附图说明

本发明的进一步特性和优势将通过以下仅作为示例并且参考附图的具体描述而变得清晰，其中：

图1是已知形式的电容式的无变压器的功率转换设备的电路图；

图2是根据本发明的第一实施例的电容式的无变压器的功率转换设备的电路图；

图3是根据本发明的第二实施例的电容式的无变压器的功率转换设备的电路图；

图4A示出了其中提升了输出电压的第一实施例中的信号波形；

图4B示出了其中提升了输出电压的第二实施例中的信号波形；

图5是包含通讯电路的电容式的无变压器的功率转换设备的电路图；

图6A是本发明的实施例中包含的开关网络的电路图；

图6B是功率转换布置的第一实施例的电路图；

图6C是功率转换布置的第二实施例的电路图；

图6D是功率转换布置的第三实施例的电路图；以及

图6E示出了图6D的第三实施例中的信号波形。

具体实施方式

根据本发明的第一实施例的电容式的无变压器的功率转换设备40在图2中以电路图的形式示出。功率转换设备40包括分别连接到240VAC电源的火线和零线导体上的火线连接42和零线连接44。X型电容器46(其构成高压电容器)和电阻器48与火线连接42串联，同时X型电容器46与电阻器48之间的连接以附图标记43表示。在特定形式中，高压电容器由多个串联连接的低压电容器构成。电阻器48是为了在功率转换设备在电源周期上并非过零点的一点或者在电源涌浪事件中连接到电源时限制到X型电容器46的浪涌电流而存在。放电电阻器50跨接在电容器46两端。功率转换设备40还包括与X型电容器46和电阻器48a串联的第一开关52。功率转换设备40还包括第二开关54和保持电容器56。第二开关54的第一端子电连接在电阻器48和第一开关52的第一端子之间，并且第二开关54的第二端子电连接到零线连接44。第一和第二开关52、54每个都是由一对背靠背配置的MOSFET构成，而开关的控制输入端由MOSFET的栅极构成。MOSFET对包含在阱中，阱的电压偏置在操作期间可以改变以处理增大的电压范围。在可替代的形式中，第一和第二开关52、54由单个MOSFET构建。单个MOSFET由合适的半导体工艺形成，使得MOSFET能够支持功率转换设备40中存在的最高电压。功率转换设备40还包括形式为MOSFET的与MOSFET对串联为级联的第一保护装置(未示出)以及形式为基或阱的寄生二极管的与MOSFET对并联的第二保护装置(未示出)。保持电容器56电连接在第一开关52的第二端和零线连接44之间。

功率转换设备40也还包括输出级。输出级包括在第一开关52的第二端子处的正电压输出连接58以及在保持电容器56靠零线侧的低压输出连接60。低压输出连接60直接电连接到零线连接44。在另一个实施例中，在低压输出连接60和零线连接44之间有电气元件。在这样的其它实施例中，例如，电阻器48可以在零线臂而不在火线臂。回到本实施例，X型电容器46和电阻器48位于功率转换设备的主要通路中。第一开关52位于功率转换设备的第一通路，并且第二开关54位于功率转换设备的第二通路。功率转换设备40还包括从功率转换设备的输出级获得供能的开关控制电路62。开关控制电路62可操作以生成控制信号以控制(即闭合或打开)第一和第二开关52、54。开关控制电路62还包括分压器布置64，分压器布置64包括串联的第一电阻66(R_a)和第二电阻68(R_b)。开关控制电路62还包括运算放大器70、电压参考72和数字控制电路74。运算放大器70的反相输入端电连接在第一和第二电阻66、68之间，并且运算放大器70的非反相输入端电连接到电压参考72。生成用于第一和第二开关52、54的控制信号的数字控制电路74从运算放大器70接收输入。开关控制电路62可操作以控制第一和第二开关52、54的工作周期以将在输出级的电压，Vout设置为依据第一和第二电阻66、68的比值以及电压参考72的值(Vref)来确定的期望的电平，其中Vout＝Vref*(R_a+R_b)/R_b。尽管在图2中未示出，但开关控制电路62进一步配置成考虑功率转换设备40的市电电源的周期来确定第一和第二开关52、54何时打开和闭合。更具体地，开关控制电路62配置成以下至少之一：测量第一开关52两端的电压；测量第二开关54两端的电压；测量输入端两端(例如在火线和零线之间)的电压；以及测量流过第二开关54的电流。开关控制电路62从而还包括合适的电压和电流感测器。测量输入端两端(例如在火线连接42和零线连接44之间)的电压使得能够确定市电信号的过零点。

现将参考图2描述功率转换设备40的第一实施例的操作。开关控制电路62可操作以确定市电电源何时在正走向部分(如图2的波形76中圈出的部分75所指示)。当市电电源在正走向部分时，开关控制电路62可操作以生成控制信号来闭合第一开关52并打开第二开关54，如果后者不是考虑由开关控制电路62确定的工作周期而已经打开的话。通常地并且取决于负载需求，第一开关52在市电电源在正走向部分时被打开并闭合一次或多次。当闭合第一开关52时，电流通过第一通路传送以使保持电容器56充电或被连接到输出级的负载抽取。当最初启动功率转换设备40时，假设很少或没有负载消耗，第一开关52在电源周期的正走向部分的大部分闭合以提供最大的保持电容器56的充电速率。随着保持电容器56充电增加，第一开关52在电源周期的正走向部分的少部分闭合。如果保持电容器56完全充满电，则第一开关52可以在电源周期的一个或更多正走向部分完全不闭合。另一方面，如果来自负载的功率需求增加以致耗尽保持电容器56，在电源周期的正走向部分期间第一开关52的闭合的时间的长度增加。开关控制电路62还在需要钳位操作(即限制在第一开关52的第一端电压偏向火线电压的程度)时操作以闭合第二开关54。当功率转换设备欠载时，第二开关54从而在间歇的基础上并且主要在电源周期的负走向部分期间闭合。当负载需求低时，第二开关54也在电源周期的正走向部分期间闭合。第一开关52在第二开关54闭合时打开，反之亦然。第一和第二开关52、54操作使得它们不同时闭合。更具体地，第二开关54在第一开关52闭合前打开，并且第一开关52在第二开关54闭合前打开。在特定形式中，第一和第二开关52，54短暂地同时闭合以减少X型电容器46上的电压偏移的程度。

在可替代图2中所示的实施例的未例示的实施例中，提供了负的低压DC电源。在这个可替代的实施例中，X型电容器46与功率转换设备的输入端的低压侧(即零线连接44)串联。此外，第一和第二开关52、54可操作使得保持电容器56在电源周期的负走向部分充电。来自功率转换设备的输出由此以市电输入端的火线为参考。

在可替代图2中所示的实施例的进一步的未例示的实施例中，功率转换设备还包括低压DC-DC转换器。低压DC-DC转换器连接在保持电容器56和正电压输出连接58之间，并且配置成提供多个低压DC电源。

在可替代图2中所示的实施例的又进一步的未例示的实施例中，功率转换设备还包括开关转换器。开关转换器连接在保持电容器56和正电压输出连接58之间，并且配置成提供在来自功率转换设备的降低的电压下的增大的电流。

现将参考图3描述功率转换设备90的第二实施例。第二实施例与第一实施例共同的特征由共同的附图标记指示，并且引导读者的注意力到以上参考图2提供的描述以获取对这样的共同特征的描述。现将描述第二实施例90特有的特征。功率转换设备90包括中间电容器92、第三开关94、第四开关96、第五开关98和第六开关100。在可替代的实施例中，使用中间电感器代替中间电容器92。第三到第六开关94、96、98、100的每一个都与第一和第二开关52、54形式相同。尽管在图3中未示出，功率转换设备90包括开关控制电路，其适配于生成控制信号来打开和闭合第三到第六开关94、96、98、100的每一个。中间电容器92通过开关98串联在第一开关52和输出级之间。第三开关94的第一端连接到中间电容器92的第一端，并且第三开关的第二端连接到零线连接44，所述中间电容器92的第一端是中间电容器92的第一和第二端中更靠近输出级的一端。第四开关96的第一端连接到中间电容器92的第二端并且第四开关96的第二端连接到零线连接44。第五开关98的第一端连接到中间电容器92的第一端并且第五开关98的第二端连接到输出级的正电压输出连接58。第六开关100在第一端连接到中间电容器92的第二端并且在第二端连接到输出级的正电压输出连接58。

现将参考图3描述功率转换设备90的第二实施例的操作。第二实施例的功率转换设备90可操作以提供依据在市电周期的正走向和负走向部分期间的电流流通来使保持电容器56充电。这与操作以提供依据仅在正走向部分期间的电流流通来使保持电容器56充电的第一实施例的功率转换设备40形成对比。在由开关控制电路确定的市电周期的负走向部分期间，开关控制电路操作以生成控制信号，该控制信号在第一阶段期间闭合第一和第三开关52、94并且在第二阶段期间闭合第四和第五开关96、98。在第一和第二阶段的每一个期间，所有其它开关打开。开关控制电路可操作以在第一和第二阶段之间以100kHz到100MHz之间的频率改变。电荷在第一阶段期间流入中间电容器92。然后电荷在第二阶段期间从中间电容器92流向保持电容器56。在由开关控制电路确定的市电周期的正走向部分期间，开关控制电路可操作以生成控制信号，该控制信号在第三阶段期间闭合第一和第五开关52、98并且在第四阶段期间闭合第三和第六开关94、100。在第三和第四阶段的每一个期间，所有其它开关打开。开关控制电路可操作以在第三和第四阶段之间以100kHz到100MHz之间的频率改变。电荷在第三阶段期间流入中间电容器92和保持电容器56。然后电荷在第四阶段期间从中间电容器92流向保持电容器56。本方案从而提供在正走向部分期间相比于第一实施例为两倍的电荷。此外功率转换设备90的第二实施例可用与功率转换设备90的第一实施例相同的方式操作。例如开关控制电路操作以从第一到第四阶段之一工作周期改变开关到第二开关54的工作周期以将在输出级的电压保持在期望的电平。开关控制电路也可以操作以闭合第二开关54以限制第一开关52的第一端的电压偏向火线电压的程度。

在图3的实施例中，第一和第三到第六开关和中间电容器构建了第一通路布置。在图3的实施例的可替代的未示出的实施例中，功率转换设备包括多个这样的第一通路布置。在一个形式中，多个第一通路布置给同一个保持电容器56充电。具有多个这样的第一通路布置提供使保持电容器更平滑的功率传送。在另一个形式中，多个第一通路布置的每一个给不同的保持电容器充电。此外第一通路布置的开关操作以提供不同的电压电平的DC输出或者提供混合的正和负电压的DC输出。功率转换设备由此可配置为提供差分电源。

在图3中示出的实施例的未示出的可替代的实施例中，中间电容器用中间电感器替代。除了将第六开关100认作第四开关并将第四开关96认作第六开关以外，第一到第六开关的形式不变。考虑到第四和第六开关的不同身份，包括中间电感器的实施例的操作与包括中间电容器的实施例的操作沿相同的线路。更仔细地考虑操作，在由开关控制电路确定的市电周期的负走向部分期间，开关控制电路可操作以生成控制信号，该控制信号在第一阶段期间闭合第一和第三开关52、94并且在第二阶段期间闭合第三和第四开关94、100。在第一和第二阶段的每一个中，所有其它开关打开。能量在第一阶段期间流入中间电感器。然后能量在第二阶段期间从中间电感器流至保持电容器。在由开关控制电路确定的市电周期的正走向部分期间，开关控制电路可操作以生成控制信号，该控制信号在第三阶段期间闭合第一和第五开关52、98并且在第四阶段期间闭合第五和第六开关98、96。在第三和第四阶段的每一个中，所有其它开关打开。能量在第三阶段期间能量流入中间电感器和保持电容器56。然后能量在第四阶段期间从中间电感器流至保持电容器56。此外包括中间电感器的实施例的操作与包括中间电容器的实施例的操作相同。

关于在包括中间电感器的实施例中设置多个第一通路布置，在第一形式中，每个第一通路布置包括不同的中间电感器和不同的第一和第三到第六开关。根据一个方案，多个第一通路布置给同一个保持电容器56充电。根据另一个方案，多个第一通路布置给不同的保持电容器56充电，从而提供不同的电压电平的DC输出或者混合的正和负电压的DC输出。在第二形式中，每个第一通路布置包括不同的中间电感器和不同的第四和第五开关，同时第一、第三和第六开关对于多个第一通路布置是共用的。在第二形式中，每个第一通路布置还包括不同的保持电容器，第二形式凭此可操作以提供多个DC输出。

图4A中示出了在第一实施例中的信号波形。上方波形102代表市电信号，下方波形104代表在功率转换设备40的输出级的信号。上部波形102具有其中功率转换设备没有充电的部分(即死区106)。死区106在市电信号几乎为平的和负走向的部分期间，此时没有使保持电容器56充电。由于负载抽取和泄漏带来的保持电容器56上的电荷损失在死区106不被补充。开关控制电路62从而可操作以恰在死区开始之前使保持电容器56过度充电，以在输出级的电压108比期望的电平高从而补偿在随后的死区116期间的较低的电荷可用性。

图4B中示出了第二实施例中的信号波形。上部波形112代表市电信号，下部波形114代表在功率转换设备90的输出级的信号。上部波形112具有其中功率转换设备有很少的或没有充电的部分(即死区116)。死区106在市电信号的最大和最小点附近，此时信号变化的速率是低的。由于负载抽取和泄漏带来的保持电容器56上的电荷损失在死区期间以低速率补充。开关控制电路62从而可操作以恰在死区开始之前使保持电容器56过度充电，以在输出级的电压118比期望的电平高从而补偿在随后的死区116期间的较低的电荷可用性。

在第一和第二实施例的未示出的形式中，开关控制电路62适配于监视市电信号并分析市电信号来判断其情况或检测故障情况，例如掉电或丢失单个相。开关控制电路62适配于生成传送至连接到功率转换设备40、90的负载的控制数据。配置控制数据使得负载被控制以对检测到的故障情况或确定的市电周期的情况采取合适的行动。控制数据可以，例如，配置成当检测到故障时使负载进入低功率消耗状态。通过另一个示例，控制数据可以配置成在市电周期在死区之间的部分期间使负载增加其需求并在死区期间降低其需求。在第一和第二实施例的进一步的未示出的形式中，开关控制电路62适配于从负载接收控制数据并依据接收到的控制数据来控制功率转换设备的操作。例如在负载即将进入低功率状态处，控制数据配置为使功率转换设备延迟从零线连接44释放X型电容器46。通过另一个示例，在负载即将增加抽取的功率水平的情况中，控制数据配置成使功率转换设备增加保持电容器56上的电荷水平。

包括通讯电路的电容式的无变压器的功率转换设备130在图5中以电路图的形式示出。图5的电路与图2的第一实施例共同的特征由共同的附图标记指示，并且引导读者的注意力到以上参考图2提供的描述以获取对这样的共同特征的描述。现将描述图5的电路特有的特征。有本领域技术人员应易于认识到图3的第二实施例可以被重新配置而不使用任何超出一般的设计技巧，使得其包括图5的通讯电路。图5的功率转换设备130包括可操作以在通讯电路端口接收并发送数据的通讯电路132，以及第七开关134。第七开关134与第一和第二开关52、54形式相同。第七开关134的第一端子电连接到通讯电路端口并且第七开关134的第二端子电连接到第一开关52的第一端子，以使得第七开关134的第二端子连接在第一开关52和电阻器48之间。通讯电路132从功率转换设备的输出级抽取功率。现将描述图5的功率转换设备130的操作。在通讯电路132接收数据或发送数据之前，开关控制电路可操作以闭合第七开关134并打开功率转换设备136中的所有其它开关。然后通讯电路132可操作以在其通讯电路端口生成通讯数据，通讯数据通过电阻器48和X型电容器46传送到市电电源用于向前发送到类似监管和控制电路。可替代地，通讯数据从市电电源接收并通过X型电容器46、电阻器48和第七开关134传送至通讯电路132的通讯电路端口。在其它时间138(即当没有传向或来自通讯电路132的通讯数据)时，第七开关134打开并且功率转换设备130中的其它开关如以上参考图2所述的来操作。

现将参考图6A至6E描述功率转换布置的第一到第三实施例。功率转换布置的第一到第三实施例中包含的开关网络140的电路图示出在图6A中。图6A的开关网络140与图3的第二实施例共同的特征由共同的附图标记指示，并且引导读者的注意力到以上参考图3提供的描述以获取这样的共同特征的描述。现将描述对图6A的开关网络140特有的特征。如从图6A中可见的，开关网络140不具有X型电容器46和保持电容器56。对图6A的开关网络140的火线连接从而由节点43构建。进一步地，开关网络140相当于示出在图6A的靠下方部分的电路块142。

图6B中示出了功率转换布置150的第一实施例。功率转换布置150包括两个开关网络142，一个开关网络142在低压电路侧耦接到市电电源的火线导体，并且另一个开关网络142在低压电路侧耦接到市电电源的零线导体。每个开关网络142具有跨接在其输出级两端的保持电容器152以及连接到其输出级的不同的负载154。此外，X型电容器156的第一端子连接到在其低压电路侧耦接到市电电源的零线导体的开关网络142的高压侧。X型电容器156的第二端子连接到在其低压电路侧耦接到市电电源的火线导体的开关网络142的高压侧。X型电容器156从而共享在两个开关网络142之间。此外，每个开关网络142具有如以上参考图2或图3描述的形式和功能。

图6C中示出了功率转换布置160的第二实施例的电路图。功率转换布置160的第二实施例与功率转换布置150的第一实施例共同的特征由共同的附图标记指示，并且引导读者的注意力到以上参考图6B提供的描述以获取对这样的共同特征的描述。现将描述功率转换布置160的第二实施例特有的特征。第二实施例在如图1中所示的相同的配置中包括二极管162和齐纳二极管164，代替了各个开关网络142。第二实施例的开关从而可自行操作，即依据二极管162和齐纳二极管164的相对电压而不是依据控制信号。功率转换布置160的第二实施例从而不具有前面实施例的开关控制电路。此外功率转换布置160的第二实施例以与具有共享的X型电容器156的功率转换布置150的第一实施例相同的方式操作。

图6D中示出了功率转换布置170的第三实施例的电路图。功率转换布置170的第三实施例包括成三角形配置的三对功率转换设备。每对功率转换设备包括两个向三个负载172之中不同的一个提供功率的开关网络142以及保持电容器174。每对功率转换设备在其低压输入侧耦接到三相市电电源的不同的相。在每对中的每个开关网络142的高压输入侧电连接到X型电容器176的不同的端子，这样三个不同的X型电容器176的每一个都在三角形配置中的邻接的一对功率转换设备之间共享。更具体地，每对功率转换设备在其两个高压输入侧的每一个都电耦接到相邻的一对功率转换设备，同时X型电容器176串联在每对相邻的功率转换设备之间。功率转换布置170的第三实施例中包含的开关网络142和功率转换设备具有如以上参考图3描述的形式和功能。图6E中示出了图6D的第三实施例的信号波形180。上图182示出了市电电源的三相的电压波形。中图184示出了耦接到第一相的一对功率转换设备的三角电压波形。如从中图中可见的，在波形的圈出的部分185期间有可用的功率，从而由于三相电源的相的关系基本上所有时间都有可用的功率。下图186示出了相对于x轴上的时间的y轴上的可用功率，同时还表示了三个单相波形188中的两个以及两个单相波形的组合190。如能从下图186认识到的，基本上没有死区192，并且三个单相波形的组合190的峰值功率与单相波形188相比基本上更高。

在未示出的实施例中，功率转换布置具有星形配置，其具有第一到第三功率转换设备。第一到第三功率转换设备的每一个耦接到相应的高压电容器，同时三个高压电容器的每一个耦接到不同的火线相。三个功率转换设备耦接到零线相。在本实施例的一个形式中，星形配置还包括三个另外的功率转换设备，并且配置使得功率转换布置的每个相臂包括一对成背靠背配置的中间带有高压电容器的功率转换设备。这个背靠背配置的功率转换设备和高压电容器如同在图6D的三角形配置的三臂的每一个中示出的。依据另一个实施例，本星形配置和上述的三角形配置结合在同一设备中。星形和三角形配置在同一设备中的结合将是在本领域技术人员的普通设计技巧之内的。在另一个未示出的实施例中，功率转换布置包括成分相配置的两个火线相和一个零线，同时功率转换布置的两个火线相臂的每一个都包括一对背靠背配置的带有高压电容器的功率转换设备。分相配置还包括耦接到两个火线相中的第一个和另外的高压电容器的第一功率转换设备，以及耦接到两个火线相中的第二个和同一个另外的高压电容器的第二功率转换设备。

在进一步的未示出的实施例中，功率转换布置包括第一和第二功率转换设备，它们耦接到同一个相，例如同一个火线相。第一和第二功率转换设备共享同一个高压电容器。整流器(例如二极管)位于第一和第二功率转换设备的每一个和高压电容器之间，使得两个整流器具有相反的极性。在使用中，第一功率转换设备配置成仅在高压AC信号的正走向部分传送功率至其负载，而第二功率转换设备配置成仅在高压AC信号的负走向部分传送功率至其负载。

Claims

1.一种功率转换设备，其被配置为在输入端接收高压交流(AC)信号并据此从输出级提供低压直流(DC)信号，该功率转换设备包括：

主要通路，其包括与所述输入端串联的高压电容器；

第一通路，其可操作以在高压交流(AC)信号的正走向部分和负走向部分至少之一中承载主要通路所承载的电流；

第二通路，其可操作以在高压交流(AC)信号的正走向部分和负走向部分中承载主要通路所承载的电流；以及

第一开关和第二开关，其可操作以确定相应的第一通路和第二通路之一何时承载电流，其中

所述输出级接收在第一通路中流动的电流，并且第一开关和第二开关中的至少一个能够依据从低压直流(DC)信号得到的控制信号来操作，

其中第一通路在高压交流(AC)信号的最大点或最小点附近不承载主要通路所承载的电流。

2.如权利要求1所述的功率转换设备，其被配置为在所述输入端接收市电AC信号，并依据接收到的市电AC信号在所述输出级提供电子电路电源。

3.如权利要求1或2所述的功率转换设备，其中高压交流(AC)信号的峰值电压高于低压直流(DC)信号的电压。

4.如权利要求1或2所述的功率转换设备，其中第一和第二开关基本上彼此异相地操作，因此第一和第二开关不同时闭合。

5.如权利要求1或2所述的功率转换设备，其被配置使得第一通路与所述输出级串联而第二通路与所述输出级并联。

6.如权利要求1或2所述的功率转换设备，其中第二通路提供在所述功率转换设备的输入端的高压侧和所述功率转换设备的低压侧之间的导通，高压电容器与所述功率转换设备的输入端的高压侧串联。

7.如权利要求1或2所述的功率转换设备，其中第一通路包括第一开关，第一开关串联在所述功率转换设备的输入端和所述功率转换设备的输出级之间。

8.如权利要求1或2所述的功率转换设备，其中第二通路包括第二开关，第二开关与所述功率转换设备的输入端的高压侧和低压侧并联。

9.如权利要求1或2所述的功率转换设备，其中第一和第二开关中的至少一个依据频率高于高压交流(AC)信号的频率的控制信号来操作。

10.如权利要求1或2所述的功率转换设备，包括与所述输出级并联地电耦接的保持电容器。

11.如权利要求1或2所述的功率转换设备，其中第一通路和第二通路中的每一个操作以在比高压交流(AC)信号的一个周期内的全部正走向部分或负走向部分少的部分中承载电流。

12.如权利要求1或2所述的功率转换设备，其被配置以满足以下至少之一：第一通路不操作成在高压交流(AC)信号的每个周期内的每个正走向部分或负走向部分承载电流；以及第二通路操作成在高压交流(AC)信号的多个周期期间承载电流。

13.如权利要求1或2所述的功率转换设备，还包括开关控制电路，该开关控制电路可操作以依据关于所述功率转换设备中的至少一个信号的状态做出的确定来生成至少一个控制信号。

14.如权利要求13所述的功率转换设备，其中所述开关控制电路被配置为在所述功率转换设备中进行测量，并将测量值与参考值比较并且依据该比较生成控制信号，所述测量包括以下至少之一：第二开关两端的电压；输出级的电压；第一开关两端的电压；第二通路中电流的流向；以及输入端两端的电压。

15.如权利要求1或2所述的功率转换设备，其被配置使得第二开关可以依据从低压直流(DC)信号得到的控制信号来操作。

16.如权利要求1所述的功率转换设备，其被配置成依据第一开关何时操作，使得第一通路仅在高压交流(AC)信号的正走向部分和负走向部分之一承载电流。

17.如权利要求16所述的功率转换设备，其被配置使得第一通路仅在高压交流(AC)信号的正走向部分和负走向部分中的正走向部分承载电流，所述功率转换设备被配置成依据第二开关何时操作，使得第二通路在高压交流(AC)信号的正走向部分和负走向部分承载电流。

18.如权利要求16或17所述的功率转换设备，其包括在第一通路中的仅一个开关以及在第二通路中的仅一个开关。

19.如权利要求1所述的功率转换设备，其被配置使得第一通路在正走向部分和负走向部分都承载电流，所述功率转换设备包括中间能量存储元件以及第三、第四和第五开关，所述第三、第四和第五开关每个都能够依据从低压直流(DC)信号得到的控制信号来操作，其中中间能量存储元件以及第三、第四和第五开关的布置提供到输出级的更平滑的功率传送。

20.如权利要求19所述的功率转换设备，其中所述中间能量存储元件包括中间电容器和中间电感器中的一个，中间能量存储元件被布置为串联在高压电容器和所述输出级之间。

21.如权利要求19或20所述的功率转换设备，其被配置使得第三通路包括在高压交流(AC)信号的正走向部分和负走向部分之一的第一部分期间承载电流的中间能量存储元件。

22.如权利要求21所述的功率转换设备，其中所述中间能量存储元件在负走向部分期间存储电荷，第三开关的第一端连接到中间能量存储元件的第一端，并且第三开关的第二端连接到功率转换设备的低压侧，所述中间能量存储元件的第一端是所述中间能量存储元件的第一端和第二端中更靠近所述输出级的一端。

23.如权利要求22所述的功率转换设备，其中对于所述中间能量存储元件是中间电容器的情况，第四开关的第一端连接到中间电容器的第二端，并且第四开关的第二端连接到所述功率转换设备的低压侧，而对于其中所述中间能量存储元件是中间电感器的情况，第四开关的第一端连接到中间电感器的第二端，并且第四开关的第二端连接到所述输出级。

24.如权利要求23所述的功率转换设备，其中所述第五开关的第一端连接到中间能量存储元件的第一端，并且第五开关的第二端连接到所述输出级，因此第五开关串联在中间能量存储元件和所述输出级之间。

25.一种包括多个如前述权利要求中的任何一项所述的功率转换设备的功率转换布置装置，其中多个功率转换设备的每一个以多个相中不同的一个操作，并且多个功率转换设备共享同一高压电容器。

26.一种包括多个如权利要求1到24中的任何一项所述的功率转换设备的功率转换布置装置，其中所述多个功率转换设备以同一个相操作，并且多个功率转换设备的每一个利用不同的高压电容器操作。

27.一种包括多个如权利要求1到24中的任何一项所述的功率转换设备的功率转换布置装置，其中多个功率转换设备以同一个相操作，并且所述功率转换布置装置被配置使得一个功率转换设备能够操作以提供正的电压信号而另一个功率转换设备能够操作以提供负的电压信号。

28.一种如权利要求27所述的功率转换布置装置，还包括位于每个功率转换设备和共享的高压电容器之间的整流器布置。

29.如权利要求25到28中的任何一项所述的功率转换布置装置，其中多个相包括以下至少一个：单个火线相和一个零线相；两个火线相和一个零线相；两个火线相而无零线相；成三角形配置的三个火线相和一个零线相；成三角形配置的三个火线相而无零线相；成星形配置的三个火线相和一个零线相；成星形配置的三个火线相而无零线相；以及多于三个的火线相和一个零线相。