CN106416038B - 用于驱动能源自觉应用中的热电冷却器的高效率功率转换架构 - Google Patents

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Abstract

本文公开了与用于将功率供应给一个或多个热电冷却器(TEC)的交流‑直流(AC‑DC)功率转换系统相关的系统和方法。在一些实施例中，系统包括一个或多个TEC，和AC‑DC功率转换系统，所述AC‑DC功率转换系统被配置成针对高效率操作模式和高泵热操作模式将功率供应给所述一个或多个TEC。所述AC‑DC功率转换系统包括第一AC‑DC功率转换器，其被配置成将AC输入转换为处于第一输出功率电平的DC输出，以便实现所述一个或多个TEC的所述高效率操作模式。所述AC‑DC功率转换系统进一步包括第二AC‑DC功率转换器，其被配置成将所述AC输入转换为处于第二输出功率电平的DC输出，以便实现所述一个或多个TEC的所述高泵热操作模式。

Description

用于驱动能源自觉应用中的热电冷却器的高效率功率转换 架构
相关申请
本申请要求2014年6月6日提交的临时专利申请序列号62/008,803的权益，所述申请的公开内容在此以全文引用的方式并入本文。
技术领域
本公开涉及用于驱动热电冷却器的高效率功率转换架构。
背景技术
热电冷却器(TEC)是利用帕尔贴效应将热量从装置的一侧传递到另一侧进而在装置的冷侧上产生冷却效应的固态半导体装置。在图1中说明热电冷却装置10的一个实例。值得注意的是，如本文所使用，热电冷却装置是由单个N型支脚和单个P型支脚组成(即，是二支脚装置)，而热电冷却模块包括串联连接的许多热电冷却装置。因此，本文使用通用术语“热电冷却器”或TEC来指代热电冷却装置或热电冷却模块。
如图1中所说明，热电冷却装置10包括N型支脚12、P型支脚14、顶部导电金属层16，和底部导电金属层18。N型支脚12和P型支脚14是由热电材料(即，具有良好热电性质的半导体材料)形成。为了实现热电冷却，如所示将电流施加到热电冷却装置10。N型支脚12和P型支脚14中的电流传递的方向平行于热电冷却装置10中的热传递的方向。因此，通过在热电冷却装置10的顶表面处吸收热量且在热电冷却装置10的底表面处释放热量，在顶部导电金属层16处进行冷却。在图2中说明热电模块20的一个实例。如所说明，热电模块20包括串联连接的多个热电冷却装置10。这些多个热电冷却装置10被封装在单个热电模块20内。
虽然热电冷却装置10和热电冷却模块20已经用于各种冷却应用中，但常规上，尤其由于与蒸气-压缩机的效率相比之下的较差效率，它们尚未用于冷冻。近来，在基于热电冷却装置和模块的热电材料和热传递系统中已经有许多进步。由于这些进步以及热电冷冻优于常规的蒸气-压缩冷冻的许多益处，热电冷冻已经准备好在家用和商用应用中挑战蒸气-压缩冷冻。
然而，仍然需要进一步提高热电冷却装置和模块的效率。
发明内容
本文公开与交流-直流(AC-DC)功率转换系统相关的系统和方法，所述交流-直流功率转换系统用于以最少化或减少AC功率汲取的方式将功率供应给一个或多个热电冷却器(TEC)。在一些实施例中，系统包括一个或多个TEC，和AC-DC功率转换系统，其被配置成针对高效率操作模式和高泵热操作模式将功率供应给所述一个或多个TEC。AC-DC功率转换系统包括第一AC-DC功率转换器，其被配置成将AC输入转换为处于第一输出功率电平的DC输出，以便实现一个或多个TEC的高效率操作模式。所述第一输出功率电平对应于一个或多个TEC的高性能系数(COP)操作点。第一AC-DC功率转换器在第一输出功率电平下具有大致等于第一AC-DC功率转换器的最大效率的效率。AC-DC功率转换系统进一步包括第二AC-DC功率转换器，其被配置成将AC输入转换为处于第二输出功率电平的DC输出，以便实现一个或多个TEC的高泵热操作模式。所述第二输出功率电平对应于一个或多个TEC的高泵热操作点。第二AC-DC功率转换器在第二输出功率电平下具有大致等于第二AC-DC功率转换器的最大效率的效率。以此方式，尤其当在高效率操作模式中操作一个或多个TEC时，与使用常规的AC-DC功率转换器的总AC汲取相比，所述系统的总AC汲取得到减少。
在一些实施例中，所述AC-DC功率转换系统进一步包括切换构造，其包括：第一输入，其耦合到第一AC-DC功率转换器的输出；第二输入，其耦合到第二AC-DC功率转换器的输出；以及输出，其耦合到一个或多个TEC。
在一些实施例中，所述AC-DC功率转换系统进一步包括DC-DC转换器，其具有：输入，其耦合到第二AC-DC功率转换器的输出；以及输出，其耦合到切换构造的第二输入。在一些实施例中，所述系统进一步包括控制器，其被配置成当在高泵热操作模式中操作一个或多个TEC时自适应地控制DC-DC转换器，以便在预定高功率电平范围内自适应地调整提供给一个或多个TEC的功率电平。在一些实施例中，所述预定高功率电平范围是对应于在一个或多个TEC的最大泵热(Qmax)的30％到100％内或包括所述最大泵热(Qmax)的30％到100％的泵热能量范围的功率电平范围。
在一些实施例中，所述AC-DC功率转换系统进一步包括DC-DC转换器，其具有：输入，其耦合到第一AC-DC功率转换器的输出；以及输出，其耦合到切换构造的第一输入。在一些实施例中，所述系统进一步包括控制器，其被配置成当在高效率操作模式中操作一个或多个TEC时自适应地控制DC-DC转换器，以便在预定低功率电平范围内自适应地调整提供给一个或多个TEC的功率电平。在一些实施例中，所述预定低功率电平范围是对应于在一个或多个TEC的最大COP(COPmax)的80％到100％内或包括所述最大COP的80％到100％的COP值范围的功率电平范围。
在一些实施例中，所述系统进一步包括控制器，其被配置成选择性地控制所述切换构造，使得一个或多个TEC耦合到第一AC-DC功率转换器的输出以便实现高效率操作模式，且耦合到第二AC-DC功率转换器的输出以便实现高泵热操作模式。在一些实施例中，所述控制器进一步被配置成启用第一AC-DC转换器且停用第二AC-DC转换器以便实现一个或多个TEC的高效率操作模式。在一些实施例中，所述控制器进一步被配置成停用第一AC-DC转换器且启用第二AC-DC转换器以便实现一个或多个TEC的高泵热操作模式。
在一些实施例中，所述一个或多个TEC包括第一组TEC和第二组TEC，所述第一组和第二组TEC中的每一者包括一个或多个TEC。此外，所述AC-DC功率转换系统进一步包括切换构造，其包括：第一输入，其耦合到第一AC-DC功率转换器的输出；第二输入，其耦合到第二AC-DC功率转换器的输出；第一输出，其耦合到第一组TEC；以及第二输出，其耦合到第二组TEC。所述切换构造被配置成将所述第一和第二组TEC独立地耦合到第一和第二AC-DC功率转换器，使得在高效率操作模式或高泵热操作模式中独立地操作所述第一和第二组TEC。
在一些实施例中，所述高COP操作点是最大COP操作点，且所述高泵热操作点是最大泵热操作点。
在一些实施例中，提供一种控制AC-DC功率转换系统以便针对高效率操作模式和高泵热操作模式将功率提供给一个或多个TEC的方法。AC-DC功率转换系统包括：第一AC-DC功率转换器，其被配置成将AC输入转换为处于第一输出功率电平的DC输出以便实现一个或多个TEC的高效率操作模式；以及第二AC-DC功率转换器，其被配置成将AC输入转换为处于第二输出功率电平的DC输出以便实现一个或多个TEC的高泵热操作模式，且所述方法包括确定是在高效率操作模式中还是在高泵热操作模式中操作所述一个或多个TEC。所述方法进一步包括：在确定在所述高效率操作模式中操作所述一个或多个TEC之后，配置所述AC-DC功率转换系统以便将第一AC-DC功率转换器的输出耦合到所述一个或多个TEC，所述第一AC-DC功率转换器的DC输出的第一输出功率电平对应于一个或多个TEC的高COP操作点，且第一AC-DC功率转换器在所述第一输出功率电平下具有大致等于第一AC-DC功率转换器的最大效率的效率。所述方法进一步包括：在确定在所述高泵热操作模式中操作所述一个或多个TEC之后，配置所述AC-DC功率转换系统以便将第二AC-DC功率转换器的输出耦合到所述一个或多个TEC，所述第二AC-DC功率转换器的DC输出的第二输出功率电平对应于一个或多个TEC的高泵热操作点，且第二AC-DC功率转换器在所述第二输出功率电平下具有大致等于第二AC-DC功率转换器的最大效率的效率。
本领域技术人员在阅读与附图相关联的优选实施例的以下详细描述之后将了解本公开的范围并且实现其额外的方面。
附图说明
并入本说明书中并且形成本说明书的部分的附图说明本公开的若干方面，且与描述一起用来阐释本公开的原理。
图1说明热电冷却装置；
图2说明包括多个热电冷却装置的热电冷却模块；
图3是说明热电冷却器(TEC)的性能系数(COP)曲线和常规的交流-直流(AC-DC)功率转换器的效率曲线；
图4是根据本公开的一些实施例的包括AC-DC功率转换系统和一个或多个TEC的系统的框图，其中AC-DC功率转换系统包括用于在高泵热操作模式期间将功率供应给TEC的高功率AC-DC转换器和用于在高效率操作模式期间将功率供应给TEC的低功率AC-DC转换器；
图5是根据本公开的一些实施例的说明图4的TEC的COP曲线以及图4的AC-DC功率转换系统的高功率和低功率AC-DC转换器的效率曲线的图表；
图6是根据本公开的一些实施例说明图4的TEC的COP曲线以及图4的AC-DC功率转换系统的实际效率曲线的图表；
图7是根据本公开的一些其它实施例的图4的系统的框图；
图8是说明根据本公开的一些实施例的图7的控制系统的操作的流程图；
图9是根据本公开的一些其它实施例的图4的系统的框图；以及
图10是根据本公开的一些实施例的控制系统的框图。
具体实施方式
下文陈述的实施例表示使得本领域技术人员能够实践所述实施例的必要的信息，并且说明实践所述实施例的最佳模式。在鉴于附图阅读以下描述之后，本领域技术人员将了解本公开的概念，且将认识到在本文未特别提及的这些概念的应用。应理解，这些概念和应用属于本公开和所附权利要求书的范围。
将理解，虽然术语第一、第二等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于区分一个元件与另一元件。举例来说，在不脱离本公开的范围的情况下，可将第一元件称为第二元件，且类似地，可将第二元件称为第一元件。如本文所使用，术语“和/或”包括相关联的所列举的项目中的一者或多者的任何和所有组合。
还将理解，当元件被称作“连接”或“耦合”到另一元件时，其可以直接地连接或耦合到所述另一元件，或可以存在介入元件。相比而言，当元件被称作“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时，不存在介入元件。
本文中所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的且并不希望限制本公开。如在本文中所使用，除非上下文另外清楚地指示，否则希望单数形式“一”和“所述”也包含复数形式。将进一步理解，术语“包括”和/或“包含”在用于本文中时指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其群组的存在或添加。
除非另外定义，否则本文所使用的所有术语(包含技术和科技术语)具有与本公开所属的领域中的技术人员通常理解的含义相同的含义。将进一步理解，本文使用的术语应被解释为具有与其在本说明书的上下文和相关领域中的含义一致的含义，且将不以理想化或过分正式的意义进行解释，除非本文明确地如此界定。
本文公开与交流-直流(AC-DC)功率转换系统相关的系统和方法，所述交流-直流功率转换系统用于以最少化或减少AC功率汲取的方式将功率供应给一个或多个热电冷却器(TEC)。然而，在描述这些系统和方法之前，讨论一下TEC的性能系数(COP)和常规AC-DC功率转换器的效率是有益的。TEC的COP是TEC的效率的量度且被定义为：
COP＝Q/Pin
其中Q是TEC泵送的热且Pin是TEC的输入功率。当泵送的热且因此输入功率较高时，TEC的COP一般较低，且当泵送的热且因此输入功率较低时，TEC的COP一般较高。
相比而言，常规AC-DC功率转换器的效率在AC-DC功率转换器的输出功率较高时一般较高，在随后AC-DC功率转换器的输出功率较低时较低。因此，在使用常规AC-DC功率转换器将功率提供给在低COP(高泵热能量)处操作的TEC时，AC-DC功率转换器高效率地执行。相反地，在使用AC-DC功率转换器将功率提供给在高COP(低泵热能量)处操作的TEC时，AC-DC功率转换器低效率地执行。这在其中需要总AC功率汲取较低的应用中提出根本挑战，因为为了实现令人满意的性能，需要对TEC的操作进行控制，使得TEC在不同的条件下在高COP和低COP(即，高泵热能量)两者处操作。举例来说，基于TEC的冷冻系统可能希望在大多时间(例如，在稳态条件下)在高COP处操作TEC，且不频繁地在低COP(即，高泵热能量)处(例如，在下拉或恢复条件下)操作TEC。如图3中所说明，当在高COP处操作TEC时，AC-DC功率转换器低效率地执行，且因此，总AC功率汲取比理想情况少。还如图3中所说明，当在低COP(即，高泵热能量)处操作TEC时，AC-DC功率转换器高效率地执行，但是由于所述TEC的低COP，总AC功率汲取再次比理想情况少。
为了解决此问题，本文公开用于将功率供应给一个或多个TEC的AC-DC功率转换系统，其当在高COP处操作TEC时且在低COP处(即，高泵热能量)操作TEC时都提供高效率。具体来说，所述AC-DC功率转换系统包括两个AC-DC功率转换子系统，一个具有高功率能力且一个具有低功率能力。开关网络或切换构造将所述两个单独的AC-DC功率转换子系统连接到所述TEC。在一些实施例中，微控制器智能地控制所述AC-DC功率转换子系统和开关网络。所述低功率AC-DC功率转换子系统被设计成使得当TEC在其高COP点处(具有较低的泵热量值)操作时使其功率转换效率最大化。所述高功率AC-DC功率转换子系统被设计成使得当TEC在其低COP点处(具有较高泵热量值)操作时使其功率转换效率最大化。
图4说明根据本公开的一些实施例的包括将功率供应给一个或多个TEC 26的AC-DC功率转换系统24的系统22。AC-DC功率转换系统24包括高功率AC-DC功率转换器28和任选的形成第一功率转换子系统的DC-DC转换器30和形成第二功率转换子系统的AC-DC功率转换器32。AC切换网络34具有耦合到AC源(未图示)(例如，经由电缆36的AC插座)的输入、耦合到高功率AC-DC功率转换器28的输入的第一输出，和耦合到低功率AC-DC功率转换器32的输入的第二输出。切换构造38或开关网络具有耦合到高功率AC-DC功率转换器28(任选地经由DC-DC转换器30)的输出的第一输入、耦合到低功率AC-DC功率转换器32的输出的第二输入，和耦合到TEC 26的输入的输出。
高功率AC-DC功率转换器28被设计成用于高功率或高瓦特(W)操作，而低功率AC-DC功率转换器32被设计成用于低功率或低W操作。更具体来说，当TEC 26在其(它们的)低COP操作点(例如，最大泵热(Qmax)操作点)处操作时，高功率AC-DC功率转换器28最大效率地执行。相反地，当TEC 26在其(它们的)高COP(例如，最大COP操作点)处操作时，低功率AC-DC功率转换器32最大效率地执行。这在图5中说明。如图5的实例中所展示，在以对应于TEC 26的最大泵热(Qmax)操作点的输出功率电平提供DC输出时，高功率AC-DC功率转换器28以大致等于高功率AC-DC功率转换器28的最大效率的效率执行。相反地，在以对应于TEC 26的最大COP(COPmax)操作点的输出功率电平提供DC输出时，低功率AC-DC功率转换器32以大致等于低功率AC-DC功率转换器32的最大效率的效率执行。如本文所使用，“大致等于”最大效率的效率在一些实施例中是最大效率的至少60％且在一些其它实施例中是最大效率的至少80％的效率。
在操作中，在高效率操作模式或高泵热操作模式中操作TEC 26。在高泵热操作模式中，切换构造38经过控制以便将高功率AC-DC功率转换器28的输出耦合到TEC 26的输入。以用于TEC 26的高泵热操作模式的输出功率电平提供高功率AC-DC功率转换器28的DC输出。此输出功率电平对应于TEC 26的高泵热操作点(例如最大泵热(Qmax)操作点)。如本文所使用，高泵热操作点是其中Q大于TEC 26当在COPmax处操作时的泵热能量的TEC 26的操作点(即，大于QCOPmax)，且TEC 26的COP小于COPmax的80％，或更优选小于COPmax的70％，或更优选小于COPmax的50％，或更优选小于COPmax的25％。高功率AC-DC功率转换器28在用于高泵热操作模式的输出功率电平下具有大致等于高功率AC-DC功率转换器28的最大效率的效率。值得注意的是，当在高泵热操作模式中操作时，DC-DC转换器30可经过控制以便调整提供给TEC 26的功率电平及因此TEC 26的泵热能量。
在高效率操作模式中，切换构造38经过控制以便将低功率AC-DC功率转换器32的输出耦合到TEC 26的输入。以用于TEC 26的高效率操作模式的输出功率电平提供低功率AC-DC功率转换器32的DC输出。此输出功率电平对应于TEC 26的高COP操作点(例如，最大COP操作点)。如本文所使用，高COP操作点是其中TEC 26的COP大致等于COPmax的TEC 26的操作点。此处，大致等于COPmax的COP是COPmax的至少80％或更优选COPmax的至少90％或更优选COPmax的至少95％的COP。低功率AC-DC功率转换器32在用于高效率操作模式的输出功率电平下具有大致等于低功率AC-DC功率转换器32的最大效率的效率。
图6说明TEC 26的COP曲线和图4的AC-DC功率转换系统24的总计或实际效率曲线的一个实例。不同于常规功率转换器(参看图3)，AC-DC功率转换系统24在高COP操作点处和高泵热操作点处操作TEC 26的情况下都提供高效率。以此方式，尤其在高COP操作点处操作TEC 26时，与使用常规AC-DC功率转换器实现的总AC汲取或功率消耗相比，大体上减少了AC-DC功率转换系统24和TEC 26的总AC汲取或功率消耗。
图7说明根据本公开的一些实施例的图4的系统22，其中系统22进一步包括耦合到低功率AC-DC功率转换器32的输出的任选的DC-DC转换器40，和控制系统42，所述控制系统操作以便基于(例如)一个或多个输入(例如，来自温度传感器等)来控制AC-DC功率转换系统24以便在高效率操作模式或高泵热操作模式中操作TEC 26。如所说明，在此实例中，任选的DC-DC转换器40可用于调整提供给TEC 26(当在高效率操作模式中操作时)的输出功率电平。控制系统42可包括(例如)一个或多个处理器，或处理电路，例如一个或多个微处理器、一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)、一个或多个专用集成电路(ASIC)，或类似者。
图8是说明根据本公开的一些实施例的图7的控制系统42的操作的流程图。关于图7来描述此过程。如所说明，控制系统42确定将在其中操作TEC 26的操作模式(步骤100)。可以基于一个或多个输入(例如，来自温度传感器的输入)来作出所述确定。如果TEC 26的所确定的操作模式是高泵热操作模式(步骤102；否)，那么控制系统42针对高泵热操作模式来配置AC-DC功率转换系统24(步骤104)。具体来说，控制系统42经由高W转换器启用信号而启用高功率AC-DC功率转换器28，且经由低W转换器启用信号而停用低功率AC-DC功率转换器32。另外，控制系统42经由DC切换控制信号来控制切换构造38将高功率AC-DC功率转换器28的输出耦合到TEC 26的输入，且控制AC切换网络34将AC源耦合到高功率AC-DC功率转换器28的输入。任选地，控制系统42自适应地控制DC-DC转换器30以便在高泵热操作模式期间自适应地调整提供给TEC 26的输出功率(步骤106)。DC-DC转换器30可用于在预定高功率电平范围内调整输出功率电平。在一些实施例中，所述高功率电平范围是对应于在TEC 26的最大泵热能量(Qmax)的30％到100％内或包括所述最大泵热能量的30％到100％(例如，Qmax的30％到100％、Qmax的50％到100％、Qmax的75％到100％、Qmax的40％到90％，或类似者)的泵热能量范围的功率电平范围。在其它实施例中，高功率电平范围是其中例如高功率AC-DC功率转换器28以高功率AC-DC功率转换器28的大致最大效率执行的功率电平范围。
值得注意的是，当在高泵热操作模式中操作时，在一些实施例中，可能需要在一个功率电平下操作一些TEC 26且在另一功率电平下操作其它TEC 26。在此情况下，操作AC-DC功率转换系统24以使得将这两个功率电平中的较高者输入到切换构造38。切换构造38智能地经过控制以便将此更高的功率电平提供给适当的TEC 26。对于需要较低功率电平的其它TEC26，切换构造38智能地经过控制以便使用脉冲宽度调制(PWM)或周期性开/关切换将较高功率电平转换为较低功率电平，随后将所述较低功率电平提供给适当的TEC 26。以此方式，通过使用PWM或周期性开/关切换来智能地控制切换构造38以便解决其中一个或多个TEC 26独立地需要不同的功率电平但是仅耦合到高功率AC-DC功率转换器28的情形。
当在高泵热操作模式中操作时，控制系统42监视模式变化(即，监视将根据(例如)预定模式控制程序而触发对高效率操作模式的切换的一个或多个条件(步骤108)。如果未检测到模式变化，那么控制系统42返回到步骤106且继续。如果存在模式变化，那么控制系统42返回到步骤102且继续。
返回到步骤102，如果所确定的操作模式是高效率操作模式(步骤102；是)，那么控制系统42针对高效率操作模式来配置AC-DC功率转换系统24(步骤110)。具体来说，在一些实施例中，控制系统42经由低W转换器启用信号而启用低功率AC-DC功率转换器32，且经由高W转换器启用信号而停用高功率AC-DC功率转换器28。值得注意的是，在其它实施例中，低功率AC-DC功率转换器32一直被启用，且仅高功率AC-DC功率转换器28是取决于操作模式而被启用/停用。另外，对于高效率操作模式，控制系统42经由DC开关控制信号来控制切换构造38将低功率AC-DC功率转换器32的输出耦合到TEC 26的输入，且控制AC切换网络34将AC源耦合到低功率AC-DC功率转换器32的输入。任选地，控制系统42自适应地控制DC-DC转换器40以便在高效率操作模式期间自适应地调整提供给TEC 26的输出功率(步骤112)。DC-DC转换器40可用于在预定低功率电平范围内调整输出功率电平。在一些实施例中，所述低功率电平范围是其中例如TEC 26在TEC 26的大致最大COP处操作的输出功率电平范围(例如，输出功率电平范围对应于在COPmax的80％到100％内或包括所述COPmax的80％到100％(例如，COPmax的80％到100％、COPmax的90％到100％、COPmax的82％到98％，或类似者)的COP值范围)。
值得注意的是，当在高效率操作模式中操作时，在一些实施例中，可能需要在一个功率电平下操作一些TEC 26且在另一功率电平下操作其它TEC 26。在此情况下，操作AC-DC功率转换系统24以使得将这两个功率电平中的较高者输入到切换构造38。切换构造38智能地经过控制以便将此更高的功率电平提供给适当的TEC 26。对于需要较低功率电平的其它TEC26，切换构造38智能地经过控制以便使用PWM或周期性开/关切换将较高功率电平转换为较低功率电平，随后将所述较低功率电平提供给适当的TEC 26。以此方式，通过使用PWM或周期性开/关切换来智能地控制切换构造38以便解决其中一个或多个TEC 26独立地需要不同的功率电平但是仅耦合到低功率AC-DC功率转换器32的情形。
当在高效率操作模式中操作时，控制系统42监视模式变化(即，监视将根据(例如)预定模式控制程序而触发对高泵热操作模式的切换的一个或多个条件(步骤114)。如果未检测到模式变化，那么控制系统42返回到步骤112且继续。如果存在模式变化，那么控制系统42返回到步骤102且继续。
图9说明根据本公开的一些其它实施例的系统22。此处，一个或多个TEC 26包括若干(N)组TEC 26-1到26-N，其中每一组包括一个或多个TEC。此外，切换构造38具有所述组TEC 26-1到26-N中的每一者的单独的输出，使得所述组TEC 26-1到26-N可以独立地耦合到高功率AC-DC功率转换器28或低功率AC-DC功率转换器32。换句话说，所述组TEC 26-1到26-N独立地经过控制以便在高泵热操作模式或高效率操作模式中操作。
作为实例，可以在高泵热操作模式中操作所述组TEC 26-1且可以在高效率操作模式中操作所述组TEC 26-N。为此，控制系统42启用高功率AC-DC功率转换器28和低功率AC-DC功率转换器32两者，且控制切换构造38将高功率AC-DC功率转换器28的输出耦合到所述组TEC 26-1的输入，且将低功率AC-DC功率转换器32的输出耦合到所述组TEC 26-N的输入。
图10是根据本公开的一些实施例的控制系统42的框图。如所说明，控制系统42包括一个或多个处理器44(例如，一个或多个微处理器、一个或多个FPGA、一个或多个ASIC，或类似者)、存储器46，和一个或多个输入/输出(I/O)组件48(例如，用于从温度传感器接收温度读数的接口)。在一些实施例中，本文中所描述的控制系统42的功能性在软件中实施且存储在存储器46中以供一个或多个处理器44执行。
在一些实施例中，提供包括指令的计算机程序，所述指令在被至少一个处理器执行时致使所述至少一个处理器实行根据本文中所描述的实施例中的任一者的控制系统42的功能性。在一些实施例中，提供含有上述计算机程序产品的载体。所述载体是电子信号、光学信号、无线电信号或计算机可读存储媒体(例如，非暂时性计算机可读媒体(例如存储器38))中的一者。
本领域技术人员将认识到对本公开的优选实施例的改进和修改。所有此类改进和修改被视为在本文公开的概念和所附权利要求书的范围内。

Claims (25)

1.一种用于驱动热电冷却器的高效率功率转换系统，其包括：
一个或多个热电冷却器(TEC)；以及
交流-直流(AC-DC)功率转换系统，其被配置成针对高效率操作模式和高泵热操作模式将功率供应给所述一个或多个TEC，所述AC-DC功率转换系统包括：
第一AC-DC功率转换器，其被配置成将AC输入转换为处于第一输出功率电平的DC输出，以便实现所述一个或多个TEC的所述高效率操作模式，所述第一输出功率电平对应于所述一个或多个TEC的高性能系数(COP)操作点，且所述第一AC-DC功率转换器在所述第一输出功率电平下具有大致等于所述第一AC-DC功率转换器的最大效率的效率；以及
第二AC-DC功率转换器，其被配置成将所述AC输入转换为处于第二输出功率电平的DC输出，以便实现所述一个或多个TEC的所述高泵热操作模式，所述第二输出功率电平对应于所述一个或多个TEC的高泵热操作点，且所述第二AC-DC功率转换器在所述第二输出功率电平下具有大致等于所述第二AC-DC功率转换器的最大效率的效率，
其中，对于一个或多个TEC的高效率操作模式，启用第一AC-DC转换器且停用第二AC-DC转换器。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述AC-DC功率转换系统进一步包括切换构造，所述切换构造包括：第一输入，其耦合到所述第一AC-DC功率转换器的输出；第二输入，其耦合到所述第二AC-DC功率转换器的输出；以及输出，其耦合到所述一个或多个TEC。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述AC-DC功率转换系统进一步包括DC-DC转换器，所述DC-DC转换器具有：输入，其耦合到所述第二AC-DC功率转换器的输出；以及输出，其耦合到所述切换构造的所述第二输入。
4.如权利要求3所述的系统，其进一步包括控制器，所述控制器被配置成当在所述高泵热操作模式中操作所述一个或多个TEC时自适应地控制所述DC-DC转换器，以便在预定高功率电平范围内自适应地调整提供给所述一个或多个TEC的功率电平。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述预定高功率电平范围是对应于在所述一个或多个TEC的最大泵热(Qmax)的30％到100％内或包括所述最大泵热(Qmax)的30％到100％的泵热能量范围的功率电平范围。
6.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述AC-DC功率转换系统进一步包括DC-DC转换器，所述DC-DC转换器具有：输入，其耦合到所述第一AC-DC功率转换器的输出；以及输出，其耦合到所述切换构造的所述第一输入。
7.如权利要求6所述的系统，其进一步包括控制器，所述控制器被配置成当在所述高效率操作模式中操作所述一个或多个TEC时自适应地控制所述DC-DC转换器，以便在预定低功率电平范围内自适应地调整提供给所述一个或多个TEC的功率电平。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述预定低功率电平范围是对应于在所述一个或多个TEC的最大COP(COPmax)的80％到100％内或包括所述最大COP的80％到100％的COP值范围的功率电平范围。
9.如权利要求2所述的系统，其进一步包括控制器，所述控制器被配置成选择性地控制所述切换构造，使得所述一个或多个TEC耦合到第一AC-DC功率转换器的所述输出以便实现所述高效率操作模式，且耦合到所述第二AC-DC功率转换器的所述输出以便实现所述高泵热操作模式。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述控制器进一步被配置成启用所述第一AC-DC功率转换器且停用所述第二AC-DC功率转换器以便实现所述一个或多个TEC的所述高效率操作模式。
11.如权利要求10所述的系统，其特征在于，所述控制器进一步被配置成启用所述第二AC-DC功率转换器以便实现所述一个或多个TEC的所述高泵热操作模式。
12.如权利要求1所述的系统，其特征在于，：
所述一个或多个TEC包括第一组TEC和第二组TEC，所述第一组和第二组TEC中的每一者包括一个或多个TEC；且
所述AC-DC功率转换系统进一步包括切换构造，所述切换构造包括：第一输入，其耦合到所述第一AC-DC功率转换器的输出；第二输入，其耦合到所述第二AC-DC功率转换器的输出；第一输出，其耦合到所述第一组TEC；以及第二输出，其耦合到所述第二组TEC；
其中所述切换构造被配置成将所述第一和第二组TEC独立地耦合到所述第一和第二AC-DC功率转换器，使得在所述高效率操作模式或所述高泵热操作模式中独立地操作所述第一和第二组TEC。
13.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述高性能系数操作点是最大COP操作点，且所述高泵热操作点是最大泵热操作点。
14.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述控制器进一步被配置成：
当在所述高泵热操作模式中操作时关闭所述第一AC-DC功率转换器；以及
当在所述高效率操作模式中操作时关闭所述第二AC-DC功率转换器。
15.一种用于驱动热电冷却器的高效率功率转换方法，其控制交流-直流(AC-DC)功率转换系统以便针对高效率操作模式和高泵热操作模式将功率提供给一个或多个热电冷却器(TEC)，所述AC-DC功率转换系统包括：第一AC-DC功率转换器，其被配置成将AC输入转换为处于第一输出功率电平的DC输出以便实现所述一个或多个TEC的所述高效率操作模式；以及第二AC-DC功率转换器，其被配置成将所述AC输入转换为处于第二输出功率电平的DC输出以便实现所述一个或多个TEC的所述高泵热操作模式，所述方法包括：
确定是在所述高效率操作模式还是所述高泵热操作模式中操作所述一个或多个TEC；
在确定在所述高效率操作模式中操作所述一个或多个TEC之后，配置所述AC-DC功率转换系统以便将所述第一AC-DC功率转换器的输出耦合到所述一个或多个TEC，所述第一AC-DC功率转换器的所述DC输出的所述第一输出功率电平对应于所述一个或多个TEC的高性能系数(COP)操作点，且所述第一AC-DC功率转换器在所述第一输出功率电平下具有大致等于所述第一AC-DC功率转换器的最大效率的效率；以及
在确定在所述高泵热操作模式中操作所述一个或多个TEC之后，配置所述AC-DC功率转换系统以便将所述第二AC-DC功率转换器的输出耦合到所述一个或多个TEC，所述第二AC-DC功率转换器的所述DC输出的所述第二输出功率电平对应于所述一个或多个TEC的高泵热操作点，且所述第二AC-DC功率转换器在所述第二输出功率电平下具有大致等于所述第二AC-DC功率转换器的最大效率的效率。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述AC-DC功率转换系统进一步包括切换构造，所述切换构造包括：第一输入，其耦合到所述第一AC-DC功率转换器的所述输出；第二输入，其耦合到所述第二AC-DC功率转换器的所述输出；以及输出，其耦合到所述一个或多个TEC，且
配置所述AC-DC功率转换系统以便将所述第一AC-DC功率转换器的所述输出耦合到所述一个或多个TEC包括：配置所述切换构造以便将所述切换构造的所述第一输入耦合到所述切换构造的所述输出；以及
配置所述AC-DC功率转换系统以便将所述第二AC-DC功率转换器的所述输出耦合到所述一个或多个TEC包括：配置所述切换构造以便将所述切换构造的所述第二输入耦合到所述切换构造的所述输出。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述AC-DC功率转换系统进一步包括切换构造，所述切换构造包括：第一输入，其耦合到所述第一AC-DC功率转换器的所述输出；第二输入，其耦合到所述第二AC-DC功率转换器的所述输出；第一输出，其耦合到所述一个或多个TEC的第一子组；以及第二输出，其耦合到所述一个或多个TEC的第二子组，且
配置所述AC-DC功率转换系统以便将所述第一AC-DC功率转换器的所述输出耦合到所述一个或多个TEC包括：
配置所述切换构造以便将所述切换构造的所述第一输入耦合到所述切换构造的所述第一输出和所述切换构造的所述第二输出；以及
利用脉冲宽度调制或开/关切换在所述切换构造的所述第二输出处提供小于所述切换构造的所述第一输出处的输出功率电平的输出功率电平。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述AC-DC功率转换系统进一步包括切换构造，所述切换构造包括：第一输入，其耦合到所述第一AC-DC功率转换器的所述输出；第二输入，其耦合到所述第二AC-DC功率转换器的所述输出；第一输出，其耦合到所述一个或多个TEC的第一子组；以及第二输出，其耦合到所述一个或多个TEC的第二子组，且
配置所述AC-DC功率转换系统以便将所述第二AC-DC功率转换器的所述输出耦合到所述一个或多个TEC包括：
配置所述切换构造以便将所述切换构造的所述第二输入耦合到所述切换构造的所述第一输出和所述切换构造的所述第二输出；以及
利用脉冲宽度调制或开/关切换在所述切换构造的所述第二输出处提供小于所述切换构造的所述第一输出处的输出功率电平的输出功率电平。
19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述AC-DC功率转换系统进一步包括DC-DC转换器，其具有耦合到所述第二AC-DC功率转换器的所述输出的输入和耦合到所述切换构造的所述第二输入的输出，且所述方法进一步包括：在确定在所述高泵热操作模式中操作所述一个或多个TEC之后，当在所述高泵热操作模式中操作所述一个或多个TEC时自适应地控制所述DC-DC转换器以便在预定高功率电平范围内自适应地调整提供给所述一个或多个TEC的功率电平。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述预定高功率电平范围是对应于在所述一个或多个TEC的最大泵热(Qmax)的30％到100％内或包括所述最大泵热(Qmax)的30％到100％的泵热能量范围的功率电平范围。
21.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述AC-DC功率转换系统进一步包括DC-DC转换器，其具有耦合到所述第一AC-DC功率转换器的所述输出的输入和耦合到所述切换构造的所述第一输入的输出，且所述方法进一步包括：在确定在所述高效率操作模式中操作所述一个或多个TEC之后，当在所述高效率操作模式中操作所述一个或多个TEC时自适应地控制所述DC-DC转换器以便在预定低功率电平范围内自适应地调整提供给所述一个或多个TEC的功率电平。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述预定低功率电平范围是对应于在所述一个或多个TEC的最大COP(COPmax)的80％到100％内或包括所述最大COP的80％到100％的COP值范围加减10％的功率电平范围。
23.如权利要求15所述的方法，其进一步包括：在确定在所述高效率操作模式中操作所述一个或多个TEC之后，启用所述第一AC-DC功率转换器且停用所述第二AC-DC功率转换器。
24.如权利要求23所述的方法，其进一步包括：在确定在所述高泵热操作模式中操作所述一个或多个TEC之后，启用所述第二AC-DC功率转换器。
25.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述高性能系数操作点是最大COP操作点，且所述高泵热操作点是最大泵热操作点。
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