CN116505777A - 开关频率调整电路和包括该电路的电气设备 - Google Patents

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Abstract

根据本公开的示例实施例，提供一种开关频率调整电路，包括：逆变器电路，包括逆变器开关管；相位差确定电路，连接至逆变器电路以用于获得与逆变器电路的输出电压相关的第一信号和与输出电流相关的第二信号且比较第一信号的相位和第二信号的相位，且基于比较结果选择性地输出第一输出信号和第二输出信号，第一输出信号与第一信号和第二信号之间的相位差相关，且第二输出信号为固定值；平均值确定电路，被配置为分别确定第一和第二输出信号的平均值；以及环路补偿器，被配置为将平均值与参考值进行比较，并且基于比较结果调整开关频率，其中参考值与逆变器开关管实现软开关而所需的相位差相关。通过该电路至少能够实现逆变器的软开关。

Description

开关频率调整电路和包括该电路的电气设备
技术领域
本公开的实施例主要涉及集成电路领域，并且更具体地，涉及用于调整全桥或半桥逆变器的开关管的开关频率的电路，以及包括该电路的设备(例如，无线充电变压器系统等)。
背景技术
理论上，在变压器的补偿网络中，当补偿网络的电感和电容确定时，补偿网络的谐振频率就确定了。但在实际应用中，补偿网络的电感、电容和松耦合的变压器初级次级侧的自感在不同的生产批次中不能保持一致，存在容差，例如电容存在±5％的误差，电感存在±10％的误差，自感存在±10％的误差。还有一个重要的影响因素，也就是当不同的变压器的初级侧线圈和次级侧的线圈(例如，在无线充电器领域，这两个线圈以线圈盘(pad)的形式存在，通过磁场耦合来传递能量)之间的距离不同时，它们的自感值会受到影响。逆变器开关管工作所用的开关频率是根据电感和电容的标称值来设置的，因此在实际充电器中，逆变器工作所用的开关频率与补偿网络的实际谐振频率的偏差可能很大。这样，充电器就无法在最佳状态下工作。
因此，需要能够在线地识别补偿网络的谐振频率，以使得逆变器能够工作在该在线识别的谐振频率下，并且还需要逆变器开关管能够实现软开关状态，以使得开关损耗最小。
发明内容
根据本公开的示例实施例，提供了一种开关频率调整电路，该电路能够使得逆变器开关管实现软开关，并且进一步能够在线识别补偿网络的谐振频率，也使得逆变器能够大致工作在该谐振频率之下，使得开关的工作频率接近谐振频率，从而降低或甚至消除无功功率。
在本公开的第一方面中，提供了一种开关频率调整电路，该电路包括：逆变器电路，包括逆变器开关管，逆变器开关管以一开关频率接通和关断；相位差确定电路，连接至逆变器电路以用于获得与逆变器电路的输出电压相关的第一信号和与逆变器电路的输出电流相关的第二信号且比较第一信号的相位和第二信号的相位，且基于比较结果选择性地输出第一输出信号和第二输出信号，第一输出信号与第一信号和第二信号之间的相位差相关，且第二输出信号为固定值；平均值确定电路，被配置为确定第一输出信号的第一平均值和第二输出信号的第二平均值；以及环路补偿器，被配置为将第一平均值或第二平均值与参考值进行比较并且基于比较结果调整逆变器开关管的开关频率，其中参考值与逆变器开关管实现软开关而所需的相位差相关。
通过本公开的开关频率调整电路能够实时在线地获得逆变器电路的输出电压和输出电流之间的相位关系，通过两者的相位的比较能够在线识别逆变电路的补偿网络的谐振频率，通过适当地设置参考值，能够使得逆变器能够工作在谐振频率附近并且使得逆变器开关管实现软开关。此外，通过开关频率调整电路所包括的平均值确定电路和环路补偿器等，能够将输入信号过滤成直流信号从而能够消除由模拟电路引入的各种干扰或信号震荡，使得电路的抗干扰能力增强。
在一些实施例中，平均值确定电路可以包括低通滤波器，且第一输出信号包括交替的高电平和低电平，第一平均值与高电平和低电平的占空比有关，且第二平均值为零。通过低通滤波器能够简单地实现平均值的确定，从而将输入信号过滤成直流信号以便于环路补偿器的调整操作且降低调整频率，且提高了电路的抗干扰能力。
在一些实施例中，相位差确定电路可以包括：第一信号获得电路，将逆变器电路的输出电压与零电压进行比较，以获得第一信号；第二信号获得电路，将逆变器电路的输出电流与零电流进行比较，以获得第二信号；以及逻辑运算电路，比较第一信号和第二信号，以在第一信号的相位超前于第二信号的相位时，输出第一输出信号，且在第一信号的相位落后于第二信号的相位时，输出第二输出信号。通过获得关于输出电压和输出电流的相位的数字逻辑信号且通过逻辑运算电路来比较这些数字逻辑信号，能够对电压超前于电流和电压落后于电流的两种情况进行区分，以便于分别针对这两种情况做出开关频率的调整。
在一些实施例中，逻辑运算电路可以包括：异或运算电路，被配置为接收第一信号和第二信号，且在第一信号的电平和第二信号的电平不同时输出高电平，且在第一信号的电平和第二信号的电平相同时输出低电平；低电平输出电路，用于输出第二输出信号；以及比较电路，被配置为比较第一信号的相位和第二信号的相位，且在第一信号的相位超前于第二信号的相位时，使得异或运算电路的输出被输入到平均值确定电路，且在第一信号的相位落后于第二信号的相位时，使得低电平输出电路的输出被输入到平均值确定电路。通过包括异或运算电路、低电平输出电路和比较电路能够区分电压超前于电流和电压落后于电流这两种情况并且将不同的信号输入到平均值确定电路。
在一些实施例中，逻辑运算电路可以包括：异或运算电路，被配置为接收第一信号和第二信号以输出第一输出信号，以在第一信号的电平和第二信号的电平不同时输出高电平，且在第一信号的电平和第二信号的电平相同时输出低电平；触发电路，其被配置为接收第一输出信号，以在第一信号的相位超前于第二信号的相位时，输出高电平，且在第一信号的相位落后于第二信号的相位时，输出低电平；以及与门运算电路，被配置为接收异或运算电路的第一输出和触发电路的第二输出，且对第一输出和第二输出进行与运算且将运算结果输出至平均值确定电路。在该实施例中，通过简单且便宜的分离器件来区分电压超前于电流和电压落后于电流的两种情况并且针对不同的情况输出不同的结果。
在一些实施例中，逻辑运算电路还可以包括：延迟电路，连接在触发电路和第一信号获得电路之间。通过包括延迟电路能够保证触发电路采集到期望的信号，以保证触发电路针对电压超前于电流和电压落后于电流的两种情况输出不同的信号。
在一些实施例中，第一信号获得电路可以连接至逆变器开关管的驱动电路，以将逆变器开关管的驱动电压获得作为第一信号。通过这种连接方式，能够直接且方便地获得准确的关于逆变器电路的输出电压的相位的数字逻辑信号，从而便于比较输出电流和输出电压之间的相位关系。
在一些实施例中，第一信号获得电路可以包括：电压传感器，被配置为对逆变器电路的输出电压进行采样以获得采样电压；以及第一过零比较器，被配置为将采样电压与零电压进行比较，以获得第一信号。通过设置电压传感器和过零比较器能够以另一种方式获得准确的关于逆变器电路的输出电压的相位的数字逻辑信号，从而便于比较输出电流和输出电压之间的相位关系。
在一些实施例中，第二信号获得电路可以包括：电流传感器，被配置为对逆变器电路的输出电流进行采样以获得采样电流；以及第二过零比较器，被配置为将采样电流与零电流进行比较，以获得第二信号。通过配置电流传感器和过零比较器，能够以简单的方式获得关于输出电流的相位的数字逻辑信号以便于比较输出电流和输出电压之间的相位关系。
根据本公开的第二方面，提供一种电气设备，包括根据本公开的第一方面所述的开关频率调整电路。
应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本公开的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。
附图说明
结合附图并参考以下详细说明，本公开各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。在附图中，相同或相似的附图标注表示相同或相似的元素，其中：
图1A示出了本公开的一些实施例能够在其中实现的示例环境的示意图；
图1B示出了本公开的一些实施例能够在其中实现的示例环境的示意图；
图2示出了根据本公开的一些实施例的开关频率调整电路的示意框图；
图3示出了根据本公开的一些实施例的开关频率调整电路的示意图；
图4示出了根据本公开的一些实施例的开关频率调整电路的示意图；
图5示出了根据本公开的一些实施例的采用图4所示的开关频率调整电路且电压相位超前于电流相位时的信号时序图；以及
图6示出了根据本公开的一些实施例的采用图4所示的开关频率调整电路且电压相位落后于电流相位时的信号时序图。
具体实施方式
现在参考附图描述各种实施例，其中贯穿全文，相似的附图标记用于指代相似的元素。在下面的描述中，出于解释的目的，阐述了很多具体细节以便促进对一个或多个实施例的透彻理解。然而，在一些或所有情况下可能很清楚的是，可以在不采用以下描述的具体设计细节的情况下实践以下描述的任何实施例。在其他实例中，公知的结构和设备以框图形式示出以便于描述一个或多个实施例。以下给出一个或多个实施例的简化概述，以便提供对实施例的基本理解。该概述不是所有预期实施例的详尽概述，并非旨在标识所有实施例的关键或重要元素，也不旨在界定任何或所有实施例的范围。
在本描述的框架中对“实施例”或“一个实施例”的引用旨在指示关于实施例描述的特定配置、结构或特性被包括在至少一个实施例中。因此，可以在本描述的一个或多个点中存在的诸如“在实施例中”或“在一个实施例中”的短语不一定指代同一个实施例。此外，在一个或多个实施例中，可以以任何适当的方式组合特定的构造、结构或特性。
除非另有指示，否则当提及连接在一起的两个元件时，这表示在没有导体之外的任何中间元件的情况下的直接连接；并且当提及耦合在一起的两个元件时，这表示这两个元件可以连接或者它们可以经由一个或多个其他元件耦合。
在以下公开中，除非另有指示，否则当提及绝对位置修饰词(诸如术语“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“左”、“右”等)或相对位置修饰词(诸如，术语“上方”、“下方”、“更高”、“更低”等)时，或者当提及定向的修饰词(诸如，“水平”、“竖直”等)时，指的是图中所示的定向。除非另有指定，否则表述“约”、“近似”、“基本”和“大约”表示在10％以内，优选在5％以内。
在随后的描述中，说明了一个或多个特定细节，旨在提供对本描述的实施例的示例的深入理解。可以在没有一个或多个特定细节的情况下，或者利用其他方法、部件、材料等获得实施例。在其他情况下，没有详细图示或描述已知的结构、材料或操作，以便实施例的某些方面将不被模糊。
贯穿本文所附的附图，相同的部件或元件利用相同的附图标记指示，并且为了简洁起见将不再重复对应的描述。仅出于方便起见而提供本文使用的附图标记，并且因此不定义保护的程度或实施例的范围。
示例环境
图1A和图1B图示了根据本公开的开关频率调整电路可以适用于的无线充电器100的示意图，其中图1A示出了全桥逆变器而图1B示出了半桥逆变器。应当理解，图1A和图1B中所示的无线充电器的电路器件的数目和类型仅是示意性的，而无意限制。
如图1A和图1B所示，该无线充电器100可以是用于自动导引车(Automatic GuidedVehicle,AGV)和电动车(electric vehicle,EV)的大功率无线充电器。该无线充电器100包括变压器。该变压器包括初级侧线圈(也可以称为发射端)和次级侧线圈(也可以称为接收端)。由于变压器的发射端和接收端距离远，变压器的耦合为松耦合，漏感很大。因此，无功功率非常大。为了提高充电的效率，就需要使用补偿网络，补偿网络一般工作在一谐振频率下。如图1A和图1B所示，初级侧补偿网络11包括初级侧补偿网络组件和变压器的初级侧绕组，并且次级侧补偿网络12包括次级侧补偿网络组件和变压器的次级侧绕组。
理论上，当电感和电容的参数确定时，补偿网络的谐振频率就可以据此确定。如果全桥或半桥逆变器10工作在补偿网络的谐振频率下，那么无功功率小，也就是说无功损耗较小。因此需要使得全桥或半桥逆变器10中的开关的接通和关断频率(即，开关频率)尽量接近补偿网络的谐振频率。
但是，在实际应用中，补偿网络的电感、电容和松耦合的变压器初级次级侧的自感在不同的生产批次中不能保持一致，存在容差，例如电容存在±5％的误差，电感存在±10％的误差，自感存在±10％的误差。还有一个重要的影响因素。当变压器两个线圈盘的距离(无线充电器的变压器的初级侧和次级侧以pad的形式形成并且通过磁场耦合来传统能量)不同时，它们的自感会受到影响。谐振频率是根据电感和电容的标称值来设置的，实际充电器中的谐振频率与所计算的理论谐振频率的偏差可能很大。由于逆变器没有工作在所计算的谐振频率下，这样，充电器就无法在最佳状态下工作。因此，需要能够在线识别补偿网络的实际谐振频率，而不是根据固定的电容和电感值来计算理论的谐振频率，从而以该实际的谐振频率来控制逆变器10中的开关的接通和断开。
此外，开关是否工作在软开关状态(例如，零电压切换(zero voltage switching，ZVS)和零电流切换(zero current switching，ZCS)也是较为关注的一个工作参数。如果全桥或半桥逆变器10工作在补偿网络的谐振频率，虽然无功功率小，但逆变器的开关(例如，如图1A所示的Q1至Q4，或图1B所示的Q1和Q2)工作在硬开关状态，开关损耗大，因此导致总的损耗也比较大。
所谓的硬开关是不管开关管上的电压或电流，强行接通或关断开关管。当开关管(漏极和源极之间，或者集电极和发射极之间)的电压及电流较大时，切换开关管，由于开关管状态间的切换(由导通到截止，或由截止到导通)需要一定的时间，这样就会造成在开关管状态切换的某一段时间内，电压和电流有一个交越区域，这个交越造成的开关管损耗(开关管的开关损耗)随开关频率的提高而急速增加。
若是感性负载，在开关晶体管关断时会感应出尖峰电压。开关频率越高，关断越快，该感应电压越高。此电压加在开关器件两端，容易造成器件击穿。若是容性负载，在开关晶体管导通瞬间的尖峰电流大。因此，当开关晶体管在很高的电压下接通时，储存在开关晶体管结电容中的能量将以电流形式全部耗散在该器件内。频率越高，开通电流尖峰越大，从而会引起开关管的过热损坏。
所谓的软开关与硬开关相反，软开关包括ZVS，其意味着在开关要导通或截止时，开关上的电压必须位置在零电压的状态，这样开关的跨压才不会与开关的电流形成交越而产生损失。因此，还需要逆变器的开关能够实现ZVS，从而使得开关损耗较小。
考虑到上述问题，针对这一问题，本发明提出了一种开关频率调整电路，该电路能够检测高频全桥或半桥逆变器的输出电压和输出电流而在线地确定出补偿网络的谐振频率，并且将逆变器开关管的开关频率逐步地调整为接近实际识别的谐振频率，并且还能够实现逆变器开关管的ZVS。
虽然上述描述了根据本公开的开关频率调整电路适用于无线充电器，但是本公开不限于此，本公开意在包括需要调整开关的接通和关断频率的所有电气设备。
示例电路结构
图2示出了根据本公开的实施例的开关频率调整电路200的示意框图。
如图2所示，该开关频率调整电路200包括逆变器电路10，该逆变器电路10包括逆变器开关管，例如如图1A所示的开关Q1至Q4或如图1B所示的开关Q1和Q2，这些开关能够以一开关频率接通和关断。如上所述，如果全桥或半桥逆变器10工作在补偿网络的谐振频率下，无功功率小，也就是说无功损耗较小。因此需要使得全桥或半桥逆变器10中的开关的接通和关断频率(即，开关频率)尽量接近补偿网络的谐振频率。但是该补偿网络的谐振频率需要是在线识别的谐振频率，而不是通过电容、电感等的标称值确定出来的理论谐振频率，因为电容、电感等的制造公差，根据额定值确定出来的理论谐振频率往往和实际电路中的谐振频率相差较远。
如图2所示，该开关频率调整电路200还包括相位差确定电路20，相位差是逆变器电路10的输出电压的相位与输出电流的相位之间的相位差。该相位差确定电路20连接至逆变器电路10，以获得与逆变器电路10的输出电压相关的第一信号和与输出电流相关的第二信号。该相位差确定电路20还比较第一信号的相位和第二信号的相位，以得到它们之间的相位关系。该相位差确定电路20还基于相位的比较结果选择性输出第一输出信号和第二输出信号，第一输出信号与第一信号和第二信号之间的相位差相关，第二输出信号与固定值相关。在一个示例中，第二输出信号所关联的固定值可以是零，但是根据设计需求，该固定值也可以是其他值。
在一个示例中，第一输出信号还与逆变器电路10的输出电压信号的相位超前于输出电流的相位相关，而第二输出信号与逆变器电路10的输出电压信号的相位落后于输出电流的相位相关。但是，在另一示例中，第一输出信号也可以表示逆变器电路10的输出电压信号的相位落后于输出电流的相位的情况，而第二输出信号也可以表示逆变器电路10的输出电压信号的相位超前于输出电流的相位的情况。因此为了表明输出电压是超前于输出电流还是落后于输出电流，相位差确定电路20可以选择性地输出第一输出信号和第二输出信号以进行区分。然后对第一输出信号和第二输出信号赋予不同的中间值，从而在中间值被输入到后续的平均值确定电路时，能够得到不同的平均值结果，以对输出电压的相位在输出电流的相位之前还是之后进行区分，以便于更好地针对各种情况来分别调整开关频率，例如使得开关频率增大还是减小。
在一个实施例中，该第一信号和第二信号均是数字逻辑信号。在一个示例中，该第一信号的数字逻辑信号可以通过将模拟信号式的输出电压与零电压进行比较之后得到，例如如果输出电压高于零电压，则逻辑信号为高电平(例如1)，如果输出电压低于零电压，则逻辑信号为低电平(例如0)。以类似的方式，能够获得第二信号的数字逻辑信号。在该实施例中，可以使用逻辑信号来表示第一信号和第二信号之间的相位差，例如，在数字逻辑信号形式的第一信号和第二信号之间的电平不同时，逻辑信号取值为高电平(该高电平的值例如1)，在它们电平相同时，逻辑信号取值为低电平(该低电平的值例如0)。但是本领域的技术人员应当理解，逻辑信号的取值不限于1和0，也可以相反地进行取值，只要能够表示第一信号和第二信号之间的相位异同即可。虽然上述列出了利用电压与零电压比较来得到逻辑信号，但是本领域的技术人员应当理解还可以利用其他方式来得到逻辑信号形式的第一信号和第二信号。
虽然上述说明了利用数字逻辑信号来表示第一信号和第二信号，但是本领域的技术人员应当理解还可以使用所采样的电压和电流的模拟信号来表示第一信号和第二信号。因此，在另一实施例中，第一信号和第二信号能够是所采样的电压和电流的模拟信号。通过该模拟信号也能够得到第一信号和第二信号之间的相位关系。例如，通过检测第一信号和第二信号在通过相同的幅值时的相位，例如在模拟信号过零点时的相位，可以得到第一信号和第二信号之间的相位关系。在该实施例中，为了表示相位之间的关系，可以认为在一个时刻两个模拟信号中的一个信号大于零而另一个小于零时两个信号之间的相位不同，反之则认为两个信号之间的相位相同。本公开并不对第一信号和第二信号的表现形式做出任何限制，只要能够得到两个信号之间的相位关系即可。
补偿网络的基本要求是使得输入源的无功功率(即逆变器输出的无功功率)最小化。该初级侧补偿网络的输入通常由高频全桥或半桥逆变器10产生，且高频全桥或半桥逆变器10的输出电压为交流高频电压。初级侧补偿网络(或次级侧补偿网络)主要由电感和电容组成。此外，在次级侧，补偿网络对次级线圈的电感进行补偿从而增加传输能力。当补偿网络的输入电压的基波频率等于补偿网络组件和变压器绕组共同形成的谐振频率时，输入阻抗为纯阻性，从而补偿网络的输入电压(即逆变器电路10的输出电压)的相位与输入电流(即逆变器电路10的输出电流)的相位相同，因此可以消除无功功率。因此，为了使得电路的无功功率减小，可以使得逆变器电路10的输出电压和输出电流之间的相位差尽量小。
如图2所示，该开关频率调整电路200还包括平均值确定电路30，该平均值确定电路30能够被配置为确定第一输出信号的第一平均值。因为第二输出信号为固定值，因此第二输出信号的平均值也为该固定值，在一个示例中，该固定值优选地为0。在一个示例中，该平均值确定电路30能够是低通滤波器。通过平均值确定电路能够将第一输出信号的脉冲信号或方波信号过滤成直流信号，例如如果第一输出信号的脉冲信号的占空比为10％，则所确定的直流信号的幅值可以为0.1；如果脉冲信号的占空比为20％，则所确定的直流信号的幅值可以为0.2。在通过数字逻辑信号来表示第一信号和第二信号之间的异同的情况下，上述的占空比可以与逆变器电路10的输出电压和输出电流之间的相位不同时段占据整个周期的比例相关。
如图2所示，该开关频率调整电路200还包括环路补偿器40，该环路补偿器40能够将所确定的平均值与参考值进行比较且基于比较结果来调整逆变器电路10中的开关的接通和关断频率，该参考值根据逆变器开关管实现软开关而所需的相位差来确定。因此，通过将所计算的平均值与参考值进行比较，且基于比较结果来逐步调整逆变器开关管的开关频率，能够逐步实现逆变器开关管的ZVS。具体地，如图2所示，通过压控振荡器50来调整逆变器开关管10的开关频率。压控振荡器的输入电压与振荡频率基本上成线性关系，环路补偿器40输出一电压以输入到压控振荡器50，压控振荡器50能够根据该电压来调整逆变器开关管10的开关频率，并将具有该开关频率的数字驱动信号反馈到全桥或半桥逆变器10，具体地通过驱动电路24(如图3所示)反馈到全桥或半桥逆变器10。
因此，为了解决硬开关问题，调整了一些谐振元件，这使得补偿网络的输入阻抗略有感性(稍微感性)。该特性可以使全桥或半桥逆变器10中的开关(例如，如图1A所示的Q1至Q4或图1B所示的Q1和Q2)实现软开关(ZVS)。虽然由于逆变器电路的输出电压的相位和输出电流的相位不同相(即，补偿网络的输入电流的相位和输入电压的相位不同)，无功功率相对于电流和电压相位相同的情况而言增加了一点，但由于逆变器开关管实现了ZVS，总损耗反而减少更多。
此外，为了保证逆变器电路10在补偿网络的谐振频率附近工作，该参考值也不能过大，因为参考值过大则表明逆变器电路10的输出电压和输出电流之间的相位差过大(也就是，补偿网络的输入电流和输出电流之间的相位差过大)，从而无功功率将过大。例如，在一个实施例中，在第一输出信号的逻辑信号的值1和0且第二输出信号的逻辑值为0时，该参考值的取值范围可以大于0且小于0.1，优选地该参考值的取值为0.05左右。
较小的参考值表示逆变器电路10的输出电压和输出电流之间的相位差距不大。因此通过本公开的相位差确定电路，平均值确定电路、环路补偿器以及适当选择的参考值，既能够实现逆变器电路10的开关的ZVS又可以兼顾逆变器电路10的开关频率与补偿网络的谐振频率接近。
此外，在电流或电压与零值进行比较时，由于误差或噪音等原因，比较结果可能会在高电压和低电压之间震荡，从而造成干扰。通过平均值确定电路(例如，低通滤波器)和环路补偿器能够过滤到这些干扰而将脉冲信号过滤成一个直流信号。
此外，通过将直流信号输入到环路补偿器中，环路补偿器可以在一个较长的时间段进行一次开关频率调整而不需要频繁地调整开关频率。例如，如果目标开关频率是100kHz(即周期为10μs)，环路补偿器40可以在1秒或者甚至几秒的时段内调整开关频率一次，而不用在较短的周期频繁地调整开关频率，从而使得电路的功能和寿命不会受到大的影响。
因此，通过上述的开关频率调整电路200，通过检测分别与逆变器电路10的输出电压和输出电流相关的第一信号和第二信号，能够得到两个信号之间的相位差。此外，由于目标相位差参考值与逆变器开关管的ZVS相关，所以基于该相位差与目标相位差参考值之间的比较结果来能够调整逆变器开关管的开关频率，至少能够实现逆变器开关管的ZVS，从而使得开关损耗降低。此外，该目标相位差参考值还可以设置得较小，而使得逆变器电路10的输出电压和输出电流之间的相位差尽可能小，也就是使得补偿网络的输入电流和输出电流之间的相位尽可能靠近，从而能够在线识别到补偿网络的谐振频率(即补偿网络的输入电流和输出电流之间的相位相同时的频率)，以使得逆变器开关管的开关频率尽可能地靠近该谐振频率，从而降低甚至消除无功功率，同时还实现逆变器开关管的ZVS或ZCS。
为了更加详细地解释根据本公开的一些实施例的开关频率调整电路，以下将参考图3至图6来进行详细地说明。图3示出了根据本公开的一些实施例的开关频率调整电路300的示意图；图4示出了根据本公开的一些实施例的开关频率调整电路400的示意图；图5示出了根据本公开的一些实施例的采用图4所示的开关频率调整电路且电压相位超前于电流相位时的信号时序图；以及图6示出了根据本公开的一些实施例的采用图4所示的开关频率调整电路且电压相位落后于电流相位时的信号时序图。
如图3所示，相位差确定电路20包括第一信号获得电路21、第二信号获得电路22和逻辑运算电路23。第一信号获得电路21用于将逆变器电路10的输出电压与零电压进行比较，以获得第一信号，该第一信号为数字逻辑信号。第二信号获得电路22用于将逆变器电路10的输出电流与零电流进行比较，以获得第二信号，该第二信号为数字逻辑信号。如图3所示，相应地，第一信号获得电路21包括电压传感器211和第一过零比较器212，并且第二信号获得电路22包括电流传感器221和第二过零比较器222。
在替代实施例中，如图4所示，可以省略电压传感器211和第一过零比较器212，而是将第一信号获得电路21直接连接到逆变器电路10的驱动电路以获得逆变器电路10的输出电压的相位，因为逆变器的某一开关管的驱动电压与逆变器电路10的输出电压具有同相位的关系，因此可以直接获得该驱动信号作为第一信号。因此，可以省略复杂的电压传感器，也无需将低压驱动信号转换为高压信号，然后将高压信号转换成低压信号，也不需要采用传感器对信号进行采样。
通过包含过零比较器，能够以简单和实用的方式获得数字逻辑信号。应当注意，本领域常见的用于获得数字逻辑信号的其他方式也被包含在本公开的范围之内。
如图3和图4所示，逻辑运算电路23可以比较第一信号和第二信号，从而在第一信号的相位超前于第二信号的相位时，输出第一输出信号，且在第一信号的相位落后于第二信号的相位时，输出第二输出信号。但是本领域的技术人员应当理解，相反的情况也是适用的，也就是说第一输出信号与第一信号的相位落后于第二信号的相位相关，而第二输出信号与第一信号的相位超前于第二信号的相位相关。只要能够区分第一信号是超前于还是落后于第二信号，逻辑运算电路23输出何种形式信号均可。
下文将详细描述逻辑运算电路23的组成部件。如图3所示，该逻辑运算电路23包括异或运算电路231、低电平输出电路232和比较电路233。异或运算电路231接收逆变器电路10的数字逻辑信号形式的输出电压和输出电流，并且在输出电压的电平与输出电流的电平不同时，输出高电平，且在在输出电压的电平与输出电流的电平相同时，输出低电平，如图5清楚地示出。
如图3所示，低电平输出电路232可以始终输出低电平，例如数字逻辑信号中的低电平(该低电平的值例如为0)。此外，如图3所示，比较电路233能够比较第一信号的相位和第二信号的相位，且在第一信号的相位超前于第二信号的相位时，使得异或运算电路231被连接至平均值确定电路30(即输出第一输出信号)，且在第一信号的相位落后于第二信号的相位时，使得低电平输出电路232被连接至平均值确定电路30(即输出第二输出信号)。
如图3所示，该比较电路233能够由微控制单元(MCU)或数字信号处理器(DSP)来实现，MCU或DSP能够容易地识别到输入到其的电流和电压之间的相位关系。例如，MCU或DSP通过捕捉电压和电流逻辑信号的上升沿来判断相位关系。MCU或DSP识别出相位关系后，从MCU或DSP输出两个开关信号，例如在电压超前于电流时，选择异或运算电路的输出值，而在电压落后于电流时，选择低电平输出电路232的输出值(例如0)。
在一个替代实施例中，能够以廉价的非集成电子元件来实现上述的逻辑运算功能。如图4所示，逻辑运算电路23包括异或运算电路231，其与上述参考图3所描述的异或运算电路类似，将不再赘述。
如图4所示，逻辑运算电路23还包括触发电路234，例如D触发器，该触发电路234接收异或运算电路231的输出，并且在电压超前于电流时输出高电平(参考图5可以明显地看出，例如高电平1)，且在电压落后于电流时输出低电平(参考图6可以明显地看出，例如低电平0)。
如图4所示，该逻辑运算电路23还包括与门运算电路235，其接收异或运算电路231的输出和触发电路234的输出，且对两个输出进行与运算且将运算结果输出至平均值确定电路30。如图5所示，在电压超前于电流时，触发电路234的输出为高电平，因此通过与门的乘法运算之后运算结果与异或运算电路231的输出相同。如图6所示，在电压落后于电流时，触发电路234的输出为低电平，因此通过与门的与运算之后运算结果也为低电平。
在电压超前于电流时，异或运算电路231的输出被输入到平均值确定电路30以确定其平均值(该平均值与占空比的大小相关)。在电压落后于电流时，该低电平被输入到平均值确定电路30之后，得到的平均值也为低电平，例如0。也就是说，在电压落后于电流时，异或运算电路231的输出不被输入到平均值确定电路30且所确定的平均值为0。
在电压超前于电流时通过平均值确定电路30所确定的平均值(例如，0.2)大于给定的相位差参考值(例如，0.05)时，则表明电压超前电流太多且应当将开关频率调低以接近谐振频率，也就是使得电压和电流之间的相位差变小。如在电压落后于电流时通过平均值确定电路30所确定的平均值为零且小于给定的相位差参考值(例如，0.05)时，则表明电压落后于电流太多且应当将开关频率调高以接近谐振频率，也就是使得电压和电流之间的相位差变小，也就是使得两者之间的相位尽量接近但是不完全相同，保持一定的相位差能够使得逆变器开关管实现ZVS且同时能够尽可能在补偿网络的谐振频率附近工作。
如图4所示，该逻辑运算电路23还包括一个延迟电路236，该延迟电路能够使得触发电路234的触发信号稍稍延迟于异或运算电路231的输出结果。
例如，如图5所示，如矩形框所示，通过该延迟电路236，触发电路234能够采集到异或运算电路231的输出的上升沿之后的高电平，然后触发电路234的输出保持高电压。通过该延迟电路236，触发电路234不会采集到异或运算电路231的输出的上升沿或上升沿之前的低电平，从而在电压超前于电流时，触发电路234的输出始终保持高电平，而使得之后的与门运算235的输出能够跟随异或运算电路231的输出。
此外，例如，如图6所示，如矩形框所示，通过该延迟电路236，触发电路234能够采集到异或运算电路231的输出的下降沿之后的低电平，然后触发电路234的输出保持低电压。通过该延迟电路236，触发电路234不会采集到异或运算电路231的输出的下降沿或下降沿之前的高电平，从而在电压落后于电流时，触发电路234的输出始终保持低电平，而使得之后的与门运算235的输出不再跟随异或运算电路231的输出而是保持低电平，从而将电压超前于和落后于电流的两种情况区分开。
在不损害基本原理的情况下，细节和实施例可以相对于仅通过示例的方式描述的内容变化，甚至显著地变化，而不背离保护的范围。
可以将上述各种实施例组合以提供另外的实施例。如果需要采用各种专利、申请和出版物的概念以提供更进一步的实施例，则可以修改实施例的各方面。
可以根据上述详细描述对实施例进行这些和其他改变。通常，在以下权利要求中，所使用的术语不应当被解释为将权利要求限制为说明书和权利要求中公开的特定实施例，而是应当被解释为包括所有可能的实施例以及赋予这种权利要求的等同物的全部范围。因此，权利要求不受公开内容的限制。

Claims (10)

1.一种开关频率调整电路，包括：
逆变器电路(10)，包括逆变器开关管，所述逆变器开关管以一开关频率接通和关断；
相位差确定电路(20)，连接至所述逆变器电路以用于获得与所述逆变器电路的输出电压相关的第一信号和与所述逆变器电路的输出电流相关的第二信号且比较所述第一信号的相位和所述第二信号的相位，且基于比较结果选择性地输出第一输出信号和第二输出信号，所述第一输出信号与所述第一信号和所述第二信号之间的相位差相关，且第二输出信号为固定值；
平均值确定电路(30)，被配置为确定所述第一输出信号的第一平均值和所述第二输出信号的第二平均值；以及
环路补偿器(40)，被配置为将所述第一平均值或所述第二平均值与参考值进行比较并且基于比较结果调整所述逆变器开关管的所述开关频率，其中所述参考值与所述逆变器开关管实现软开关而所需的相位差相关。
2.根据权利要求1所述的开关频率调整电路，其中，所述平均值确定电路(30)包括低通滤波器，且所述第一输出信号包括交替的高电平和低电平，所述第一平均值与所述高电平和所述低电平的占空比有关，且所述第二平均值为零。
3.根据权利要求1所述的开关频率调整电路，其中，所述相位差确定电路(20)包括：
第一信号获得电路(21)，将所述逆变器电路的输出电压与零电压进行比较，以获得所述第一信号；
第二信号获得电路(22)，将所述逆变器电路的输出电流与零电流进行比较，以获得所述第二信号；以及
逻辑运算电路(23)，比较所述第一信号和所述第二信号，以在所述第一信号的相位超前于所述第二信号的相位时，输出所述第一输出信号，且在所述第一信号的相位落后于所述第二信号的相位时，输出所述第二输出信号。
4.根据权利要求3所述的开关频率调整电路，其中，所述逻辑运算电路(23)包括：
异或运算电路(231)，被配置为接收所述第一信号和所述第二信号，且在所述第一信号的电平和所述第二信号的电平不同时输出高电平，且在所述第一信号的电平和所述第二信号的电平相同时输出低电平；
低电平输出电路(232)，用于输出所述第二输出信号；以及
比较电路(233)，被配置为比较所述第一信号的相位和所述第二信号的相位，且在所述第一信号的相位超前于所述第二信号的相位时，使得所述异或运算电路的输出被输入到所述平均值确定电路，且在所述第一信号的相位落后于所述第二信号的相位时，使得所述低电平输出电路的输出被输入到所述平均值确定电路。
5.根据权利要求3所述的开关频率调整电路，其中，所述逻辑运算电路(23)包括：
异或运算电路(231)，被配置为接收所述第一信号和所述第二信号以输出所述第一输出信号，以在所述第一信号的电平和所述第二信号的电平不同时输出高电平，且在所述第一信号的电平和所述第二信号的电平相同时输出低电平；
触发电路(234)，其被配置为接收所述第一输出信号，以在所述第一信号的相位超前于所述第二信号的相位时，输出高电平，且在所述第一信号的相位落后于所述第二信号的相位时，输出低电平；以及
与门运算电路(235)，被配置为接收所述异或运算电路的第一输出和所述触发电路的第二输出，且对所述第一输出和所述第二输出进行与运算且将运算结果输出至所述平均值确定电路。
6.根据权利要求5所述的开关频率调整电路，其中，所述逻辑运算电路(23)还包括：
延迟电路(236)，连接在所述触发电路和所述第一信号获得电路之间。
7.根据权利要求3所述的开关频率调整电路，其中，所述第一信号获得电路(21)连接至所述逆变器开关管的驱动电路(24)，以将所述逆变器开关管的驱动电压获得作为所述第一信号。
8.根据权利要求3所述的开关频率调整电路，其中，所述第一信号获得电路(21)包括：
电压传感器(211)，被配置为对所述逆变器电路的所述输出电压进行采样以获得采样电压；以及
第一过零比较器(212)，被配置为将所述采样电压与所述零电压进行比较，以获得所述第一信号。
9.根据权利要求3至8中任一项所述的开关频率调整电路，其中，所述第二信号获得电路(22)包括：
电流传感器(221)，被配置为对所述逆变器电路的所述输出电流进行采样以获得采样电流；以及
第二过零比较器(222)，被配置为将所述采样电流与所述零电流进行比较，以获得所述第二信号。
10.一种电气设备，包括根据权利要求1至9中任一项所述的开关频率调整电路。
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