CN110914934B - 具有可变电感器的谐振变流器 - Google Patents

具有可变电感器的谐振变流器 Download PDF

Info

Publication number
CN110914934B
CN110914934B CN201780040807.XA CN201780040807A CN110914934B CN 110914934 B CN110914934 B CN 110914934B CN 201780040807 A CN201780040807 A CN 201780040807A CN 110914934 B CN110914934 B CN 110914934B
Authority
CN
China
Prior art keywords
core
coupled
winding
switching device
resonant
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201780040807.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN110914934A (zh
Inventor
H·苏亚纳拉亚纳
梁嘉祺
J-P·基蒂拉
欧阳文
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ABB Schweiz AG
Original Assignee
ABB Schweiz AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Schweiz AG filed Critical ABB Schweiz AG
Publication of CN110914934A publication Critical patent/CN110914934A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110914934B publication Critical patent/CN110914934B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/2895—Windings disposed upon ring cores
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/24—Magnetic cores
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F29/00—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00
    • H01F29/14—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00 with variable magnetic bias
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/003—Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/5387—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/66—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal
    • H02M7/68—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters
    • H02M7/72—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/79—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/797—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F29/00—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00
    • H01F29/14—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00 with variable magnetic bias
    • H01F2029/143—Variable transformers or inductances not covered by group H01F21/00 with variable magnetic bias with control winding for generating magnetic bias
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F21/00—Variable inductances or transformers of the signal type
    • H01F21/02—Variable inductances or transformers of the signal type continuously variable, e.g. variometers
    • H01F21/08—Variable inductances or transformers of the signal type continuously variable, e.g. variometers by varying the permeability of the core, e.g. by varying magnetic bias
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F3/00—Cores, Yokes, or armatures
    • H01F3/10—Composite arrangements of magnetic circuits
    • H01F3/14—Constrictions; Gaps, e.g. air-gaps
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0048—Circuits or arrangements for reducing losses
    • H02M1/0054—Transistor switching losses
    • H02M1/0058—Transistor switching losses by employing soft switching techniques, i.e. commutation of transistors when applied voltage is zero or when current flow is zero
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/4815—Resonant converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/4815—Resonant converters
    • H02M7/4818—Resonant converters with means for adaptation of resonance frequency, e.g. by modification of capacitance or inductance of resonance circuits
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

公开了用于具有可变谐振槽的ZVT ZCT谐振变流器的独特系统、方法、技术及装置。一个示例性实施例是一种系统，该系统包括双向谐振变流器，该双向谐振变流器包括输入/输出端子、与输入/输出端子耦合的开关设备、与开关设备耦合并且包括可变电感器的谐振电路、与谐振电路耦合的输出/输入端子、以及与可变电感器可操作性地耦合的DC偏置电路。可变电感器包括环形芯、缠绕在环形芯周围并且与开关设备和输出/输入端子耦合的第一绕组、被构造为重叠环形芯的一部分的第二芯、以及缠绕第二芯并且与DC偏置电路耦合的第二绕组。DC偏置电路可被控制为通过使环形芯的一部分饱和来改变可变电感器的电感。

Description

具有可变电感器的谐振变流器
背景技术
谐振变流器包括零电压转换(ZVT)脉冲宽度调制(PWM)变流器和零电流转换变流器(ZCT)PWM变流器，其提供了很多益处，包括例如允许高开关频率、降低电磁噪声发射、以及允许使用较小的无源组件。现有的谐振变流器存在许多缺点和不足。仍然存在未被满足的需求，包括增大谐振操作范围、减小开关损耗、以及降低变流器组件上的应力。例如，当谐振变流器在其谐振操作范围之外工作时，变流器开关损耗增大并且开关上的应力增加。存在对于本文所公开的独特的装置、方法、系统及技术的显著的需求。
发明内容
出于清楚地、简明地及准确地描述本公开的非限制性示例实施例及其制造和使用的方式和过程，以及使得能够实践制造和使用本公开的方式和过程的目的，现在将参考某些示例性实施例，包括在附图中图示的那些实施例，并且将使用特定的语言来描述它们。然而，应当理解的是不会由此产生对本公开范围的限制，并且本公开包括和保护如本领域技术人员将通过本公开的益处而想到的示例性实施例的替代、改变及进一步的应用。
示例性实施例包括用于具有可变谐振槽(tank)的零电压转换零电流转换谐振变流器的独特系统、方法、技术及装置。根据以下描述和附图，本公开的其他实施例、形式、目的、特征、优势、方面和益处将变得显而易见。
附图说明
图1图示了示例性谐振变流器。
图2-图5图示了示例性可变电感器。
图6图示了另一示例性谐振变流器。
图7是图示诸如图1和图6的变流器等示例性变流器的谐振操作范围的多个图表。
具体实施方式
参考图1，其中图示了示例性谐振变流器100。应当理解的是变流器100可以在各种应用中实现，仅列举几个示例，包括电动车、混合动力车、电机驱动器及中压配电。在所示实施例中，变流器100被构造为将DC功率变换为三相AC功率。在其他实施例中，变流器100被构造为将在一个电压电平的DC功率变换为在第二电压电平的DC功率，或者将DC功率变换为单相AC功率。
变流器100被耦合到具有正极和负极的DC电源101。具体地，电源101被耦合到具有正轨105和负轨107的DC母线103。DC母线103的正轨105被耦合到DC电源101的正极，并且DC母线103的负轨107被耦合到DC电源101的负极。正轨105与负轨107之间的电压差为Vdc。应当理解的是，电源101可以直接被耦合到DC母线103、或者可以经由一个或多个中间组件而被耦合到DC母线103，并且这同样适于这里所述的其他元件被耦合到另一元件或与另一元件耦合的情况，除非明确地指示相反。
变流器100还包括辅助电路110，该辅助电路110具有对应于三个变流器相的三个支路。应当理解的是，其他实施例可以利用具有对应于不同数目的变流器相的不同数目的支路的变流器，该不同数目的范围从最少一个相/支路至最多三个相/支路。第一支路包括第一开关设备111a，第一开关设备111a具有被耦合到正轨105的第一端子和被耦合到谐振节点115a的第二端子。在图示实施例中，开关设备111a是具有续流二极管的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。开关设备111a可以是任何类型的半导体开关设备。应当理解的是，开关设备111a的任何或全部前述特征也可以存在于本文所公开的其他开关设备中。
电路110的第一支路还包括第二开关设备113a，第二开关设备113a具有被耦合到谐振节点115a的第一端子和被耦合到负轨107的第二端子。第二支路包括第一开关设备111b，第一开关设备111b具有被耦合到正轨105的第一端子和被耦合到谐振节点115b的第二端子。第二支路还包括第二开关设备113b，第二开关设备113b具有被耦合到谐振节点115b的第一端子和被耦合到负轨107的第二端子。第三支路包括第一开关设备111c，第一开关设备111c具有被耦合到正轨105的第一端子和被耦合到谐振节点115c的第二端子。第三支路还包括第二开关设备113c，第二开关设备113c具有被耦合到谐振节点115c的第一端子和被耦合到负轨107的第二端子。
变流器100还包括耦合到谐振节点115a-115c的可变谐振槽120。具体来说，槽120包括被耦合到谐振节点115a的、串联耦合的第一可变电感器121a和第一电容器123a；被耦合到谐振节点115b的、串联耦合的第二可变电感器121b和第二电容器123b；以及被耦合到谐振节点115c的、串联耦合的第三可变电感器121c和第三电容器123c。在某些实施例中，电容器123a-123c是可变电容器。如下面更详细地讨论的，可变电感器121a-121c包括：环形芯；缠绕在环形芯周围并且与辅助电路110和主电路130耦合的第一绕组；被构造成重叠环形芯的一部分的第二芯；以及第二绕组，第二绕组也被称作DC偏置线圈，其缠绕在第二芯周围并且与控制器150耦合，控制器150也被称作DC偏置电路。
主电路110包括三个支路。第一支路包括第一开关设备131a，第一开关设备131a具有被耦合到正轨105的第一端子和被耦合到输出节点135a的第二端子。第一支路还包括第二开关设备133a，第二开关设备133a具有被耦合到输出节点135a和负轨107的第一端子。第二支路包括第一开关设备131b，第一开关设备131b具有被耦合到正轨105的第一端子和被耦合到输出节点135b的第二端子。第二支路还包括第二开关设备133b，第二开关设备133b具有被耦合到输出节点135b的第一端子和被耦合到负轨107的第二端子。第三支路包括第一开关设备131c，第一开关设备131c具有被耦合到正轨105的第一端子和被耦合到输出节点135c的第二端子。第三支路还包括第二开关设备133c，第三开关设备133c具有被耦合到输出节点135c的第一端子和被耦合到负轨107的第二端子。
输出节点135a被耦合到谐振槽120的电容器123a和输出线140a；输出节点135b被耦合到电容器123b和输出线140b；并且输出节点135c被耦合到电容器123c和输出线140c。输出节点135a-135c被耦合到负载，该负载被构造成接收三相AC功率。
控制器150被耦合到开关设备111a-111c、113a-113c、131a-131c和133a-133c以及可变电感器121a-121c。控制器150被构造成通过向每个开关设备发送激活信号来操作开关设备。控制器150还被构造成通过利用磁通使环形芯的一部分饱和，来改变可变电感器的电感值。通过使环形芯的一部分饱和，可变电感器的电感被降低。控制器150通过向可变电感器的DC偏置线圈提供DC功率来使环形芯饱和。控制器150可以是一个控制器或者多个控制器。应当理解的是，变流器100的任意或全部前述特征也可以存在于本文公开的其他变流器中。
参考图2，其中图示了示例性可变电感器200。在一个实施例中，电感器200是图1中的变流器100的可变电感器121a-121c中的一个可变电感器。电感器200具有带有外表面的螺绕环(toroid)201。在所示实施例中，螺绕环被构造成具有圆形横截面的圆环。在其他实施例中，螺绕环201是具有矩形横截面的中空方形截面环。第一绕组203缠绕在螺绕环201的外表面的一部分周围。绕组203的一端被耦合到AC电源，并且绕组203的另一端被耦合到输出节点。当AC功率流经绕组203时，在环形磁通路径中生成AC磁通。螺绕环201可以包括气隙，该气隙被定位成使得该气隙和第一绕组203沿着螺绕环201的一部分重叠。芯205位于螺绕环203的中心，使得螺绕环201环绕芯205，并且第二绕组207(也被称作DC偏置线圈)缠绕在芯205周围。在某些实施例中，芯205可以包括气隙。DC电源被耦合到芯205。当DC功率流经绕组207时，沿着垂直于AC磁通路径的DC磁通路径生成DC磁通。DC磁通使AC磁通路径的一部分饱和。由于DC磁通路径没有气隙而AC磁通路径具有气隙，使用第二绕组207将螺绕环201饱和需要较少的功率，而能量可以被存储在AC磁通路径中的气隙中，从而导致减小的电感器尺寸。
在所示实施例中，芯205包括柱形部分。在其他实施例中，举几个示例，芯205包括矩形部分或方形部分。芯还可以包括置于螺绕环201的外表面的一部分上的两个板207a和207b，以及分别置于板207a和207b上的额外两个板209a和209b，使得板209a和209b与柱形芯部分205接触。用于第一绕组203的、通过螺绕环201的第一磁通路径通常是环形的，并且用于第二绕组207的、通过螺绕环201的第二磁通路径垂直于第一磁通路径。
在某些实施例中，电感器200包括第二芯和第二磁性绕组，第二芯被构造成与螺绕环201的第二部分重叠，第二磁性绕组缠绕在第二芯周围并且与第二DC偏置电路耦合，第二DC偏置电路是可控制的，以通过利用磁通使螺绕环201的第二部分饱和来改变可变电感器的电感。第二芯可以具有外表面、第一端部、第二端部、缠绕在第二柱体的外表面周围的第二磁性绕组、被耦合到第二柱体的第一端部并且与螺绕环的外表面接触的第二顶板、以及被电耦合到第二柱体的第二端部并且与螺绕环201的外表面接触的第二底板。
电感器200可以被并入诸如图1的变流器100的谐振变流器中。继续参考图1，控制器150被构造为：通过操作辅助电路110的开关来生成通过可变电感器200的电流；向可变电感器的第二绕组207提供电流，以便利用控制器150来变化可变电感器200的电感；利用基本上与提供给同一开关设备的第一端子的功率的电流和电压相等的电流和电压，向开关设备131a-131c中的一个开关设备的第二端子提供功率；以及在零电压、零电流条件期间，断开第二开关设备。控制器150还被构造为接收电压和负载电流要求；使用该电压和负载电流要求，计算期望的谐振槽阻抗；以及响应于计算期望的谐振槽阻抗，利用控制器向可变电感器的第二绕组提供电流。
控制器150被构造为通过按照谐振频率断开和闭合开关设备来操作辅助电路110的开关设备，以便向输出节点235a-235c提供谐振电流。对于每个输出相，使用以下等式，通过可变电感器121a-121c的电感值和电容器123a-123c的电容来确定谐振频率，其中f0是谐振频率，Lx是可变电感器的电感，并且Cx是电容器的电容：
Figure BDA0001927239160000061
对于可变电感器200包括多于一个芯205的实施例，控制器150还被构造为响应于计算期望的谐振槽阻抗，向可变电感器200的第二磁性绕组提供电流。例如，控制器150可以使用查找表来确定是否提供通过磁性绕组的电流。应当理解的是，可变电感器200的任何或全部前述特征也可以存在于本文所公开的其他可变电感器200中。
参考图3，其中图示了示例性可变电感器300。图3a是电感器300的俯视图，以及图3b是电感器300的侧视图。电感器300包括具有外表面的螺绕环301。第一绕组303缠绕在螺绕环301的外表面303的一部分周围。芯305位于螺绕环301的外部，使得芯305的一部分与螺绕环301的外表面接触。在所示实施例中，芯305被构造为C形结构(也被称为C-芯)，该C形结构包括与螺绕环301重叠的部分、被第二绕组301在其周围缠绕的中间部分、以及与螺绕环301重叠的第三部分。
参考图4(a)，其中图示了包括具有外表面的螺绕环401的示例性可变电感器400。电感器400还包括缠绕在螺绕环401的外表面的一部分周围的第一绕组403。C-芯位于螺绕环的内部，使得C-芯405的一部分与螺绕环401接触。第二绕组407缠绕在C-芯405周围。
参考图4(b)，其中图示了包括具有外表面的螺绕环411的另一示例性可变电感器410。第一绕组413缠绕在螺绕环411的外表面的一部分周围。第一C-芯405位于螺绕环411的外部，使得C-芯415与螺绕环411接触。第二绕组缠绕在C-芯415周围。第二C-芯419位于螺绕环411的外部，使得C-芯415与螺绕环411接触。第三绕组421缠绕在C-芯415周围。第三C-芯423位于螺绕环411的外部，使得C-芯423与螺绕环411接触。第四绕组417缠绕在C-芯415周围。
参考图5(a)-(c)，其中图示了另一示例性可变电感器500的侧视图，该可变电感器500具有：螺绕环501；缠绕在螺绕环501周围的第一绕组503；位于螺绕环501的中心的外部的C-芯505；以及缠绕在C-芯505外部的第二绕组507。C-芯505可以位于距螺绕环501的变化的距离509a、509b或509c处。可以在电感器500的操作期间调节距离509a-509c，以便改变电感器500的AC磁通路径的饱和度。
参考图6，其中图示了示例性变流器600，变流器600被构造为将在第一电压的DC功率转换为在第二电压的DC功率。变流器600被耦合到具有正极和负极的DC电源601。变流器包括被耦合到正极的DC母线正轨605和被耦合到负极的DC母线负轨607。正轨605与负轨607之间的电压差为Vdc。变流器600包括具有第一开关设备611的辅助支路610，第一开关设备611具有被耦合到正轨605的第一端子和被耦合到谐振节点615的第二端子。支路610还包括第二开关设备613，第二开关设备613具有被耦合到谐振节点615的第一端子和被耦合到负轨607的第二端子。
变流器600还包括谐振槽620，谐振槽620具有被串联耦合到谐振节点615的可变电感器621和电容器623。变流器600包括具有第一开关设备631的主支路630，第一开关设备631具有被耦合到正轨605的第一端子和被耦合到输出节点635的第二端子。支路630还包括第二开关设备633，第二开关设备633具有被耦合到输出节点635的第一端子和被耦合到负轨607的第二端子。输出节点635被耦合到谐振槽620和负载640。
变流器600还包括控制器650，控制器650被耦合到开关设备611、613、631和633以及可变电感器621。控制器150被构造为通过发送激活信号来操作开关设备。控制器150构造成为通过向可变电感器621传输DC功率来改变可变电感器621的电感值。
参考图7，其中图示了多个图表700，包括图示了具有固定谐振槽的谐振变流器的操作范围的图表710。图表710图示了：硬开关操作范围711，其中诸如在轻负载条件下，正常硬开关具有比使用谐振的软开关更低的损耗；谐振操作范围713，其中使用谐振的软开关降低了开关损耗；准谐振操作范围715，其中使用谐振的软开关降低了开关损耗，但由于操作限制而导致减小了电流导通；以及硬开关操作范围717，其中由于操作限制而不可能进行软开关。
图表720图示了具有可变谐振槽(诸如图1和图6的可变谐振槽)的谐振变流器的谐振操作范围。图表720图示了：硬开关操作范围721，其中正常硬开关具有比使用谐振的软开关更低的损耗；多个扩展的谐振操作范围723，其中使用谐振的软开关降低了开关损耗；以及多个准谐振操作范围725，其中使用谐振的软开关降低了开关损耗，但是由于操作限制而导致减小了电流导通。
现在将提供对多个示例性实施例的进一步书面描述。一个实施例是一种系统，该系统包括双向谐振变流器，该双向谐振变流器包括输入/输出端子、与输入/输出端子耦合的开关设备、与开关设备耦合并且包括可变电感器的谐振电路、与谐振电路耦合的输出/输入端子、以及与可变电感器可操作性地耦合的DC偏置电路；其中可变电感器包括环形芯、缠绕在环形芯周围并且与开关设备和输出/输入端子耦合的第一绕组、被构造为与环形芯的一部分重叠的第二芯、以及缠绕在环形芯周围并且与DC偏置电路耦合的第二绕组；并且其中DC偏置电路是可控制的，以通过利用磁通使环形芯的一部分饱和来改变可变电感器的电感。
在前述系统的某些形式中，第二芯包括定位在环形芯的中心内的柱形部分，以及径向向外延伸以与环形芯的一部分重叠的顶板部分和底板部分。在某些形式中，第二芯包括C形结构，该C形结构包括与环形芯重叠的顶部分、被第二绕组在周围缠绕的中间部分、以及与环形芯重叠的第三部分。在某些形式中，可变电感器包括第三芯和第三绕组，第三芯被构造为与环形芯的第二部分重叠，第三绕组缠绕在第三芯周围并且与第二DC偏置电路耦合，第二DC偏置电路是可控制的，以通过利用磁通使环形芯的第二部分饱和来改变可变电感器的电感。在某些形式中，用于第一绕组的、通过环形芯的第一磁通路径总体是环形的，并且用于第二绕组的、通过环形芯的第二磁通路径垂直于第一磁通路径。在某些形式中，环形芯包括气隙，气隙被定位成使得该气隙和第一绕组沿着环形芯的一部分重叠。
另一示例性实施例是一种可变电感器，该可变电感器包括：具有第一外表面的螺绕环；缠绕在第一外表面的至少一部分周围的第一绕组，该绕组被耦合到AC电源以在AC磁通路径中生成AC磁通；具有第二外表面的芯；以及缠绕在芯的第二外表面周围的第二绕组，该第二绕组被耦合到向该第二绕组提供DC功率的控制器，并且被构造为在DC磁通路径中生成DC磁通，DC磁通路径穿过螺绕环的一部分，其中由第二绕组生成的DC磁通的存在改变了电感器的电感值。
在前述系统的某些形式中，芯被构造为相对于螺绕环可被选择性地移动，从而有效地选择性地改变DC磁通所穿过的螺绕环的部分。在某些形式中，控制器被构造为通过向第二绕组提供DC功率来选择性地使AC磁通路径饱和。在某些形式中，芯包括具有第一端部和第二端部的柱体、被耦合到芯的第一端部并且与螺绕环的第一外表面接触的顶板、以及被耦合到芯的第二端部并且与螺绕环的第一外表面接触的底板。在某些形式中，电感器包括：第二芯，其包括具有第三外表面、第一端部和第二端部的柱体；缠绕在第二芯的柱体的第三外表面周围的第二DC绕组；被耦合到第二磁体的柱体的第一端部并且与螺绕环的第一外表面接触的第二顶板；以及被电耦合到第二芯的柱体的第二端部并且与螺绕环的第一外表面接触的第二底板。在某些形式中，芯的一部分被螺绕环环绕。在某些形式中，螺绕环被构造为具有圆形横截面的圆环或具有矩形横截面的中空方形截面环中的一者。在某些形式中，芯包括C-芯。
又一示例性实施例是一种方法，该方法包括：对谐振变流器电路系统进行操作，该谐振变流器电路系统包括第一开关设备、第二开关设备、以及电子控制系统，第一开关设备可操作性地与第一输入/输出端子和谐振槽耦合，谐振槽包括可变电感器，可变电感器包括第一芯、缠绕在第一芯周围并且可操作性地与第一开关设备耦合的第一绕组、第二芯、以及缠绕在第二芯周围的第二绕组，第二开关设备可操作性地与谐振槽和第二输入/输出端子耦合，电子控制系统可操作性地与第一开关设备和第二开关设备耦合并且被构造为控制到第二绕组的电流；该方法还包括操作电子控制系统以：提供通过可变电感器的第一绕组的电流，提供通过可变电感器的第二绕组的电流以便改变可变电感器的电感，从谐振槽向第二开关设备提供功率以使得由谐振槽施加到第二开关设备的电压和电流具有基本上与由第二输入/输出端子向第二开关设备提供的电流和电压相等的电压和电流，以及在零电压、零电流条件下，断开第二开关设备。
在前述方法的某些形式中，该方法包括：利用电子控制系统来接收电压和负载电流要求；使用电压和负载电流要求、利用电子控制系统来计算期望的谐振槽阻抗；以及响应于计算期望的谐振槽阻抗，操作电子控制系统以利用电子控制系统来向可变电感器的第二绕组提供电流。在某些形式中，电子控制系统被构造为通过以谐振频率断开和闭合开关设备来操作第一开关设备，以向第二输入/输出端子提供谐振电流。在某些形式中，该方法包括：对电路系统进行操作，该电路系统包括缠绕在第二芯周围并且与电子控制系统耦合的第三绕组；使用电压和负载要求来计算谐振槽阻抗的变化；以及响应于计算期望的谐振槽阻抗，向可变电感器的第三绕组提供电流。在某些形式中，电子控制系统包括多个基于微处理器的控制器。在某些形式中，谐振变流器被构造和控制为输出AC功率。
除非明确地声明相反，否则可以预期到根据各种实施例的各个方面、特征、过程和操作能够用于任何其他实施例。所示的某些操作可以由计算机执行非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序产品来实现，其中计算机程序产品包括使计算机执行一个或多个操作、或者向其他设备发出命令以执行一个或多个操作的指令。
尽管在附图和前面的描述中已经详细示出和描述了本公开，但是应当将其视为是说明性的而非限制性的，应当理解，仅示出和描述了某些示例性实施例，并且期望保护落入本公开的精神内的所有变化和修改。应当理解的是，尽管在上面的描述中使用诸如优选的(preferable)、优选地(preferably)、优选(preferred)或更优选(more preferred)等词语表示被如此描述的特征可能是更加期望的，但是这些特征可能不是必要的，并且可以想到没有被如此描述的实施例落入本公开的范围内，该范围由所附权利要求限定。在阅读权利要求时，意图在于当使用诸如“一”、“一个”、“至少一个”、“至少一部分”等词语时，除非在权利要求中特别声明相反，否则无意将该权利要求限制为仅一个项目。术语“耦合到”、“与…耦合”等包括间接连接和耦合，并且还包括(但不要求)直接耦合或连接，除非明确指示相反。当使用语言“至少一部分”和/或“一部分”时，除非特别声明相反，否则该项目可以包括一部分和/或整个项目。

Claims (20)

1.一种双向谐振变流器系统，包括：
双向谐振变流器，所述双向谐振变流器包括：输入/输出端子、与所述输入/输出端子耦合的开关设备、与所述开关设备耦合并且包括可变电感器的谐振电路、与所述谐振电路耦合的输出/输入端子、以及与所述可变电感器可操作性地耦合的DC偏置电路；
其中所述可变电感器包括：环形芯、缠绕在所述环形芯周围并且与所述开关设备和所述输出/输入端子耦合的第一绕组、被构造为重叠所述环形芯的一部分的第二芯、以及缠绕在所述第二芯周围并且与所述DC偏置电路耦合的第二绕组；以及
其中所述DC偏置电路能够被控制为通过利用磁通使所述环形芯的一部分饱和来改变所述可变电感器的电感。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二芯包括被定位在所述环形芯的中心内的柱状部分，以及径向向外延伸以重叠所述环形芯的一部分的顶板部分和底板部分。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二芯包括C形结构，所述C形结构包括重叠所述环形芯的顶部分、所述第二绕组在周围缠绕的中间部分、以及重叠所述环形芯的第三部分。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述可变电感器包括第三芯和第三绕组，所述第三芯被构造为重叠所述环形芯的第二部分，所述第三绕组缠绕在所述第三芯周围并且与第二DC偏置电路耦合，所述第二DC偏置电路能够被控制为通过利用磁通使所述环形芯的第二部分饱和来改变所述可变电感器的电感。
5.根据权利要求1所述的系统，其中用于所述第一绕组的、穿过所述环形芯的第一磁通路径总体是环形的，以及用于所述第二绕组的、穿过所述环形芯的第二磁通路径垂直于所述第一磁通路径。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述环形芯包括气隙，所述气隙被定位为使得所述气隙和所述第一绕组沿着所述环形芯的一部分重叠。
7.一种可变电感器，包括：
螺绕环，所述螺绕环包括第一外表面；
第一绕组，所述第一绕组缠绕在所述第一外表面的至少一部分周围，所述绕组被耦合到AC电源以在AC磁通路径中生成AC磁通；
芯，所述芯包括第二外表面；以及
第二绕组，所述第二绕组缠绕在所述芯的所述第二外表面周围，被耦合到向所述第二绕组提供DC功率的控制器，并且被构造为在DC磁通路径中生成DC磁通，所述DC磁通路径穿过所述螺绕环的一部分，
其中由所述第二绕组生成的DC磁通的存在改变所述电感器的电感值。
8.根据权利要求7所述的电感器，其中所述芯被构造为相对于所述螺绕环能够选择性地被移动，从而有效地选择性地改变所述DC磁通所穿过的所述螺绕环的所述部分。
9.根据权利要求7所述的电感器，其中所述控制器被构造为通过向所述第二绕组提供DC功率来选择性地使所述AC磁通路径饱和。
10.根据权利要求7所述的电感器，其中所述芯包括：具有第一端部和第二端部的柱体、被耦合到所述芯的所述第一端部并且与所述螺绕环的所述第一外表面接触的顶板、以及被耦合到所述芯的所述第二端部并且与所述螺绕环的所述第一外表面接触的底板。
11.根据权利要求10所述的可变电感器，包括：第二芯，所述第二芯具有带有第三外表面、第一端部以及第二端部的柱体；缠绕在所述第二芯的所述柱体的所述第三外表面周围的第二DC绕组；被耦合到所述第二芯的所述柱体的所述第一端部并且与所述螺绕环的所述第一外表面接触的第二顶板；以及被电耦合到所述第二芯的所述柱体的所述第二端部并且与所述螺绕环的所述第一外表面接触的第二底板。
12.根据权利要求7所述的电感器，其中所述芯的一部分被所述螺绕环环绕。
13.根据权利要求7所述的电感器，其中所述螺绕环被构造为以下项中的一项：具有圆形横截面的圆环，或者具有矩形横截面的中空方形截面环。
14.根据权利要求7所述的电感器，其中所述芯包括C-芯。
15.一种操作谐振变流器的方法，包括：
操作谐振变流器电路，所述谐振变流器电路包括：
第一开关设备，所述第一开关设备与第一输入/输出端子和谐振槽可操作性地耦合，所述谐振槽包括可变电感器，所述可变电感器包括第一芯、缠绕在所述第一芯周围并且与所述第一开关设备可操作性地耦合的第一绕组、第二芯、以及缠绕在所述第二芯周围的第二绕组，
第二开关设备，所述第二开关设备与所述谐振槽的所述第一绕组和第二输入/输出端子可操作性地耦合，以及
电子控制系统，所述电子控制系统与所述第一开关设备和所述第二开关设备可操作性地耦合，并且被构造为控制到所述第二绕组的电流；
操作所述电子控制系统以：
提供通过所述可变电感器的所述第一绕组的电流，
提供通过所述可变电感器的所述第二绕组的电流，以改变所述可变电感器的电感，
从所述谐振槽向所述第二开关设备提供功率，使得由所述谐振槽施加到所述第二开关设备的电压和电流具有与由所述第二输入/输出端子向所述第二开关设备提供的电流和电压相等的电压和电流，以及
在零电压、零电流条件期间，断开所述第二开关设备。
16.根据权利要求15所述的方法，包括：
利用所述电子控制系统来接收电压和负载电流要求；
使用所述电压和负载电流要求、利用所述电子控制系统来计算期望的谐振槽阻抗；以及
响应于计算所述期望的谐振槽阻抗，操作所述电子控制系统，以利用所述电子控制系统来向所述可变电感器的所述第二绕组提供电流。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述电子控制系统被构造为：通过以谐振频率断开和闭合所述开关设备来操作所述第一开关设备，以向所述第二输入/输出端子提供谐振电流。
18.根据权利要求17所述的方法，包括：
对电路系统进行操作，所述电路系统包括第三绕组，所述第三绕组缠绕在所述第二芯周围并且与所述电子控制系统耦合；
使用所述电压和负载要求来计算谐振槽阻抗的变化；以及
响应于计算所述期望的谐振槽阻抗，向所述可变电感器的所述第三绕组提供电流。
19.根据权利要求15所述的方法，其中所述电子控制系统包括多个基于微处理器的控制器。
20.根据权利要求15所述的方法，其中所述谐振变流器被构造和控制为输出AC功率。
CN201780040807.XA 2016-05-19 2017-05-18 具有可变电感器的谐振变流器 Active CN110914934B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US15/159,159 US9979273B2 (en) 2016-05-19 2016-05-19 Resonant converters with variable inductor
US15/159,159 2016-05-19
PCT/US2017/033298 WO2017201265A1 (en) 2016-05-19 2017-05-18 Resonant converters with variable inductor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110914934A CN110914934A (zh) 2020-03-24
CN110914934B true CN110914934B (zh) 2021-12-28

Family

ID=60325633

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201780040807.XA Active CN110914934B (zh) 2016-05-19 2017-05-18 具有可变电感器的谐振变流器

Country Status (4)

Country Link
US (2) US9979273B2 (zh)
EP (1) EP3459091B1 (zh)
CN (1) CN110914934B (zh)
WO (1) WO2017201265A1 (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10461651B2 (en) * 2017-12-05 2019-10-29 Abb Schweiz Ag Soft-switching power converters using air-core resonant inductor
TWI728927B (zh) * 2020-10-14 2021-05-21 廖益弘 零電壓切換雙向直交流轉換電路結構及其調變方法
CN112886812B (zh) * 2021-02-05 2022-06-21 广东工业大学 一种dc-dc变换器的动态调节方法和装置

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104541345A (zh) * 2012-08-28 2015-04-22 株式会社日立制作所 电力转换装置
KR20150063788A (ko) * 2013-12-02 2015-06-10 박찬웅 금속판 권선의 끝 부분을 통해 단자로 연결되는 트랜스포머 및 전원장치
DE102013114155A1 (de) * 2013-12-16 2015-06-18 Infineon Technologies Ag Verfahren zum Herstellen eines Induktorkerns für eine Chipanordnung und Chipanordnung

Family Cites Families (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2200263A (en) 1933-10-23 1940-05-14 Kramolin Leon Ladislaus De Variable reactor
DE975431C (de) * 1939-08-02 1961-11-23 Siemens Ag Magnetvariometer, insbesondere fuer Hochfrequenzzwecke
US2703391A (en) * 1952-03-07 1955-03-01 Charles F Gunderson Saturable reactor
US2915637A (en) 1953-11-30 1959-12-01 Int Electronic Res Corp Tuning system for toroid inductors
US2996695A (en) 1955-12-06 1961-08-15 Cgs Lab Inc Controllable inductor
US3735305A (en) 1972-09-20 1973-05-22 Us Air Force High power electrically variable inductor
CA1118509A (fr) * 1978-10-20 1982-02-16 Gerald Roberge Variable inductance
US4829232A (en) 1988-09-02 1989-05-09 General Motors Corporation Nonlinear resonant switch and converter
US5293308A (en) * 1991-03-26 1994-03-08 Auckland Uniservices Limited Inductive power distribution system
US5684678A (en) * 1995-12-08 1997-11-04 Delco Electronics Corp. Resonant converter with controlled inductor
US7518267B2 (en) 2003-02-04 2009-04-14 Access Business Group International Llc Power adapter for a remote device
US6337801B2 (en) 1999-12-16 2002-01-08 Virginia Tech Intellectual Properties, Inc. Three-phase zero-current-transition (ZCT) inverters and rectifiers with three auxiliary switches
US6933822B2 (en) 2000-05-24 2005-08-23 Magtech As Magnetically influenced current or voltage regulator and a magnetically influenced converter
TW535175B (en) 2000-10-16 2003-06-01 Primarion Inc System and method for orthogonal inductance variation
US6621718B1 (en) 2000-11-22 2003-09-16 International Business Machines Corporation Resonant converter circuit
US6954004B2 (en) * 2003-01-23 2005-10-11 Spellman High Voltage Electronics Corporation Doubly fed induction machine
CN1813396B (zh) 2003-05-23 2010-04-28 奥克兰联合服务有限公司 谐振变换器及其方法以及感耦电能传送系统
GB2407214A (en) * 2003-10-14 2005-04-20 Magtech A S Variable inductor
US7136293B2 (en) * 2004-06-24 2006-11-14 Petkov Roumen D Full wave series resonant type DC to DC power converter with integrated magnetics
US7889026B2 (en) 2008-01-08 2011-02-15 Harris Corporation Electronically variable inductor, associated tunable filter and methods
US8120457B2 (en) * 2010-04-09 2012-02-21 Delta Electronics, Inc. Current-controlled variable inductor
US8390373B2 (en) * 2010-06-08 2013-03-05 MUSIC Group IP Ltd. Ultra-high efficiency switching power inverter and power amplifier
US9263961B2 (en) 2013-07-23 2016-02-16 Raytheon Company Wide input DC/DC resonant converter to control reactive power
WO2015023899A2 (en) 2013-08-14 2015-02-19 Witricity Corporation Impedance tuning
US9484821B2 (en) * 2013-11-04 2016-11-01 Futurewei Technologies, Inc. Adjustable resonant apparatus for power converters
US9991040B2 (en) 2014-06-23 2018-06-05 Ferric, Inc. Apparatus and methods for magnetic core inductors with biased permeability

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104541345A (zh) * 2012-08-28 2015-04-22 株式会社日立制作所 电力转换装置
KR20150063788A (ko) * 2013-12-02 2015-06-10 박찬웅 금속판 권선의 끝 부분을 통해 단자로 연결되는 트랜스포머 및 전원장치
DE102013114155A1 (de) * 2013-12-16 2015-06-18 Infineon Technologies Ag Verfahren zum Herstellen eines Induktorkerns für eine Chipanordnung und Chipanordnung

Also Published As

Publication number Publication date
US20170338730A1 (en) 2017-11-23
US11183322B2 (en) 2021-11-23
EP3459091A1 (en) 2019-03-27
WO2017201265A1 (en) 2017-11-23
US20180241300A1 (en) 2018-08-23
EP3459091B1 (en) 2021-04-28
CN110914934A (zh) 2020-03-24
US9979273B2 (en) 2018-05-22
EP3459091A4 (en) 2020-01-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0778659B1 (en) Resonant converter with controlled inductor
US10630191B2 (en) Transformer and LLC resonant converter having the same
Steigerwald et al. A comparison of high-power DC-DC soft-switched converter topologies
US8406017B2 (en) Resonant inverter
US20090154200A1 (en) Controller circuit and system having such a controller circuit
US10492283B2 (en) High-voltage generator for an X-ray device
JP6157625B2 (ja) ゲート電源装置及びこれを用いた半導体遮断器
CN110914934B (zh) 具有可变电感器的谐振变流器
US11430598B2 (en) Power converter
KR102349935B1 (ko) 반도체 변압기 전원공급장치 및 그의 동작 방법
KR101245520B1 (ko) 대칭형 양방향 공진형 컨버터
US20100123450A1 (en) Interleaved llc power converters and method of manufacture thereof
Zaheer et al. Parallel tuned contactless power pickup using saturable core reactor
Hsieh et al. Output regulation with integrated SR switch duty cycle control for wireless power transfer systems
CN114172375B (zh) 一种直流变换器
KR101688790B1 (ko) 이중 강압형 dc-dc 컨버터 및 그 구동방법
JP2016158422A (ja) フォワード形ｄｃ−ｄｃコンバータ回路
JPH11299238A (ja) 高圧電源回路
US11973429B2 (en) Resonant tank circuit and method for configuring resonant tank circuit
JPH0576178A (ja) スイツチング電源装置
US20170346339A1 (en) Inductive power transfer system
JPS597204B2 (ja) 高周波スイツチング電源の高周波用トランス
JPH0622548A (ja) スイッチング電源装置
JP2016067187A (ja) Ｄｃ−ｄｃコンバータ
JPH06284717A (ja) 共振形ｄｃ−ｄｃコンバータ

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant