CN110999063A - 谐振交流至直流转换器 - Google Patents

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马塞勒斯·哈佩尔
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Abstract

设备(102)包括电感电路(202)，该电感电路(202)包括电感器TL，该电感器的第一端与具有基频的交流电源(110)的每一相串联连接。设备(102)包括电容电路(204)，其中每一相的电容CR并联连接在相的电感器TL的第二端和中性连接点之间。电容CR和电感器TL形成谐振频率。设备(102)包括具有输入端和输出端的整流电路(206)。输入端与相的电感器TL的第二端串联连接。谐振频率与基频相关，以在基频处提供增益。该增益将基频处的整流电路的输入电压提升至高于交流电源(110)的输出电压。

Description

谐振交流至直流转换器
技术领域
本发明涉及电源，并且更具体地涉及谐振交流至直流转换器电源。
背景技术
虽然供电部门提供的是交流(“AC”)电，但大多数电子设备需要直流(“DC”)电。随着电子设备的增加，需要将交流电转换成直流电的电力负载也急剧增加，即使是曾经由交流电驱动的负载也是如此。带有交流至直流转换器的电力负载产生的谐波会给电力设施带来问题。减少低效的电力转换对于保护自然资源以及降低冷却需求和降低电力成本同样至关重要。
早期的交流至直流转换器和直流至交流转换器使用线性元件，并且效率非常低。开关模式转换器现已经变得非常流行，并且已经采用了许多技术来减少开关损耗。然而，开关损耗和开关元件的可靠性仍然是交流至直流转换器和其他转换电力的转换器的问题所在。
发明内容
一种谐振交流至直流转换器设备包括电感电路，所述电感电路包括电感器，所述电感器的第一端与具有基频的交流(“AC”)电源的每一相串联连接。所述设备包括电容电路，所述电容电路包括用于每一相的电容。每个电容并联连接在相的所述电感器的第二端和中性连接点之间。所连接相的所述电容和所述电感器形成谐振频率。所述设备包括整流电路，所述整流电路包括输入端和输出端。对于每一相，所述输入端与该相的所述电感器的所述第二端串联连接。所述谐振频率与所述基频相关，以提供所述基频处的增益。所述增益将所述基频处的所述整流电路的输入电压提升至高于所述交流电源的输出电压。
在一些实施方案中，所述电感电路包括变压器，所述变压器的初级侧连接到所述交流电源的每一相。所述变压器包括用于每一相的漏电感。所述电容电路连接在所述变压器的次级和所述变压器的所述次级的所述中性连接点之间，并且所述谐振频率处的增益将在所述基频处的所述变压器的所述次级电压提升到高于由所述变压器的匝数比产生的所述变压器的次级电压。在其他实施方案中，所述漏电感包括所述变压器的漏电感和/或与每一相串联的电感，其中选择每个变压器的设计以实现所述变压器的期望的漏电感量。在其他实施方案中，所述设备包括所述变压器的磁化电感。所述磁化电感表现为连接在所述变压器初级侧的每一相和所述变压器的所述初级的中性点之间的所述变压器的每一相的电感。选择所述变压器的设计以实现所述变压器的期望的磁化电感量，从而实现功率因数。在其他实施方案中，所述设备包括用于所述变压器的每一相的功率因数电容器，所述功率因数电容器连接在所述变压器初级侧的每一相和所述变压器的初级的中性点之间，其中选择每个功率因数电容器以实现期望的功率因数。在其他实施方案中，所述变压器是三相星形连接的变压器。在其他实施方案中，所述变压器是连接到公共中性点的三个单相变压器，所述公共中性点包括所述中性连接点。
在一些实施方案中，所述电容电路包括用于每一相的可变电容，其中改变所述电容电路的所述电容调节所述整流电路的所述输入电压在所述基频处的所述增益。在其他实施方案中，所述电容电路包括用于每一相的多个电容器，并且所述电容电路通过连接和断开相的所述多个电容器中的一个或多个电容器来改变所述电容。每个连接的电容器连接在相的所述电感器的所述第二端和所述次级的中性连接点之间。在其他实施方案中，每个电容器包括与所述电容器串联连接的开关，并且每个开关可控制以连接和断开所述电容器。
在其他实施方案中，每个开关包括零电压检测电路。当开关被命令闭合时，所述开关响应于所述零电压检测电路指示零电压而闭合。在其他实施方案中，所述开关包括具有零电压检测电路的固态继电器。在其他实施方案中，所述设备包括直流(“DC”)总线控制器，所述直流总线控制器感测所述整流电路的直流输出电压，并且通过连接和断开所述电容电路的一个或多个电容器来将所述直流输出电压控制到设定点值。在其他实施方案中，所述多个电容器包括多个尺寸的电容器。在一些实施方案中，所述谐振频率是高于所述基频的频率，并且调节所述电容电路的电容改变所述谐振频率，使得所述基频处的增益随着所述谐振频率的改变而改变。
另一种谐振交流至直流设备包括电感电路，所述电感电路具有与具有基频的交流电源的每一相串联连接的电感器。该所述设备包括电容电路，所述电容电路具有用于每一相的可变电容。每个电容并联连接在相的所述电感器的第二端和中性连接点之间。所连接相的所述电容和所述电感器形成谐振频率，其中改变所述电容电路的所述电容调节所述基频处所述次级电压的所述增益。所述设备包括整流电路，所述整流电路具有输入端和输出端。对于每一相，所述输入端与该相的所述电感器的所述第二端串联连接。所述谐振频率高于所述基频并提供所述基频处的增益。所述增益将所述基频处的所述整流电路的输入电压提升至高于所述交流电源的输出电压。调节所述电容电路的电容改变所述谐振频率，使得所述基频处的增益随着所述谐振频率的改变而改变。
在一些实施方案中，所述电容电路包括用于每一相的多个电容器，并且所述电容电路通过连接和断开相的所述多个电容器中的一个或多个电容器来改变所述电容。每个连接的电容器并联连接在相的所述电感器的第二端和所述中性连接点之间。在其他实施方案中，每个电容器包括与所述电容器串联连接的开关，并且每个开关可控制以连接和断开所述电容器。在其他实施方案中，每个开关包括零电压检测电路。当开关被命令闭合时，所述开关响应于所述零电压检测电路指示零电压而闭合。
在其他实施方案中，所述电感电路包括变压器，所述变压器的初级侧连接到所述交流电源的每一相。所述变压器包括用于每一相的漏电感。所述电容电路连接在所述变压器的次级和所述变压器的所述次级的所述中性连接点之间，并且所述谐振频率处的增益将在所述基频处的所述变压器的所述次级电压提升至高于由所述变压器的匝数比产生的所述变压器的次级电压。在其他实施方案中，所述设备包括所述变压器的磁化电感。所述磁化电感表现为连接在所述变压器初级侧的每一相和所述变压器的所述初级的中性点之间的所述变压器的每一相的电感。选择所述变压器的设计以实现所述变压器的期望的磁化电感量，从而实现功率因数。在其他实施方案中，所述设备包括用于所述变压器的每一相的功率因数电容器，所述功率因数电容器连接在所述变压器初级侧的每一相和所述变压器的所述初级的中性点之间，每一功率因数电容器被选择以实现期望的功率因数。
另一种交流至直流转换器设备包括变压器，所述变压器的初级连接到具有基频的交流电源。所述变压器的每一相包括电感，所述电感包括所述变压器的漏电感和/或与每一相串联的串联电感。所述设备包括电容电路，所述电容电路具有用于所述变压器的每一相的多个电容器和开关，其中每个电容器与开关串联连接，并且每个电容器和串联开关连接在所述变压器的次级的相和中性连接点之间。相的连接电容器的电容和该相的所述电感形成谐振频率，其中改变所述电容电路的所述电容调节所述基频处的所述次级电压的所述增益。每个开关包括零电压检测电路，并且当开关被命令闭合时，所述开关响应于所述零电压检测电路指示零电压而闭合。所述设备包括整流电路，所述整流电路连接到所述变压器的所述次级的每一相，并且包括直流总线控制器，所述直流总线控制器感测所述整流电路的直流输出电压，并且通过连接和断开所述电容电路的一个或多个电容器来将所述直流输出电压控制到设定点值。
在该实施方案中，所述谐振频率高于所述基频并提供所述基频处的增益。所述增益将所述基频处的所述变压器的次级电压提升至高于由所述变压器的匝数比产生的次级电压，并且调节所述电容电路的电容改变所述谐振频率，使得所述基频处的增益随着所述谐振频率的改变而改变。
附图说明
为了使本发明的优点易于理解，将通过参考附图中所示的具体实施方案来呈现上文简要描述的本发明的更具体地说明。应理解这些附图仅示出了本发明的典型实施方案而不该视为对其范围的限制，通过使用附图将更为具体详尽地描述和阐明本发明，其中：
图1是示出了具有谐振交流(“AC”)至直流(“DC”)转换器的系统的一个实施方案的示意性框图；
图2是示出了谐振交流至直流转换器的一个实施方案的示意性框图；
图3A是示出了三相谐振交流至直流转换器的另一个实施方案的示意性框图；
图3B是示出了单相谐振交流至直流转换器的另一个实施方案的示意性框图；
图3C是示出了没有变压器的三相谐振交流至直流转换器的一个实施方案的示意性框图；
图4是谐振交流至直流转换器的一个实施方案的频率响应；
图5包括谐振交流至直流转换器的一个实施方案的不同谐振频率的两个频率响应；并且
图6是具有零电压检测电路的固态继电器的示意性框图。
具体实施方式
在整个本说明书中所提到的“一个实施方案”、“实施方案”或类似语句意是指结合该实施方案所述的具体特征、结构或特性包括在至少一个实施方案中。因此，在整个本说明书中，短语“在一个实施方案中”、“在实施方案中”和类似语句的出现可(但不一定)全部指同一实施方案，但是指“一个或多个(但不是所有)实施方案”，除非另外明确地指出。术语“包括”、“包含”、“具有”及其变型形式是指“包括但不限于”，除非另外明确地指出。枚举的项目的列表并非暗示项目中的任何或所有项目互相排斥和/或互相包含，除非另外明确地指出。术语“一个”、“一种”和“该”也指“一个或多个”，除非另外明确地指出。
此外，本发明所述的特征、结构或特性可在一个或多个实施方案中以任何合适的方式结合。在以下的说明中，提供了许多具体细节，诸如编程示例、软件模块、用户选择、网络事务处理、数据库查询、数据库结构、硬件模块、硬件电路、硬件芯片等以便于彻底理解本发明的实施方案。然而，相关领域的技术人员应该认识到本发明可在没有一个或多个具体细节，或在用其他方法、部件、材料等的情况下实施。在其他情况下，众所周知的结构、材料或操作没有被详细地展示或描述，以避免使本发明各方面含混不清。
包括在本文中的示意性流程图通常阐述为逻辑流程图。同样地，描述的顺序和标记的步骤指示所展示的方法的一个实施方案。可设想与所示方法的一个或多个步骤或其部分在功能、逻辑或作用上等同的其他步骤和方法。另外，所采用的格式和符号被设置成解释方法的逻辑步骤，并且不应理解为对方法范围的限制。虽然在流程图中可采用各种箭头类型和线条类型，但是它们不应理解为是对该相应方法范围的限制。实际上，可使用一些箭头或其他连接头来仅指示方法的逻辑流程。例如，箭头可指示在所述方法所列举的步骤之间，未指定持续时间的等待或监控周期。另外，具体方法所进行的顺序可以严格遵循也可以不严格遵循所示的相应步骤的顺序。
图1是示出了具有谐振交流至直流转换器102的系统100的一个实施方案的示意性框图。系统100包括具有谐振交流至直流转换器102的固定无线电力传输(“WPT”)装置104、直流总线103、主逆变器106和主焊盘108、可以是三相交流电源的交流(“AC”)电源110、具有次焊盘116的移动装置114、次转换器118和移动装置负载120、通信网络122和控制中心124，其如下文所述。虽然在WPT系统100中描绘了谐振交流至直流转换器102，但是谐振交流至直流转换器102可以用于向其他负载，诸如计算系统、马达、电池等提供电力，并且可以用于传导式充电、焊接、电镀、不间断电力供应和直流配电系统等，这里仅举出几例。
在一个实施方案中，系统100包括固定WPT装置104，该装置包括谐振交流至直流转换器102。谐振交流至直流转换器102连接到交流电源110(在所示实施方案中为三相电源)和直流总线103，并且将参考图2-3的设备200、300进行更详细的解释。在一个实施方案中，固定WPT装置104连接到三相交流电源110，诸如电力企业、发电机、具有逆变器的电池或其他交流电能来源。固定WPT装置104使用无线电力传输技术向移动装置114提供电力。三相交流电源110是交流电源，并且包括一个基频。基频可以是在北美或其他地方的许多电力系统中使用的60赫兹(“Hz”)，在欧洲常用的50Hz，或者可以在一些飞机系统和其他系统中使用的其他频率，诸如400Hz。也可以使用其他基频。此外，交流电源110可以是单相交流电源。
来自三相交流电源110的电力由谐振交流至直流转换器102和主逆变器106调节，并被传输到主焊盘108，主焊盘108将电力无线传输到移动装置114的次焊盘116。在一个实施方案中，固定WPT装置104与主焊盘108接地安装，其与路面、停车场表面、建筑楼面或其它位置齐平。在另一个实施方案中，固定WPT装置104位于头顶，并且移动装置114可在固定WPT装置104下方移动用于无线能量传输。
在另一个实施方案中，固定WPT装置104是可插入且可移动的装置，但主要是预期放置在无线电力传输之后移动装置114预期移动的位置。例如，移动装置114可包括具有储能装置的移动装置负载120，诸如电池或其它储能装置，并且固定WPT装置104可从事于充电操作。此外，移动装置负载120可以包括一个或多个附加的负载，在图1中表示为电阻器，这些负载不是能量存储装置，但是当电力无线传输到移动装置114时消耗从固定WPT设备104传输来的电力。本领域技术人员将认识到其它类型的固定WPT装置104。
在一个实施方案中，移动装置114是预期使用固定WPT装置104的电力被移动或自己移动的装置。例如，移动装置114可以是从固定WPT装置104接收电力的车辆，并且固定WPT装置104位于其中移动装置114可在主焊盘108上方或下方驱动的位置。在另一个实施方案中，移动装置114是消费型电子装置，诸如移动电话、音乐播放器、平板电脑等。
通常，无线电力传输需要在主焊盘108和次焊盘116之间的特定对准度，以发生无线电力传输。尽管对准量很低时可发生一些无线电力传输，但为了提高效率，通常期望在发起无线电力传输之前具备特定的对准量并满足指定的对准公差。尽管可以使用传感器或除图1中所示的其它装置来确定对准量，但确定对准的便利方式包括：确定在主焊盘108和次焊盘116之间的耦合量。例如，与主焊盘108和次焊盘116相关联的耦合系数与主焊盘108和次焊盘116的对准相关。将信号从主焊盘108传输到次焊盘116可以允许测量次焊盘116处的信号，以确定耦合系数，从而确定对准量。在其他实施方案中，机械导向器可以用于对准。
在一个实施方案中，固定WPT装置104包括主逆变器106，主逆变器106将来自三相交流电源110的电力转换为便于进行无线电力传输的状态。固定WPT装置104的波形通常包括AC波形，AC波形通常为正弦或者包括特定频率的基本正弦波形、以及该基本波形的谐波正弦波形。通常，基本波形的谐波并不可取，并且根据实际情况尽可能地最小化。
在一个实施方案中，主逆变器106为谐振逆变器。已证明，谐振逆变器是提供无线电力传输的有效方式。也可使用其它无线电力传输技术，包括生成方形波的典型的逆变器，该逆变器可以或不可以进一步进行滤波以减少谐波。在使用谐振逆变器时，谐振逆变器可以是任意数量的谐振逆变器(也称为谐振转换器)拓扑，诸如串联谐振逆变器、并联谐振逆变器、串并联谐振转换器、电感器-电容器-电感器(“LCL”)负载谐振逆变器等。在一个实施方案中，主逆变器106包括耦合到主焊盘108的一个或多个LCL负载谐振逆变器阶段，其通常被配置为电感。
固定WPT装置104的主焊盘108通常被配置为感应装置，其形状被设计成将电磁场引导穿过间隙到达次焊盘116，以便以一定耦合度与次焊盘116电磁耦合，该耦合度可以至少部分地使用耦合系数来体现。通常，次焊盘116也被配置为电感装置，其设计为有效地与主焊盘108耦合。通常，主焊盘和次焊盘被设计成具有平面或半平面的线圈。
在一个实施方案中，移动装置114包括次转换器118，次转换器通常将在次焊盘116处接收的AC波形转换为直流电，该直流电将用于对移动装置负载120的电池或其它负载进行充电。在一个实施方案中，次转换器118是无源的，其中固定WPT装置104的电压、功率等的变化控制对移动装置负载120的输出电力。在另一个实施方案中，次转换器118包括有源转换器，诸如开关模式功率转换器。在另一个实施方案中，移动装置114包括其它调节设备，所述调节设备将次焊盘116的能量转换成AC波形，以供移动装置114使用或用于电池充电。例如，移动装置114可包括设备，该设备将次焊盘116的电力转换成60赫兹(“Hz”)AC波形，以供移动装置114使用。然后移动装置114可以将60Hz的AC波形用于标准AC设备和/或电池充电。在一个实施方案中，次转换器118包括整流电路和直流至直流转换器，用以将整流直流电转换成另一电压。
在一个示例中，次转换器118被设计成双向。例如，典型的次转换器拓扑中的二极管可替换为切换装置。在另一个实施方案中，移动装置114包括单向次转换器118。在一个实施方案中，次转换器118包括谐振元件，诸如除了次焊盘116以外的一个或多个附加电感器、和/或一个或多个附加电容器。在一个实施方案中，整流电路为全桥整流器。在另一个实施方案中，整流电路为半桥整流器。在另一个实施方案中，整流电路包括有源整流电路，有源整流电路包括一个或多个切换装置。
在一个实施方案中，系统100包括通信网络122，该通信网络可在一个或多个固定WPT装置104、一个或多个移动装置114、和控制中心124之间通信。例如，通信网络122可经由计算机网络、经由无线网络、蜂窝网络等与固定WPT装置104通信。控制中心124可以与固定WPT装置104和移动装置114通信，反之亦然。在另一个实施方案中，系统100不包括控制中心124。
图2是示出了谐振交流至直流转换器102的一个实施方案的示意性框图。交流至直流转换器102包括电感电路202、电容电路204和整流电路206，其中交流至直流转换器102连接到交流电源110和供给负载208的直流总线103。下面描述了交流至直流转换器102的组件。
交流至直流转换器102包括从交流电源110接收电力的电感电路202。在一个实施方案中，电感电路202是三相变压器。在其他实施方案中，电感电路202是单相变压器。三相变压器可以包括连接到单个磁芯的多个绕组，或者可以包括三个单相变压器。在一个实施方案中，变压器是星形连接的。例如，变压器初级侧的每个线圈的一个连接点连接到三相交流电源110，而初级侧线圈的其他连接点在中性连接点处连接在一起。在其他实施方案中，不使用变压器，而是用单相或三相交流电源110的电感器303来实现电感电路202。
注意，如本文所使用的，三相变压器的术语“中性”用于表示星形变压器中三个绕组的公共连接点，并且不一定连接回三相交流电源110。类似地，在次级侧，到每个次级线圈的一个连接点是输出相连接点，而次级线圈的另一个连接点作为次级中性连接点连接在一起。对于输入功率相位不平衡的情况，使用星形变压器是有利的。公共连接点平均这种不平衡，在整流输出中产生较低的纹波。在其他实施方案中，电感电路202可以是三角-星形变压器、星形-三角变压器、三角-三角变压器等。
当是变压器时，电感电路202包括匝数比。对于典型的变压器，匝数比导致变压器上的输出电压不同于输入电压或输出电流不同于输入电流。如本文所用，电压可以表示为均方根(“rms”)电压。在其他实施方案中，电压可以是瞬时电压。输出电压与输入电压的比率(通常为均方根电压)通常为匝数比，也可称为电压比、电流比或阻抗比，具体取决于变压器的设计方式以及使用变压器作用改变哪些参数。匝数比可以表示为n＝N2/N1，其中N1是初级侧的线圈数量，并且N2是次级侧的线圈数量。对于n＝2＝V2/V1的匝数比(或电压比)，如果输入电压V1为100伏(“V”)，则次级电压V2为200伏。本领域技术人员将认识到匝数比的其他形式。
变压器的每一相都包括漏电感。通常，变压器包括漏电感作为漏阻抗的一部分。漏阻抗通常可以模拟为电阻量和漏电感量。电阻可能是由于变压器线圈的电阻造成的。漏电感通常是由于磁通量没有完全通过变压器的磁芯耦合到变压器的次级。
交流至直流转换器102包括电容电路204，该电容电路包括用于每一相的电容。每个电容连接在变压器202次级的相和中性连接点之间。连接相的电容和漏电感形成具有特定谐振频率的谐振。
通常，变压器中的漏电感被最小化以减少损耗。在电感电路202是变压器的一些实施方案中，变压器被设计成具有特定量的漏电感，以与电容电路204的电容一起工作来产生谐振频率。在一些实施方案中，谐振频率接近基频，使得通过电感电路202和电容电路204的增益量高于变压器匝数比。例如，对于来自三相交流电源110的480V rms的输入线到线电压，由于变压器作用产生的次级电压可以是500V rms。由于谐振频率，变压器的次级电压可以是550V rms，其中谐振频率足够接近三相交流电源110的基频，以增加变压器和电容电路204上的增益。
在电感电路202是每一相的电感器的一些实施方案中，由电感电路202和电容电路204形成的谐振电路的增益使得整流电路206的输入端处的电压高于交流电源110的输入电压，该输入电压处于交流电源110的基频。当电感电路202是变压器时，从交流电源110到整流电路206的输入端的电压增益是变压器匝数比和由于变压器和电容电路204之间的谐振而产生的增益的组合。
交流至直流转换器102包括连接到电感电路202次级的每一相的整流电路206。整流电路206将整流电路206输入端处的交流电压整流为要提供给直流总线103的直流电压。通常，整流电路206包括二极管、开关、可控硅整流器(“SCRs”)等，以便于将交流电压转换成直流电压。在一个实施方案中，整流电路206包括全桥整流器。在另一个实施方案中，整流电路206包括半桥整流器。在另一个实施方案中，整流电路206包括形成低通滤波器以滤除交流纹波的电容器和/或电感器。整流电路206中还可以包括其他电路，诸如缓冲电路、齐纳二极管等以限制瞬态、降低噪声等。无源整流电路206可用于避免引入谐波，相比于无源整流电路206谐波通常更大程度地存在于有源整流电路的输出电压中。
负载208可以是接收直流电的计算系统、马达、电池或其他负载。谐振交流至直流转换器102可以是向系统中的一个或多个组件提供直流电的系统的一部分。在一个实施方案中，如图1的系统100所示，负载可以是谐振转换器106，其可以用于无线电力传输或用于另一目的。本领域技术人员将认识到谐振交流至直流转换器102的其他负载。
图3A是示出了三相谐振交流至直流转换器304的另一个实施方案的示意性框图。三相谐振交流至直流转换器304是隔离式交流至直流转换器，并且包括变压器形式的电感电路202、电容电路204和整流电路206，它们的功能类似于上文所描述的那样，并且其附加功能将在下文描述。
三相谐振交流至直流转换器304包括电感电路202，电感电路202被描绘为三个独立的单相变压器T1、T2和T3。在其他实施方案中(未示出)，变压器包括三相变压器。单相变压器T1、T2、T3被描绘为具有漏电感TL，对于每个单相变压器T1、T2、T3，漏电感TL通常相同或接近相同。在一个实施方案中，漏电感TL来自单相变压器T1、T2、T3。在另一个实施方案中，漏电感TL包括来自变压器T1、T2、T3的少量漏电感加上添加的电感。例如，变压器的设计可以导致比期望的电感量低的漏电感，其中添加另一电感足以达到期望的漏电感量。
变压器T1、T2、T3包括磁化电感TM，对于每个单相变压器T1、T2、T3，磁化电感可以相同，也可以稍有不同。单相变压器T1、T2、T3以星形构造连接，电容器CN连接在中性连接点和地之间。电感电路202中的变压器可以被设计成将磁化电感最小化，从交流至直流转换器102的输入端看，这通常导致比没有磁化电感TM时更低的功率因数。可以添加功率因数校正电容器CP来改变交流至直流转换器102的功率因数。例如，功率因数校正电容器CP可以基于相应的磁化电感TM来确定大小，以将功率因数校正到期望的值以上。
三相谐振交流至直流转换器304包括电容电路204，该电容电路204包括与漏电感TL形成谐振的谐振电容器CR。每个谐振电容器CR与开关SR串联，该开关将相关的谐振电容器CR连接在电感电路202中的变压器的相和变压器T1、T2、T3的次级侧的中性连接点之间。多个谐振电容器CR被包括在内，并且有开关控制以改变电容电路204的电容量，从而影响由漏电感TL和电容电路204的电容形成的谐振频率。改变电容电路204的电容影响由电感电路202和电容电路204形成的电路的输出电压。
在图3A所示的交流至直流转换器102的实施方案中，整流电路206包括全桥整流器，该全桥整流器包括交流电源110的每一相的两个二极管。二极管D1-D6连接至直流总线103，并且整流电感电路202的次级侧和电容电路204上存在的正电压和负电压。在所描绘的实施方案中，整流电路206包括跨接在直流总线103上的电容器CDC，这有助于降低直流总线103上的纹波电压。在其他实施方案中，整流电路206可以包括更复杂的滤波器以去除电压纹波，并且可以包括其他组件，诸如电感(未示出)。
在一个实施方案中，三相谐振交流至直流转换器304包括直流总线控制器302，其感测整流电路206的直流输出电压，并通过控制开关SR来连接和断开电容电路204的一个或多个电容器CR，从而将直流输出电压控制到设定值VDC ref。请注意，为清楚起见，仅示出了到一个开关的一条控制线。例如，直流总线控制器302可以断开和闭合电容电路204的开关SR，以添加和移除谐振电容器CR，从而调节交流至直流转换器102的谐振频率。改变谐振频率调整交流至直流转换器102上的增益，从而将提高或降低直流总线103的电压。可以改变直流总线控制器302的电压设定点VDC ref来改变直流总线103的电压。直流总线控制器302可以感测直流总线103的电压，并且可以包括反馈回路。在一个实施方案中，反馈回路被设计成防止开关SR的颤动或由电容电路204的开关SR太频繁地断开和闭合所引起的纹波。
在一个实施方案中，电感电路202的相的谐振电容器CR具有不同的值，以便为不同的谐振操作点提供更多可能的电容组合，从而对直流总线103的电压进行更精细的控制。例如，谐振电容器CR可以具有一些大型电容器、一些中型电容器、一些小型电容器等，以允许对电容电路204的电容进行微调。
图3B是示出了单相谐振交流至直流转换器306的另一个实施方案的示意性框图。单相谐振交流至直流转换器306的功能类似于图3A的三相谐振交流至直流转换器304。电感电路202是具有中心抽头中性的单相变压器。在其他实施方案中，电感电路202可以是不带中心抽头的单相变压器。电容电路204包括谐振电容器CR和开关SR，用于如图所示的两相中的每一相。并且整流电路206包括全桥整流器，如图所示，具有四个二极管D1-D4。通常，电感电路202中单相变压器的第二相与第一相异相180度。本领域的技术人员将认识到单相谐振交流至直流转换器306的其他变型。
图3C是示出了没有变压器的三相谐振交流至直流转换器308的一个实施方案的示意性框图。电感电路202包括用于交流电源110的每一相的电感器TL。(请注意，为保持一致性和方便性，即使电感不是漏电感，电感器被称为TL而不是带有“L”的符号。)在一些实施方案中，如上所述，每一个相还包括用于功率因数校正的电容器CP。由于电感电路202和电容电路204之间的谐振而产生的增益表现在整流电路206处的输入端，其中基频接近电感电路202和电容电路204的谐振频率。通过改变电容电路204的电容可以改变增益，从而改变谐振频率。因此，增益不是变压器匝数比的函数。图3C所示的交流至直流转换器308的实施方案不包括交流至直流转换器308的输入端和输出端之间的隔离。
图3C所示的交流至直流转换器308的实施方案包括功率因数校正电容器CP和功率因数校正电感器LP。通常，根据负载120、208和/或交流至直流转换器102的功率因数是超前还是滞后，根据需要决定包括电容器CP还是电感器LP，以校正功率因数。
图4是谐振交流至直流转换器102的一个实施方案的频率响应400。频率响应400的垂直轴为有增益，并且水平轴为频率，其可以是对数标度。频率响应400在较低频率下是平坦的，并且增益可能是由于变压器作用产生的，因此增益是匝数比n。随着频率接近谐振频率fr，增益增加到峰值，并且然后降低。在三相交流电源110的基频fs处，增益是G1，使得当三相交流电源110以基频fs引入交流电压时，交流至直流转换器102上的电压高于匝数比n。
图5包括谐振交流至直流转换器102的一个实施方案的不同谐振频率的两个频率响应。频率响应500包括由实线表示的第一谐振频率fr1的第一响应。频率响应还包括由虚线表示的第二谐振频率fr2的第二响应。注意，虽然第二谐振频率fr2具有较高的总增益，但是基频fs处的增益G2低于第一谐振频率fr1的增益G1。基于谐振电容器Cr的数量和尺寸，基频fs处的其他谐振频率和增益也是可能的。
直流总线控制器302可以确定直流总线103的输出电压低于设定点。直流总线控制器302断开和/或闭合电容电路204的开关SR以改变电容，并且这改变转换器304的谐振频率fr。改变谐振频率fr也会改变基频fs处的增益，这改变了电容电路204的输出电压，随后改变了直流总线103的电压。例如，如果谐振频率是fr1，增益可以是G1。负载208可以降低，使得直流总线103的电压可以升高。然后，直流总线控制器302可以断开和/或闭合电容电路204的开关SR，以将谐振频率改变为fr2，这会将增益降低到G2，从而降低了直流总线103的电压。
图6是具有过零检测电路602的固态继电器600的示意性框图。固态继电器600可以用作电容电路204的开关SR。固态继电器600可以包括用于控制的输入端子，如图左侧所示，其具有控制电路，诸如光耦合器，其闭合半导体开关，诸如所示的背靠背可控硅整流器(“SCRs”)。过零检测电路602可以检测半导体开关上的零电压，并且然后可以在开关上没有电压或有较小电压的情况下闭合开关。例如，输入端上的电压可以命令开关闭合，因此在下一个零电压交叉时，过零检测电路602命令开关闭合。同样，输入端上的电压可以命令开关断开，因此在下一个零电压交叉时，过零检测电路602命令开关断开。在零电压交叉处或附近的断开和闭合通常会在交流至直流转换器102上引入较少的谐波，并减少电容电路204的谐振电容器CR上的浪涌电流问题。
本文所述的交流至直流转换器102是有利的，因为该交流至直流转换器102比开关式交流至直流转换器更可靠。此外，因为没有高频开关，所以开关引起的总谐波失真(“THD”)和谐波小于开关式交流至直流转换器。可以根据需要添加传统的功率因数校正电容器CP，以提供高功率因数。可靠性通常高于开关式交流至直流转换器，因为大多数元件是无源的，并且开关SR相比于开关式交流至直流转换器基于低频率断开和闭合。交流至直流转换器102也是高效的，因为谐波不存在，所以不像开关式交流至直流转换器那样需要将谐波滤除。由于交流至直流转换器102中存在少量谐波，因此本文中呈现的交流至直流转换器102也具有相对低的电磁干扰(“EMI”)。
在不脱离本发明实质或本质特性的情况下，本发明可以其他具体形式呈现。无论从哪个方面来看，都应将所述实施方案视为仅为例示性的而非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求书指明而非上述说明内容指明。落入权利要求等同物的意义和范围内的所有变化都包括在其范围内。

Claims (22)

1.一种设备，包括：
电感电路，所述电感电路包括电感器，所述电感器的第一端与包括基频的交流(“AC”)电源的每一相串联连接；
电容电路，所述电容电路包括用于每一相的电容，每个电容并联连接在相的所述电感器的第二端和中性连接点之间，所连接相的所述电容和所述电感器形成谐振频率；以及
整流电路，所述整流电路包括输入端和输出端，对于每一相，所述输入端与所述相的所述电感器的所述第二端串联连接，
其中所述谐振频率与所述基频相关，以提供所述基频处的增益，所述增益将所述基频处的所述整流电路的输入电压提升至高于所述交流电源的输出电压。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述电感电路包括变压器，所述变压器的初级侧连接到所述交流电源的每一相，所述变压器包括用于每一相的漏电感，其中所述电容电路连接在所述变压器的次级和所述变压器的所述次级的所述中性连接点之间，并且其中所述谐振频率处的所述增益将在所述基频处的所述变压器的所述次级电压提升至高于由所述变压器的匝数比产生的所述变压器的次级电压。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述漏电感包括所述变压器的漏电感和与每一相串联的电感中的一个或多个，其中选择每个变压器的设计以实现所述变压器的期望的漏电感量。
4.根据权利要求2所述的设备，还包括所述变压器的磁化电感，所述磁化电感表现为连接在所述变压器初级侧的每一相和所述变压器的所述初级的中性点之间的所述变压器的每一相的电感，其中选择所述变压器的设计以实现所述变压器的期望的磁化电感量，从而实现功率因数。
5.根据权利要求4所述的设备，还包括用于所述变压器的每一相的功率因数电容器，所述功率因数电容器连接在所述变压器初级侧的每一相和所述变压器的所述初级的中性点之间，每个功率因数电容器被选择以实现期望的功率因数。
6.根据权利要求2所述的设备，其中所述变压器包括三相星形连接的变压器。
7.根据权利要求2所述的设备，其中所述变压器包括连接到公共中性点的三个单相变压器，所述公共中性点包括所述中性连接点。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述电容电路包括用于每一相的可变电容，其中改变所述电容电路的所述电容调节所述整流电路的所述输入电压在所述基频处的所述增益。
9.根据权利要求8所述的设备，其中所述电容电路包括用于每一相的多个电容器，并且所述电容电路通过连接和断开相的所述多个电容器中的一个或多个电容器来改变所述电容，每个连接的电容器连接在相的所述电感器的所述第二端和所述次级的所述中性连接点之间。
10.根据权利要求9所述的设备，其中每个电容器包括与所述电容器串联连接的开关，每个开关可控制以连接和断开所述电容器。
11.根据权利要求10所述的设备，其中每个开关包括零电压检测电路，其中当开关被命令闭合时，所述开关响应于所述零电压检测电路指示零电压而闭合。
12.根据权利要求11所述的设备，其中所述开关包括具有零电压检测电路的固态继电器。
13.根据权利要求9所述的设备，还包括直流(“DC”)总线控制器，所述直流总线控制器感测所述整流电路的直流输出电压，并且通过连接和断开所述电容电路的一个或多个电容器来将所述直流输出电压控制到设定点值。
14.根据权利要求9所述的设备，其中所述多个电容器包括多个尺寸的电容器。
15.根据权利要求1所述的设备，其中所述谐振频率是高于所述基频的频率，并且其中调节所述电容电路的电容改变所述谐振频率，使得所述基频处的增益随着所述谐振频率的改变而改变。
16.一种设备，包括：
电感电路，所述电感电路具有与包括基频的交流(“AC”)电源的每一相串联连接的电感器；
电容电路，所述电容电路包括用于每一相的可变电容，每个电容并联连接在相的所述电感器的第二端和中性连接点之间，所连接相的所述电容和所述电感器形成谐振频率，其中改变所述电容电路的所述电容调节所述基频处所述次级电压的所述增益；以及
整流电路，所述整流电路包括输入端和输出端，对于每一相，所述输入端与所述相的所述电感器的所述第二端串联连接，
其中所述谐振频率高于所述基频并提供所述基频处的增益，所述增益将所述基频处的所述整流电路的输入电压提升至高于所述交流电源的输出电压，其中调节所述电容电路的电容改变所述谐振频率，使得所述基频处的增益随着所述谐振频率的改变而改变。
17.根据权利要求16所述的设备，其中所述电容电路包括用于每一相的多个电容器，并且所述电容电路通过连接和断开相的所述多个电容器中的一个或多个电容器来改变所述电容，每个连接的电容器并联连接在相的所述电感器的第二端和所述中性连接点之间。
18.根据权利要求17所述的设备，其中每个电容器包括与所述电容器串联连接的开关，每个开关可控制以连接和断开所述电容器。
19.根据权利要求18所述的设备，其中每个开关包括零电压检测电路，其中当开关被命令闭合时，所述开关响应于所述零电压检测电路指示零电压而闭合。
20.根据权利要求16所述的设备，其中所述电感电路包括变压器，所述变压器的初级侧连接到所述交流电源的每一相，所述变压器包括用于每一相的漏电感，其中所述电容电路连接在所述变压器的次级和所述变压器的所述次级的所述中性连接点之间，并且其中所述谐振频率处的所述增益将在所述基频处的所述变压器的所述次级电压提升至高于由所述变压器的匝数比产生的所述变压器的次级电压。
21.根据权利要求20所述的设备，还包括
所述变压器的磁化电感，所述磁化电感表现为连接在所述变压器初级侧的每一相和所述变压器的所述初级的中性点之间的所述变压器的每一相的电感，其中选择所述变压器的设计以实现所述变压器的期望的磁化电感量，从而实现功率因数；以及
用于所述变压器的每一相的功率因数电容器，所述功率因数电容器连接在所述变压器初级侧的每一相和所述变压器的所述初级的中性点之间，每个功率因数电容器被选择以实现期望的功率因数。
22.一种设备，包括：
变压器，所述变压器的初级连接到包括基频的交流(“AC”)电源，所述变压器的每一相包括电感，所述电感包括所述变压器的漏电感和与每一相串联的串联电感中的一个或多个；
电容电路，所述电容电路包括用于所述变压器的每一相的多个电容器和开关，每个电容器与开关串联连接，并且每个电容器和串联开关连接在所述变压器的次级的相和中性连接点之间，相的连接电容器的电容和所述相的所述电感形成谐振频率，其中改变所述电容电路的所述电容调节所述基频处的所述次级电压的所述增益，其中每个开关包括零电压检测电路，并且当开关被命令闭合时，所述开关响应于所述零电压检测电路指示零电压而闭合；
整流电路，所述整流电路连接到所述变压器的所述次级的每一相；以及
直流(“DC”)总线控制器，所述直流总线控制器感测所述整流电路的直流输出电压，并且通过连接和断开所述电容电路的一个或多个电容器来将所述直流输出电压控制到设定点值，
其中所述谐振频率高于所述基频并提供所述基频处的增益，所述增益将所述基频处的所述变压器的次级电压提升至高于由所述变压器的匝数比产生的次级电压，其中调节所述电容电路的电容改变所述谐振频率，使得所述基频处的增益随着所述谐振频率的改变而改变。
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