CN110892788B - 通用功率转换器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于伴热应用的功率转换器。该功率转换器包括被配置为控制输入切换级的控制器。该功率转换器还包括输出滤波器，输出滤波器电耦合到输入切换级。进一步的，功率转换器包括无源冷却元件，无源冷却元件耦合到功率转换器。控制器被配置为选择峰值电压，以及基于至少峰值电压和功率转换器输入电压之一来设置功率转换器输出电压。无源冷却元件被配置为降低功率转换器的温度以及避免以移动配件冷却的需求，从而使系统除了非危险区域之外，还对危险区域可行。输入切换级包括多个晶体管。功率转换器输出电压和功率转换器输入电压两者均为交流电。

Description

通用功率转换器
相关申请的交叉引用
这个申请是非临时性申请，并且要求于2017年5月18日提交的标题为“UniversalPower Converter”的美国临时专利申请序列No.62/508,282的权益，并且通过引用将其完整地并入本文。
背景技术
AC-AC功率转换器允许在各种应用中的灵活的输出功率控制。传统地，用于许多AC负载的功率控制是由占空比切换算法执行的，该占空比切换算法实质上跨越整个线周期(line cycle)，因此在没有改变峰值输出电压的情况下调节了输出功率。当前，存在用于kW范围中的AC-AC转换器的解决方案。然而，这些解决方案依赖于输入切换级、储能电路(tankstorage)(诸如在谐振转换器中)以及输出切换级(或逆变器)，以及一些解决方案依赖于DC链路。在“危险”区域中实施这解决方案变得昂贵且困难。既在kW范围中操作又是商业上可负担的所有现有的解决方案依赖于内部冷却风扇的使用，而这样的冷却风扇被禁止用于在危险区域中的功率转换器中。具体地，工业伴热(heat tracing)市场不允许在许多关键应用中的功率转换器中的冷却风扇。因此，将用于具有达到峰值电压的AC-AC转换器的当前解决方案扩展到伴热应用和危险区域应用变得非常昂贵。
现有的功率转换器是昂贵的，并且许多不满足在危险区域中的使用的要求，并且具体是在工业伴热应用中的使用的要求。因此，需要一种用于在危险区域中的使用的改善的功率转换器。
发明内容
经由现在所公开的被配置用于危险区域或非危险区域中的使用的通用功率转换器来满足前述需求。该发明的实施例提供了一种AC-AC功率转换器，该AC-AC功率转换器产生在千瓦范围中的AC功率以及控制峰值输出电压，同时维持许多AC负载所要求的基本上正弦的波形。
在一个实施例中，公开了一种用于伴热应用的功率转换器。该功率转换器包括被配置为控制输入切换级的控制器。功率转换器还包括输出滤波器，该输出滤波器电耦合到输入切换级。进一步的，功率转换器包括无源冷却元件(passive cooling element)，该无源冷却元件耦合到功率转换器。控制器被配置为选择峰值电压，以及基于至少峰值电压和功率转换器输入电压之一来设置功率转换器输出电压。无源冷却元件被配置为降低功率转换器的温度。输入切换级包括诸如MOSFET、IGBT或其它晶体管的多个固态开关。功率转换器输出电压和功率转换器输入电压包括交流电(AC)。
无源冷却元件可以是散热器，使得功率转换器不被具有移动配件的冷却系统冷却，从而使得功率转换器能够在危险区域中操作。输出滤波器可以包括电阻器、电容器和电感器中的至少一个；电感器可以被配置为优化功率转换器的效率。功率转换器还可以被配置为：与多个自调节加热器一起使用，该多个自调节加热器中的每个自调节加热器被配置用于不同的额定功率；和/或与各自具有不同的线缆输入电压的多条矿物绝缘的加热线缆一起使用，该控制器基于功率转换器输入电压来控制输入切换级，以产生，作为功率转换器输出电压，任意的不同的线缆输入电压。
在另一个实施例中，公开了一种AC-AC功率转换器。该AC-AC功率转换器包括控制器，该控制器被配置为控制输入切换级。另外地，AC-AC功率转换器包括输出滤波器，该输出滤波器电耦合到输入切换级。进一步的，AC-AC功率转换器包括散热器，该散热器耦合到AC-AC功率转换器。控制器被配置为设置AC-AC功率转换器的峰值输出电压。散热器被配置为冷却AC-AC功率转换器。输入切换级可以包括全桥输入切换级，以及输出滤波器可以包括多个无源电气部件。
散热器的尺寸被确定为以避免需要冷却风扇和具有移动配件的任何其它冷却系统，从而使得AC-AC功率转换器能够在危险区域中操作。全桥输入切换级可以包括多个绝缘栅双极晶体管(IGBT)，该输入切换级将AC-AC功率转换器配置为降压转换器。输出滤波器的无源电气部件可以包括电阻器、电容器和电感器中的至少一个；例如，输出滤波器可以包括电容器和电感器，电感器电连接到电容器以形成LC滤波器。控制器可以使得AC-AC功率转换器能够实现1kW至60kW的操作范围，以及可以将功率转换器配置用于：与各自具有不同的线缆输入电压的多条矿物绝缘的加热线缆一起使用，该控制器基于功率转换器输入电压控制输入切换级，以产生，作为功率转换器输出电压，任意的不同的线缆输入电压；和/或与多个自调节加热器一起使用，该多个自调节加热器中的每个自调节加热器被配置用于不同的额定功率。
附图说明
图1是根据本公开的通用功率转换器的实施例的电路级示意图；
图2A是根据本公开的通用功率转换器的另一个实施例的电路级示意图；
图2B是示出根据本公开的图2A的通用功率转换器的操作的波形图；
图3A-图3B图示了根据本公开的通用功率转换器的另一个实施例的物理表示；
图4是根据本公开的过零(zero-crossing)控制器的实施例的高层次框图；以及
图5是根据本公开的关于图4的过零控制器的模拟输出；
图6是本文所描述的AC-AC功率转换器的实施例的测量的输入和输出的曲线图。
具体实施方式
在详细解释该发明的任何实施例之前，要理解的是，该发明在其应用中不限于下面描述中所阐述的或在下面附图中所图示的部件的构造和布置的细节。该发明能够为其它实施例和能够以各种方式实践或执行。还要理解的是，本文所使用的措辞和术语是为了描述的目的，而不应当被认为是限制性的。本文中“包括”、“包含”或“具有”及其变体的使用意味着涵盖其后列出的项及其等同物以及另外的项。除非另有指定或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”和“耦合”及其变体被广泛使用以及涵盖直接和间接安装、连接、支撑和耦合两者。进一步的，“连接”和“耦合”不限于物理或机械连接或耦合。
提出下面的讨论以使得本领域技术人员能够制造和使用该发明的实施例。对于本领域技术人员来说，对所示实施例的各种修改将是显而易见的，以及本文的一般原理可以在不脱离该发明的实施例的情况下应用于其它实施例和应用。因而，该发明的实施例不旨在限于所示实施例，而是与符合本文所公开的原理和特征的最宽范围相一致。下面的详细描述要参考附图来阅读，其中不同图中的相似元素具有相似的标号。附图并不必然按比例绘制，附图描绘了所选择的实施例，并且不旨在限制本发明的实施例的范围。本领域技术人员将认识到的是，本文所提供的示例具有许多有用的替代并且落入该发明的实施例的范围内。
本公开的实施例提供了一种用于在伴热应用、自调节加热器、恒瓦数加热器和其它加热应用中使用的AC-AC转换器的系统和方法。本公开的附加实施例提供了一种用于在伴热应用、自调节加热器、恒瓦数加热器和其它加热应用中使用的AC/DC、DC/AC、DC/DC或任何其它组合的转换器的系统和方法。
图1是根据本公开的功率转换器102的示意图。功率转换器102可以是定制的降压转换器(Buck converter)或包括定制的降压转换器。功率转换器102可以包括输入切换级104以及输出滤波器106。AC电压源108可以与电感器110串联设置。电容器112、114可以被包括在功率转换器102内。输入切换级104可以包括多个晶体管116、118、120、122。晶体管116-122可以被布置为建立全桥输入切换级。所述多个晶体管116-122可以包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)、MOSFET、硅(Si)晶体管、碳化硅(SiC)晶体管、氮化镓(GaN)晶体管或者能够切换功能的任何其它元件。输入切换级104可以连接到输出滤波器106。输出滤波器可以包括多个无源电气部件。在某些情况下，具有包括被布置为建立LC滤波器的输出电感器124和输出电容器126的输出滤波器6可以是有益的。诸如电感器128的另外的无源部件可以被包括在功率转换器102中。经由功率转换器102，负载130(例如，如本文所描述的加热器线缆)被供应受控电压。
仍然参考图1，功率转换器102可以允许基于利用无源的电感和电容电路元件中的间歇能量存储切换高频和高电流晶体管的无变压器的电压源。来自功率转换器102的输出可以是具有预定的和可选择的峰值电压的正弦AC波形。在一些情况下，将绝缘栅双极晶体管(IGBT)用于晶体管116-122可以是有益的。在一些情况下，将碳化硅(SiC)用于晶体管116-122可以是有益的。预定的和可选择的峰值电压可以具有广泛的可能选择。在一些实施例中，峰值电压可以选择自120V-0V的范围。在其它实施例中，峰值电压可以选择自230V-0V的范围。在其它实施例中，峰值电压可以选择自85V-600V的范围。替代地，峰值电压可以选择自任何另外的电压范围。功率转换器102可以在不使用可能非常昂贵的抽头(tap)变压器的情况下产生可选择的峰值电压。在一些实施例中，来自功率转换器102的输出可以是50Hz的。在一些实施例中，来自功率转换器102的输出可以是60Hz的。在某些实施例中，来自功率转换器102的输出可以具有在1Hz至100kHz的范围内的频率。替代地，频率可以选择自任何另外的频率范围。
功率转换器102可以使用无源冷却。无源冷却可以经由功率转换器102内的散热器来执行。替代地，无源冷却可以经由功率转换器102内的液体冷却来执行。利用无源冷却方法可以使得功率转换器102能够在明确不允许冷却风扇的应用中使用。这应用的一个非限制性示例是功率转换器102在工业伴热应用和危险环境中的潜在使用，其中诸如电动冷却系统的产生火花的电子设备是不被允许的。进一步的，功率转换器102可以与自调节加热器一起使用。功率转换器102也可以与恒瓦数加热器一起使用。这样的恒瓦数加热器的一个非限制性示例是矿物绝缘(MI)的线缆。
通过经由功率转换器102选择峰值电压，为自调节加热器线缆提供的不同的瓦数额定值的数量可以被整合。这使得功率转换器102区别于当前的市场现实情形，在当前的市场现实情形中，我们希望有不同的瓦数输出额定值，但是仅仅具有一个或少量的线电压可用。进一步的，功率转换器102可以使能自调节加热器的软启动(其被定义为将AC电压从较低范围缓慢地升高到最终范围)，以避免断路器在涌流(inrush)情况下的降额(de-rating)。
目前，MI线缆是针对给定的电路长度和可用的线电压来定制制造的，或者是需要在库存中保留非常宽范围的不同的MI线缆以满足市场的需求。这是由于现在不能够拨入各种不同的电压来供应MI线缆。通过经由功率转换器210选择峰值电压，可以将MI线缆的瓦数输出调节到期望的或指定的值，这可以使得MI线缆能够从基于固定线电压针对给定瓦数输出的定制制造的线缆进一步发展，来使得增强输出到由该电压决定的更大程度。
图2A示出了作为简化的降压转换器模型的功率转换器202的另一个非限制性示例实施例。AC源208可以给晶体管216、218、220、222供电。AC源208可以与电感器210串联。电容器213可以与AC源208和电感器210的串联组合并联连接。输出电感器224和输出电容器226可以被包括在功率转换器202中。另外还可以包括负载230。这里，晶体管216与S1相关联，晶体管218与S2相关联，晶体管220与S3相关联，以及晶体管222与S4相关联。图2B示出了对应于图2A中所示实施例的仿真结果。AC源208输入由波形215示出。晶体管216的切换由波形217示出，以及晶体管220的切换由波形219示出。可以实现一个全桥输入切换级，其中切换为半桥发生在每个半周期期间。如所示，在正输入极性期间可以发生较快的S1/S2切换，而在负输入极性期间可以发生较快的S3/S4切换。可以通过占空比控制来控制功率转换器输出电压。在一个非限制性实施例中，开关晶体管可以包括两个半桥IGBT模块。在另一个非限制性实施例中，开关晶体管可以包括四个单IGBT模块。在某些情况下，使用EMI/RFI抑制膜电容器可以是有益的，因为当与电解电容器相比时，它们可能表现更好。
现在参考图3A-图3B，示出了功率转换器302的另一个示例实施例。图3A示出了可以实现任何上面描述的电气电路的功率转换器302的外部视图。功率转换器302可以包括壳体332。另外，功率转换器302可以包括AC源输入334和电源开关336。图3B示出了壳体332的内部。功率转换器302仍然可以包括诸如输出电容器326和输出电感器324的无源元件。功率转换器302还可以包括输入切换级。在某些实施例中，使输入切换级包括多个IGBT 304可以是有益的。可以具体地出于效率目的来优化输出电感器324。如由图3B所示的，功率转换器302可以包括控制器338。控制器338可以用于控制功率转换器输出电压。控制器338可以能够以90％的效率控制电压。替代地，控制器338可以能够以高于和低于90％的效率来控制电压。
参考图4，示出了功率转换器402的一个实施例的高层次框图。图4展示了如上面所描述的控制器438可以如何被包括在AC-AC功率转换器402内(即，作为AC-AC功率转换器402的部件)。过零检测器电路440被设计为检测输入正弦波过零和正弦波的极性。输入可以是正弦波、方波或基本上任何波形。AC电压源408可以连接到过零检测器电路440，在一些实施例中，该过零检测器电路440可以是光耦合器的系统。光耦合器的系统可以包括单向光耦合器450和双向光耦合器452。光耦合器450、452的输出可以去到施密特触发器442，以具有锐边的方波；另外地或替代地，可以控制电压以具有逻辑输出(高和低)。施密特触发器442的输出可以连接到控制器438。控制器438可以连接到多个光耦合器444。光耦合器444可以连接到另一个施密特触发器446。施密特触发器446的输出可以连接到缓冲器448。缓冲器448可以包括多个电容器。缓冲器448的输出可以连接到输入切换级404。如之前所陈述的，输入切换级404可以包括多个晶体管，如图1和图2A中所涉及的。
过零检测器电路的理论逻辑由表1示出：
P(单向输出) q(双向输出) 输入正弦波情况
0 0 过零
0 1 负(180至360度)
1 0 不适用(N/A)或过零
1 1 正(0至180度)
表1：过零检测器逻辑
参考表1，逻辑低由0表示。逻辑高由1表示。逻辑高可以指示诸如3.3V、5V或其它电压的正电压。
图5示出了根据表1设计的过零电路的模拟结果。正弦波502表示AC输入功率的电压。双向光耦合器的输出被显示为波504，其仅在正弦波502的过零处为零，以及在所有其它时间(零与高之间的过渡时段除外)为高(即，正电压)。单向光耦合器的输出被显示为波506，其当输入电压为正时为高，以及当输入电压为负时为零，在正弦波502的过零处在零和高状态之间过渡；当输入电压为正以及两个光耦合器正在输出高信号时，波506与波504重叠。图6示出了上面描述的示例AC-AC转换器的输入和输出侧在60％的占空比和16.5欧姆的负载下的一组实际结果。有噪声的正弦波602表示AC输入功率的电压；相对干净的正弦波604表示AC输出功率的电压；以及正弦波606表示以欧姆为单位的输出电流。
本领域技术人员将认识到的是，虽然上面关于特定实施例和示例描述了该发明，但是该发明不必要这样被限制，以及许多其它实施例、示例、使用、修改以及与实施例、示例和使用的偏离旨在被所附于此的权利要求涵盖。本文所引用的每个专利和出版物的全部公开内容通过引用并入，就像每个这样的专利或出版物通过引用分别并入本文一样。在下面的权利要求中阐述了该发明的各种特征和优点。

Claims (20)

1.一种用于伴热应用的功率转换器，所述功率转换器包括：
控制器，所述控制器被配置为与多条矿物绝缘的加热线缆一起使用，所述多条矿物绝缘的加热线缆中的每条单独的矿物绝缘的加热线缆具有不同的线缆输入电压，所述控制器被配置为控制包括多个晶体管的输入切换级，并且所述控制器还被配置为：
选择峰值电压；
基于所述峰值电压和功率转换器输入电压中的至少一者来设置功率转换器输出电压，所述功率转换器输出电压和所述功率转换器输入电压包括交流电，以及所述功率转换器输出电压是不同的线缆输入电压中的任一线缆输入电压；以及
基于所述功率转换器输入电压控制所述输入切换级以产生所述功率转换器输出电压；
输出滤波器，所述输出滤波器电耦合到所述输入切换级；以及
无源冷却元件，所述无源冷却元件耦合到所述功率转换器以降低所述功率转换器的温度，从而使得所述功率转换器能够在危险区域中操作。
2.如权利要求1所述的功率转换器，其中所述无源冷却元件包括散热器，且所述功率转换器不被具有移动配件的冷却系统冷却。
3.如权利要求1所述的功率转换器，其中所述输出滤波器包括一个或多个无源电气部件，所述一个或多个无源电气部件中的每个单独的无源电气部件包括电阻器、电容器和电感器中的至少一者。
4.如权利要求1所述的功率转换器，其中所述输出滤波器包括电感器，所述电感器被配置为优化所述功率转换器的效率。
5.一种AC-AC功率转换器，所述AC-AC功率转换器包括：
输入切换级，其中所述输入切换级包括全桥输入切换级；
控制器，所述控制器被配置为与多条矿物绝缘的加热线缆一起使用，所述多条矿物绝缘的加热线缆中的每条单独的矿物绝缘的加热线缆具有不同的线缆输入电压，所述控制器被配置为控制所述输入切换级以不同的线缆输入电压中的任一线缆输入电压产生所述AC-AC功率转换器的输出电压，并引起所述AC-AC功率转换器的期望的峰值输出电压；
输出滤波器，所述输出滤波器电耦合到所述输入切换级，以及所述输出滤波器包括多个无源电气部件；以及
散热器，所述散热器无源地冷却所述AC-AC功率转换器。
6.如权利要求5所述的AC-AC功率转换器，其中所述散热器的尺寸被确定为使得避免需要冷却风扇和具有移动配件的任何其它冷却系统，从而使得所述AC-AC功率转换器能够在危险区域中操作。
7.如权利要求5所述的AC-AC功率转换器，其中所述输入切换级是包括多个绝缘栅双极晶体管的全桥输入切换级，所述输入切换级将所述AC-AC功率转换器配置为降压转换器。
8.如权利要求5所述的AC-AC功率转换器，其中所述无源电气部件中的每个单独的无源电气部件包括电阻器、电容器和电感器中的至少一者。
9.如权利要求5所述的AC-AC功率转换器，其中所述无源电气部件包括电容器和电感器，所述电感器电连接到所述电容器以形成LC滤波器。
10.如权利要求5所述的AC-AC功率转换器，其中所述控制器使得所述AC-AC功率转换器能够实现1kW至60kW的操作范围。
11.一种用于伴热应用的功率转换器，所述功率转换器包括:
输入切换级；以及
控制器，所述控制器与所述输入切换级电气通信，以及所述控制器被配置为与多条矿物绝缘的加热线缆一起使用，所述多条矿物绝缘的加热线缆中的每条单独的矿物绝缘的加热线缆具有不同的线缆输入电压，所述控制器被配置为：
确定与由所述功率转换器产生的期望的交流输出电流对应的峰值电压；
根据通过交流AC源提供给所述功率转换器的交流输入电流来确定功率转换器输入电压；以及
基于所述峰值电压和所述功率转换器输入电压中的一者或两者来控制所述输入切换级以使所述功率转换器产生交流输出电流，其中功率转换器输出电压选自不同的线缆输入电压。
12.如权利要求11所述的功率转换器，其中所述输入切换级包括多个晶体管。
13.如权利要求12所述的功率转换器，其中所述多个晶体管协作以形成全桥电路。
14.如权利要求12所述的功率转换器，其中所述多个晶体管从所述交流AC源接收交流输入电流，所述功率转换器还包括：
与所述交流AC源串联地电气耦合到所述输入切换级的电感器；以及
与所述电感器并联电气耦合的电容器，
其中，所述功率转换器被形成为简化的降压转换器，用于以功率转换器输出电压产生交流输出电流。
15.如权利要求11所述的功率转换器，所述功率转换器还包括电气耦合到所述输入切换级的输出滤波器，所述输出滤波器包括多个无源电气部件。
16.如权利要求15所述的功率转换器，所述多个无源电气部件包括一个或多个电感器和与所述一个或多个电感器协作的一个或多个电容器，以对所述输入切换级的输出进行滤波，从而以所述功率转换器输出电压产生交流输出电流。
17.如权利要求11所述的功率转换器，所述功率转换器还包括被设置为冷却所述功率转换器的无源冷却元件，所述无源冷却元件使得所述功率转换器能够在其中产生火花的电子设备不被允许的危险环境中使用。
18.如权利要求17所述的功率转换器，其中所述无源冷却元件包括一个或多个散热器。
19.如权利要求11所述的功率转换器，所述功率转换器能够在所述交流AC源和所述多条矿物绝缘的加热线缆中的任何矿物绝缘的加热线缆之间电连接，所述控制器控制输入切换级，以使所述功率转换器以所述多条矿物绝缘的加热线缆中的所连接的矿物绝缘的加热线缆的对应的线缆输入电压向所连接的矿物绝缘的加热线缆提供交流输出电流。
20.如权利要求19所述的功率转换器，其中，为了确定峰值电压，所述控制器被配置为基于所连接的矿物绝缘的加热线缆的期望的瓦数输出从与所述期望的瓦数输出对应的电压范围中选择峰值电压。
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