CN117543935A - 交流(ac)电压调节器及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了交流(AC)电压调节器及其操作方法。一种被配置为接收输入电压的交流(AC)电压调节器包括AC/DC脉宽调制(PWM)电源，该电源被配置为接收输入电压并输出与输入电压隔离的直流(DC)信号。调节器包括控制电路，该控制电路被配置为接收输入电压的一部分，调整输入电压的该部分的幅度和相位，并输出调整后的电压。调节器包括放大器，该放大器被配置为经由功率输入端接收隔离的DC信号；经由第一输入端接收调整后的电压；接收从放大器输出端到第二输入端的反馈回路；并经由放大器输出端来输出差分信号。调节器包括输出端，该输出端被配置为将差分信号添加到输入电压以产生经调节的电压，并输出该经调节的电压。

Description

交流(AC)电压调节器及其操作方法
本申请是申请号为“202080056849.4”，申请日为“2020年6月11日”，发明名称为“交流(AC)电压调节器及其操作方法”的中国专利申请的分案申请。
相关申请
本申请要求于2019年6月18日提交美国临时专利申请号62/862，926的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
实施例涉及交流(AC)电压调节器。
发明内容
AC电压调节器可使用磁性、机械、铁磁谐振的变体、伺服自耦变压器、抽头开关和/或电气开关来执行AC电压调节。此类系统通过对近似90％效率接收的功率的近似100％进行调节来运行。例如，使用此类系统对500瓦的调节可能需要转换所有500瓦以调节电压。因此，此类系统和方法不仅可能过于庞大，而且制造成本和操作成本也很高。
因此，一个实施例提供了一种交流(AC)电压调节器，包括被配置为接收输入电压的输入端、AC/DC PWM电源、控制电路、放大器和输出。AC/DC脉宽调制(PWM)电源被配置为接收输入电压并输出与输入电压隔离的直流(DC)信号。控制电路被配置为接收输入电压的一部分，调整该部分输入电压的幅度和相位，并输出调整后的电压。放大器包括第一输入端、第二输入端、功率输入端和放大器输出端。放大器被配置为经由功率输入端接收隔离的DC信号；经由第一输入端接收调整后的电压；接收从放大器输出端到第二输入端的反馈回路；并经由放大器输出端来输出差分信号。输出端被配置为将差分信号添加到输入电压，从而产生经调节的电压，并输出该经调节的电压。其中，放大器输出端经由隔离器与第二输入端电气隔离。
另一实施例提供了一种调节交流(AC)电压的方法。该方法包括经由输入端接收输入电压，以及经由AC/DC脉宽调制(PWM)电源来输出与输入电压隔离的直流(DC)信号。该方法还包括经由控制电路接收输入电压的一部分，经由控制电路调整该部分输入电压的幅度和相位，并输出调整后的电压。该方法还包括经由放大器的功率输入端接收隔离的直流信号，经由放大器的第一输入端来接收调整后的电压，接收从放大器输出端到放大器的第二输入端的反馈回路，以及经由放大器输出端来输出差分信号。该方法还包括将差分信号添加到输入电压，从而产生经调节的电压，并经由输出端来输出该经调节的电压。其中，放大器输出端经由隔离器与第二输入端进行电隔离。
这样的实施例可以通过提供适当的调节而无需调节整个线路电压来使效率最大化并且降低成本。在操作的一个实施例中，功率的仅10％会被实际转换。因此，例如，(总共500瓦中的)仅50瓦会被转换为经调节的电压，而剩余的450瓦允许在线路上通过。
此外，当不需要调节时，这样的实施例不需要进行调节。然而，包含磁性、机械、铁磁谐振的变体、伺服自耦变压器、抽头开关和/或电气开关以执行调节的系统，无论实际是否需要调节，仍必须对接收功率的100％进行转换。
由于仅需要转换总功率的约10％，并且仅在必要时进行调节，因此，上述实施例的尺寸和重量可以是使用磁性、机械、铁磁谐振的变体、伺服自耦变压器、抽头开关和/或电气开关来执行调节的AC电压调节器的大约1/50。此外，上述实施例的成本可以是使用磁性、机械、铁磁谐振的变体、伺服自耦变压器、抽头开关和/或电气开关来执行调节的交流电压调节器的大约1/10。此外，与包含磁性、机械、铁磁谐振的变体、伺服自耦变压器、抽头开关和/或电气开关来执行调节的系统相比，这种效率可以使操作成本降低。
通过考虑详细说明和附图，本申请的其他方面将变得显而易见。
附图说明
图1是根据一些实施例的交流(AC)调节器的框图。
图2是示出了根据一些实施例的图1的交流调节器的操作的流程图。
具体实施方式
在详细解释本申请的任何实施例之前，应当理解，本申请的应用不限于以下描述中阐述或附图中所示的组件的构造和布置的细节。本申请能够通过其他实施例，并且能够以各种方式实践或执行。
图1是根据一些实施例的调节器100的框图。在一些实施例中，调节器100可以是电压调节器，诸如但不限于被配置为调节线路102上的电压的交流(AC)串联旁路电压调节器。
在操作中，调节器100可被配置为从线路102接收输入电压的一部分，并将差分电压信号添加回线路102，从而产生经调节的电压(例如，具有预定幅度和频率的电压)。在一些实施例中，部分功率调节被用于通过将将差分电压信号添加到输入电压来实现经调节的电压。
调节器100可通过仅转换线路电压的总功率的一部分来调节线路电压。例如，调节器100可以仅转换总功率的约10％(例如，总功率500瓦中的50瓦)，而总功率的剩余90％(例如，450瓦)被允许通过(例如，经由线路102)。因此，具有70％效率(即，30％损耗)的调节器100仅在总功率的约10％上具有70％的效率。因此，调节器100可以97％的总效率(即，3％的总损耗)调节线路电压。
此外，调节器100可仅在需要时调节线路电压。例如，当输入线路电压已经具有预定幅度和频率时，调节器输出具有大约零伏的差分电压信号。在这样的实施例中，调节器100使用空闲或剩余电流(rest current)，而不是转换功率。这样的操作会导致更高的效率。
在所示实施例中，调节器100包括输入端105、控制电路110、放大器115、脉冲宽度调制(PWM)电源120和输出端125。输入端105被配置为从线路102接收输入电压。在一些实施例中，输入电压在大约95VAC到大约135VAC的范围内。输入电压可以是分相AC或三相AC。
控制电路110被配置为接收输入电压的至少一部分，调整输入电压，并输出调整后的电压。在一些实施例中，控制电路110可以接收输入电压的大约10％的功率(例如，总共500瓦中的50瓦)，而剩余90％的功率(例如，450瓦)经由线路102通过。在一些实施例中，控制电路110调整输入电压的该部分的幅度和/或相位。
在一些实施例中，控制电路110包括过零检测器130和滤波器135。在这样的实施例中，过零检测器130可以从输入端105接收输入电压的一部分。过零检测器130可被配置成将输入电压的一部分从正弦波转换为具有经调节的幅度的方波。在一些实施例中，过零检测器130包括一个或多个光耦合器。在其他实施例中，过零检测器130包括一个或多个变压器。在一些实施例中，过零检测器130是对输入电压变化、谐波和噪声具有轨对轨的免疫。
然后，滤波器135可以接收具有经调节的幅度的方波。滤波器135可以接收具有经调节的幅度的方波，调整所接收方波的相位，并将调整波作为具有调整后的幅度和相位的经滤波的正弦波输出。
在一些实施例中，滤波器135是或包括带通滤波器和/或全通滤波器。在这样的实施例中，带通滤波器可以包括4阶切比雪夫滤波器，随后是1阶巴特沃斯滤波器。这样的带通滤波器可引起可由全通滤波器去除的不需要的相移。
在其他实施例中，控制电路110是数字信号处理器(DSP)。在这样的实施例中，DSP被配置为接收输入电压的一部分并输出具有调整后的幅度和相位的正弦波。
放大器115被配置为接收调整后的电压并输出差分电压信号。在一些实施例中，放大器115是D类音频放大器。在其他实施例中，放大器115是T类音频放大器。在一些实施例中，放大器115具有约20kHz的带宽。在这样的实施例中，放大器115可以校正高达约20kHz的谐波和失真，从而起到有源电压谐波和/或散列滤波器的作用。
放大器115可以包括第一输入端140、第二输入端145、功率输入端150和输出端155。在所示的实施例中，第一输入端140是非反相输入，并且第二输入端145是反相输入。
在操作的一个实施例中，放大器115在输入端140处接收调整后的电压，并经由输出端155输出差分电压信号。在一些实施例中，放大器115是反相放大器，包括例如反相控制回路160。反相控制回路160可以是将输出端155与第二输入端145进行电连接的反馈回路。在一些实施例中，控制回路160可以包括数字信号处理器(DSP)，其被配置为向放大器115提供反相反馈。
在所示的实施例中，输出端155和控制回路160经由隔离器165彼此电气隔离。在一些实施例中，隔离器165包括一个或多个光隔离器。在其他实施例中，隔离器165是变压器。
脉宽调制(PWM)电源120被配置为将输入电压转换为直流(DC)电压。在一些实施例中，PWM电源120是隔离的电源。在这样的实施例中，PWM电源120可以是隔离的AC/DC切换模式电源。
PWM电源120可向放大器115的功率输入端150提供隔离的DC电压。因此，放大器115可与功率输入端150和第二输入端145处的输入电压电气隔离(经由反馈回路160)。
在操作中，调节器100在输入端105处接收输入电压(例如，线路电压)。输入电压的一部分(例如，总功率的约10％)由控制电路110接收，而输入电压的剩余部分(例如，总功率的约90％)经由线路102通过调节器100。
控制电路110接收输入电压的一部分，调整电压的幅度和相位，并将调整后的电压输出到放大器115。放大器115至少基于在输入端140处接收的调整后的电压和在输入端145处接收的隔离的反馈回路，输出差分电压信号。放大器115可经由来自PWM电源120的隔离的DC电压进行供电。然后将差分电压信号添加到旁路输入电压，从而在线路102上产生调节电压。
在一些实施例中，调节器100还可以包括保护电路。保护电路可为调节器100提供额外的保护，包括但不限于防止短路问题。在一些实施例中，保护电路可包括但不限于机械继电器、固态继电器和/或双MOSFET。
图2是示出了根据一些实施例的调节器100的操作200的流程图。应当理解，操作200中所公开的步骤的顺序可以变化。尽管图示为以串行顺序发生，但在其他实施例中，所公开的步骤可以以并行顺序执行。此外，可以向该过程中添加额外的步骤，并且可能不需要所有的步骤。
在框205中，在输入端105处接收输入电压(例如AC电压)。从AC/DC PWM电源120输出直流(DC)信号(框210)。在一些实施例中，DC信号与输入电压隔离(例如，经由AC/DC PWM电源120)。
由控制电路110接收输入电压的一部分(框215)。经由控制电路110调整输入电压的该部分的幅度和相位(框220)。控制电路110输出调整后的电压(框225)。
经由放大器115的功率输入端150来接收DC信号(框230)。调整后的电压经由放大器115的输入端140接收(框235)。通过放大器115的输入端145接收来自放大器输出端155的反馈回路(框240)。差分信号经由放大器输出端155输出(框245)。将差分信号添加到输入电压，产生经调节的电压(框250)，并且然后输出经调节的电压(例如，经由输出端125)(框255)。
除其他外，实施例提供交流(AC)电压调节器。所附权利要求阐述了本申请的各种特征和优点。

Claims (20)

1.一种交流(AC)电压调节器，包括：
隔离的电源，被配置为接收输入电压，并输出与所述输入电压隔离的直流(DC)信号；
控制电路，被配置为调整所述输入电压的一部分，并输出调整后的电压；
放大器，被配置为输出差分信号，所述差分信号基于从由所述隔离的DC信号、所述调整后的电压和反馈回路组成的组中选择的至少一个；以及
输出端，被配置为将所述差分信号添加到所述输入电压以产生经调节的电压，并输出所述经调节的电压。
2.根据权利要求1所述的AC电压调节器，其中，所述放大器的输出端经由隔离器与所述放大器的输入端电气隔离。
3.根据权利要求2所述的AC电压调节器，其中，所述隔离器包括从一个或多个光隔离器和变压器组成的组中选择的至少一个。
4.根据权利要求1所述的AC电压调节器，其中，所述隔离的电源是AC/DC脉宽调制(PWM)电源。
5.根据权利要求1所述的AC电压调节器，其中，所述控制电路调整从由所述输入电压的一部分的幅度和所述输入电压的一部分的相位组成的组中选择的至少一个。
6.根据权利要求1所述的AC电压调节器，其中，所述控制电路是数字信号处理器(DSP)。
7.根据权利要求1所述的AC电压调节器，其中，所述控制电路包括过零检测器。
8.根据权利要求7所述的AC电压调节器，其中，所述过零检测器被配置为：
接收所述输入电压，
检测所述输入电压的零交叉，并且
基于所述零交叉调整所述输入电压。
9.根据权利要求7所述的AC电压调节器，其中，所述过零检测器包括一个或多个光隔离器。
10.根据权利要求7所述的AC电压调节器，其中，所述过零检测器包括一个或多个变压器。
11.根据权利要求1所述的AC电压调节器，其中，所述控制电路包括滤波器。
12.根据权利要求11所述的AC电压调节器，其中，所述滤波器是带通滤波器。
13.根据权利要求11所述的AC电压调节器，其中，所述滤波器包括数字信号处理器(DSP)。
14.根据权利要求1所述的AC电压调节器，其中，所述放大器是从由D类音频放大器和T类音频放大器组成的组中选择的至少一个。
15.根据权利要求1所述的AC电压调节器，其中，所述输入电压是从由分相电压和三相电压组成的组中选择的至少一个。
16.根据权利要求1所述的AC电压调节器，其中，所述经调节的电压具有从50Hz、60Hz和400Hz组成的组中选择的至少一个的频率。
17.根据权利要求1所述的AC电压调节器，其中，所述反馈回路包括数字信号处理器(DSP)。
18.一种调节交流(AC)电压的方法，所述方法包括：
经由隔离的电源接收输入电压；
经由所述隔离的电源来输出与所述输入电压隔离的直流(DC)信号；
经由控制电路来调整所述输入电压的至少一部分；
经由放大器来输出差分信号，其中所述差分信号是基于从由所述隔离的DC信号、所述经调整的电压和反馈回路组成的组中选择的至少一个；以及
将所述差分信号添加到所述输入电压以产生经调节的电压；并且
经由输出端来输出所述经调节的电压。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：
经由过零检测器来接收所述输入电压，
经由所述过零检测器来检测所述输入电压的零交叉，并且
经由所述过零检测器，基于所述零交叉来调整所述输入电压。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，所述控制电路包括从由过零检测器和数字信号处理器(DSP)组成的组中选择的至少一个。
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