CN1985423A - 双向能量变换系统 - Google Patents

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A·阿吉兹姆
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Abstract

一种交流(AC)到直流(DC)高效变换结构包括用于接收暂态AC输入的AC到DC变换输入级、通过AC线路连接到输入级并且用于将DC功率输出到至少一个用电器的DC输出级、以及用作暂态AC输入处的变化的有效功率和至少一个用电器的恒功率需求之间的能量平衡器的能量存储装置，该能量存储装置通过AC线路连接到输入级和输出级。

Description

双向能量变换系统
技术领域
本发明涉及功率变换结构或拓扑(这里可互换使用)，尤其涉及电源中所采用的交流(AC)到直流(DC)或AC/DC变换结构。
背景技术
在可通常定义为功率变换领域的领域中电源代表非常重要的产品。多种功率变换拓扑是本领域中已知的。传统工业标准AC到DC变换拓扑或结构100如图1所示。结构100包括从线路干线接收AC输入的输入级102，级102连接到能量存储元件(例如，大容量电容器)104，其依次连接到具有至少一个DC输出的输出级106。输入级102通过第一(输入)单向能量传输线路108′连接到能量存储元件104。输出级106通过第二(输出)单向能量传输线路108″连接到能量存储元件104。因此，元件104既连接到输入级又连接到输出级。至线路108′的输入是大致(rough)的DC输入，而从元件104到级106的输出是更纯净(refined)的DC输出(线路108″中所传输的)。为清楚起见，输出级106是DC到DC变换器级。线路110′和110″分别使级102和元件104以及级106和元件104之间形成闭合的电路。控制模块120以有线或无线的方式与每个部件102、104和106之间进行电力通信。除了与能量存储元件之间的通信可以是单向的(只从元件104接收信息)之外，通信一般都是双向的(将指令传送到部件并且从部件接收信息)。
使用中，将AC输入通用线电压(如84-260VAC，50-60Hz)输入到级102并且在此将其转换成大致的(不连续的)DC电流。大致的DC电流通过线路108′从级102输出并且输入到能量存储元件(即，大容量电容器)104。大容量电容器104的主要功能是用作不连续DC电流(和相应能量)的缓冲器并且确保级106的输入的稳定性。电容器104控制来自级102的全部能量输入。DC电流接着从电容器104输出并且通过线路108″被输送到输出级106。在级106中，进一步根据需要对电流进行DC到DC变换，并且通过至少一个输出端将其输出到与输出端相连接的用电器。
上述现有技术的系统的详细视图如图2所示。图2示出了现有技术的结构200，其中图1的输入级102具体为输入全波整流器(AC到DC)202，其电连接到DC/DC功率因数校正(PFC)模块204。PFC模块通常为独立的单元。能量存储元件104具体为大容量电容器206，而线路108′，108″和110′，110″分别由箭头208′和208″表示。输出级106由连接到至少一个输出AC到DC变换器212的至少一个输出DC到AC变换器210表示，来自改变换器的最后的功率输出从输出端“Out 1”被输出。可选择地，连接到AC到DC变换器(如，214和216)的另外几套DC到AC变换器可以连接到“Out 1”并且由它供电。控制模块(图1中的120)也存在于此但是没示出。
图1和2所示的传统的现有技术的结构采用了许多串联AC/DC和DC/AC功率变换器(图2中达到6个部分)。这造成许多明显的缺陷，包括每个部分需要导致多个变换频率的多种变换拓扑，每个部分额外的功率损耗，复杂的电磁干扰(EM)问题，并且在初级侧上需要具有高电压大容量存储电容器。
因此，广泛认可地需要具有一种不会遭致这些缺陷的功率变换结构，并且这将是很有利的。
发明内容
本发明公开一种新的功率变换结构和拓扑，其基于允许利用前馈和反馈线路进行并行变换的AC耦合双向能量流。这种结构和拓扑包含在也称之为“双向能量变换系统”或BECS的变换系统中。
文中公开的结构和拓扑具有许多明显的优点：它们使得总电源性能最优化，具有公共软开关变换部分，并且允许次级侧上使用任何电压大容量电容器或快速充电/放电电池。有利的是，所公开的拓扑在初级侧上不需要高压电容器。
在优选实施例中，本发明的变换结构包括输入级、DC输出级、和能量存储装置，所述输入级包括耦合到DC到AC变换器(DC到AC逆变器)的AC到DC输入整流器，所述DC输出级通过AC线路直接耦合到输入级，所述能量存储装置用作输入级的变化的有效功率和输出级处的输出负载的恒功率需求之间的能量平衡器。能量存储装置包括双向AC<>DC逆变器/变换器和能量存储元件(电容器或快速充电/放电电池)，并且有利而与已有变换系统的情况相反的是，其通过AC线路连接到输入和输出级。当输入功率小于所需的输出功率时，能量存储装置就只耦合到DC输出级。当输入功率等于DC输出处的功率需求时，该结构就使从输入级输出的全部功率能够以AC形式直接输送到输出级。当输入功率大于所需的输出功率时，能量存储装置就从输入级接收多余的功率。该结构因此具有高得多的总变换效率，并且保持功率因数校正工业需求。该拓扑也适用于不间断电源和电机控制系统。
在优选实施例中，变换结构还包括与输入级、一个或多个DC输出级和能量存储装置相耦合的控制单元，以确保已有的功率因数需求，并且确保输出电压的稳定性。
根据本发明，提供一种AC到DC高效变换结构，其包括输入级、DC输出级、和能量存储装置，所述输入级用于(例如，从线路干线)接收AC输入并且输出高频(HF)AC输出，所述DC输出级用于通过AC线路接收该高频AC输出并且通过相应的DC输出端将DC功率输出到至少一个用电器，所述能量存储装置用作输入级处的变化的有效功率和至少一个用电器的恒功率需求之间的能量平衡器，该能量存储装置可操作地通过AC线路与输入级和输出级相互作用，借此该结构使得能够将从输入级引出的全部功率以AC形式直接输送到输出级，由此提供较高的总变换效率。在优选实施例中，该结构还包括与输入级、DC输出级和能量存储装置相耦合的控制单元，所述控制单元用于功率因数校正、优化效率的能量平衡、以及DC输出调节。
根据本发明的变换结构的一个特征，所述输入级包括电连接到输入全波AC到DC整流器的电磁干扰(EMI)滤波器，所述整流器还电连接到DC到AC逆变器。
根据本发明的变换结构的另一个特征，所述能量存储装置包括双向AC<>DC逆变器/变换器和能量存储元件。
根据本发明的变换结构的另一个特征，所述能量存储元件选自包括电容器和快速充电/放电电池的组。
根据本发明的变换结构的另一个特征，所述DC输出级包括多个调节器，其可以是并联连接到AC线路的同步或异步整流器/调节器，每个调节器连接到各自的用电器。
根据本发明的变换结构的另一个特征，所述能量存储装置到AC输入级的耦合是单向地从输入级到能量存储装置。
根据本发明，提供一种AC到DC高效变换拓扑，其包括通过AC总线连接到DC输出级的输入级，可操作地通过AC总线连接到输入和DC输出级、并且用于在输入到输入级的暂态AC功率和输出到输出级处的用电器的变换的DC功率之间调节功率分配和传输的能量平衡器，以及连接到输入级、DC输出级和能量平衡器并且用于控制输入和输出级以及能量平衡器的运行的控制单元。
根据本发明的变换拓扑的一个特征，所述输入级包括电连接到输入全波AC到DC整流器的EMI滤波器，该整流器还电连接到DC到AC逆变器。
根据本发明的变换拓扑的另一个特征，所述能量平衡器包括双向连接到能量存储元件的双向AC<>DC逆变器/变换器。
根据本发明的变换拓扑的另一个特征，所述能量存储元件选自包括电容器和快速充电/放电电池的组。
根据本发明的变换拓扑的另一个特征，所述DC输出级包括多个并联连接到AC总线的调节器，每个调节器连接到各自的用电器。
根据本发明的变换拓扑的另一个特征，所述能量平衡器到输入级的耦合是单向地从AC输入级到能量平衡器。
根据本发明，提供一种将AC功率高效变换成DC功率的方法，所述方法包括下列步骤：将暂态AC功率输入到用于输出高频AC电压的输入级，通过AC线路将高频AC电压输送到用于输出所需的DC功率到至少一个用电器的DC输出级，以及利用通过AC线路连接到输入级和DC输出级的能量存储装置校正在所需的DC功率和暂态AC功率之间的任何不平衡。
根据本发明的方法的一个特征，利用能量存储装置校正任何不平衡的步骤包括，当输入功率小于所需的DC功率时使能量存储装置为DC输出级供电。
根据本发明的方法的另一个特征，利用能量存储装置校正任何不平衡的步骤包括，当输入功率等于所需的DC功率时使能量存储装置允许将从输入级输出的全部功率以AC形式直接输送到输出级。
根据本发明的方法的另一个特征，利用能量存储装置校正任何不平衡的步骤包括，当输入功率大于所需的DC功率时使能量存储装置从输入级接收多余的功率。
根据本发明，提供一种在AC到DC变换器中的功率因数校正子系统，该子系统包括用于接收暂态AC功率并且输出高频AC电压的输入级，通过AC总线连接到输入级并且用于在输入到输入级的暂态AC功率和输出到输出级处的用电器的变换的DC功率之间调节功率分配和传输的能量存储装置，借此在AC到DC变换器中的功率因数校正利用AC总线实现。
根据本发明的PFC子系统的一个特征，所述输入级包括电连接到输入全波AC到DC整流器的EMI滤波器，所述整流器还电连接到DC到AC逆变器。
根据本发明的PFC子系统的另一个特征，所述能量存储装置包括双向AC<>DC逆变器/变换器和能量存储元件。
附图说明
将具体参考本发明的优选实施例，其实例在附图中示出。附图的目的在于描述，而非限制。虽然在这些优选实施例的内容中对本发明作了总体的描述，但是应该理解，其目的不在于将本发明的精神和范围限制到这些特定实施例。结合附图根据下面的描述，本发明的优选实施例的结构、操作方式和优点将更加清楚，其中：
图1示出了常用的现有技术的功率变换结构；
图2示出了现有技术的功率变换结构的具体结构；
图3示出了本发明的功率变换结构的基本框图；
图4示出了本发明的功率变换结构的具体结构；
图5示出了图4的结构的具体实施电路图。
具体实施方式
本发明公开了一种新的功率变换结构(拓扑)，其基于允许利用前馈和反馈线路进行并行变换的双向能量流。
图3示出了根据本发明的功率变换结构300的优选实施例。结构300包括接收与图1的级102相同的AC输入的输入级302，级302通过AC线路306直接连接到输出级304(具有至少一个DC输出)。能量存储装置308通过AC线路耦合(连接)到输入级302和输出级304，与图1和2所示的能量存储元件通过DC线路连接到这些级的现有技术不同。该结构还包括与每个元件302、306和308进行通信(电气地，以有线或无线方式)的控制模块320。通信一般是双向的(将指令传送到元件并且从元件接收信息)，除了与能量存储元件的通信可以是单向的(只从元件308接收信息)之外。
有利的是，能量存储装置只处理总能量的一部分，这使得损耗小(效率高)，物理尺寸小并因此使得系统价格低。
图4详细地示出了本发明的功率变换结构400，其给出了图3所示结构的详细结构。在结构400中，图3的输入级302具体为电磁干扰(EMI)滤波器401，其电连接到输入整流器(优选全波AC到DC整流器)402，进一步电连接到DC到AC逆变器404。结构400还包括与图3的AC线路306相同的AC总线406，具体为连接到能量存储元件(大容量电容器或快速充电/放电电池)410的双向AC<>DC逆变器/变换器408的能量存储装置，以及由N个双向调节器(同步或异步整流器/调节器)412-1到412-N组成的输出级407。输入级和能量存储装置，即，单元401、402、404、408和410，共同构成功率因数校正(PFC)子系统405。有利并且与现有技术不同的是，PFC 405不利用专门的单元来实现功率因数校正，而是利用DC/AC逆变器、能量存储装置、和控制器504(见图5)的已有功能。PFC利用不同单元之间的AC线路来实现。
调节器412的每个412都在连接到负载R的DC输出“Out”处输出所需的DC稳定输出电压。示意性地，对于调节器412-1来说，Out 1连接到表示第一用电器的负载R1，而对于调节器412-N来说，Out N连接到表示第n个用电器的负载Rn。可以增加任意数量的附加并联用电器而不影响系统的总变换效率。双向DC<>AC逆变器/变换器是本领域公知的，例如参见IEEE Tran.Powe Electron.，第19卷，430-442页，2004中W.Guo和P.K.Jain的“Alow frequency AC to highfrequency AC inverter with built-in power factor correctionand soft switching”的图2中的“全桥逆变器”加“谐振网络”元件，该文献在此引入作为参考。控制模块(图3中的302)也存在于此但未示出。
参考图4，在使用中，通过EMI滤波器401将AC输入电压，示意性的通用线电压(84-260VAC，50-60Hz)馈送到输入全波整流器(AC到DC)402并且在此将其变换成大致的DC电流。将大致的DC电流从整流器402输出并且馈送到DC到AC变换器404中，其在变换器404中被转换成高频AC电流。在AC总线406上将高频AC电流分流到AC<>DC逆变器/变换器408以及N个异步整流器/调节器412-1到421-N。分流取决于AC输入处的可用暂态功率。举例来说，用Out 1表示的用电器1需要恒定功率。如果从AC总线406提供给它的功率大于它的需求，那么多余的功率就输送到能量存储装置(如，电容器410)。如果从AC总线406提供给用电器1的功率小于需求，那么电容器410就向变换器408提供所需的功率差额，该功率差额接着被输送到Out 1以满足恒定的能量需求。电容器410(或快速充电/放电电池)因此充当能量平衡器，它与输入和输出级之间的功率传输通过AC总线进行。注意，能量存储装置只从输入级接收功率，而与输出级双向交换功率。
概括来说，当输入功率小于所需的输出功率时，能量存储装置就只连接到DC输出级。当输入功率等于DC输出处的功率需求时，该结构就使从输入级输出的全部功率以AC形式直接输送到输出级。当输入功率大于所需的输出功率时，能量存储装置就从输入级接收多余的功率。该结构因此具有较高的总变换效率，并且保持功率因数(PFC)工业需求。该拓扑也适用于不间断电源和电机控制系统。
图5示出了图4的结构的具体电路实现。AC输入通过EMI滤波器420被滤波。图4的输入整流器402在这里具体采用包括四个整流二极管D1、D2、D3和D4的全桥502以及输入滤波器420来实现。AC输入电压被指示为耦合到DC到AC变换器404(图4)的输出端，所述DC到AC变换器404具体为包括开关(如，晶体管)S1、S2、S3和S4以及电感器L1的电路。调节器412-1具体为包括开关S5、S6和电容器C4的电路，其连接到输出端和负载R1，提供DC电压VDC out 1，如所示。L2和L3是差分模式扼流圈，其允许借助S5和S6之间的相移进行输出电压调节。调节器412-N具体为开关Sn和Sn+1、电容器Cn、以及电感器Ln和Ln+1。其连接到输出端和负载Rn，提供DC电压VDC outN，如所示。DC输出(VDC out 1和VDC out N)并联连接到AC总线406(变压器T1)。双向AC<>DC逆变器/变换器408具体为包括开关S9、S10、S11和S12的电路，并且如所示连接到大容量电容器Cbulk410。输出级中的每个单元都通过隔离磁耦合连接到AC总线406。控制单元504(类似于图3中的320)连接到输入和输出级以及电容器Cbulk，如所示。从控制单元引出的箭头表示对各单元的控制，进入到控制单元的这些箭头表示在点416、417和418′-418N处得到的输入。控制单元控制从S1到Sn+1所有开关的打开和闭合。
如图5所示，由408和410所限定的输电干线流中采用一次或二次脉冲整形网络。有利的是，没有不可控的能量流，没有不可控的输入突入电流，并且不需要另外的硬件来限制它们。脉冲接脉冲(pulse-by-pulse)的控制使得能够采用小电容器，从而简化热交换。
总之，本发明公开了一种变换结构，其具有现有技术结构之外的许多优点：
1)不需要对突入电流进行抑制。不存在并联连接到输入级的电容器，从而紧接着初始导通(t＝0时刻)，输入电压是额定的并且输入电流几乎为零。这是因为电源的双向构造，由于与在t＝0时也为零的输出电压成比例所以其规定在t＝0时输入电流几乎为零。实际上，由于输入能量是通过电感器从AC传输，所以全部的突入电流都受这个电感器的限制。
2)不需要专门的输出保护。最大输出电流由控制单元调节(固定)。这种构造的结果是，内部功率消耗与输出负载阻抗几乎无关。因此，电源能够在无限的时间段内运行于过载到短路的情况下。实际上电源输出作为电流源运行。作为这种构造双向性的一个特征，电源的输入以类似的方式(电流汇点current sink)运行。在t＝0时刻，由于对能量存储元件充电所以输出功率为零。
3)多输出没有效率损耗。由于没有另外的变换级所以这种拓扑允无效率损耗地实现多个输出。全部输出都由单个变压器并行输出。从效率的观点来看，优选的是，将输出功率分配给许多个输出，从而减小来自单个输出的电流。
“刀片(blade)”服务器系统应用就是一个例子，其中每个印刷电路板(或刀片)都是通过公共底板连接到电源的基本上独立的计算机。通过利用物理电源上的初级侧和负载(其在刀片本身上使用低电压AC)处的次级侧，可以在AC功率输入与负载输出的DC隔离低电压点之间得到很高的效率。仿真(未示出)表明，这使整个效率提高了10-12％。
本说明书中所提及的全部公开物和专利在此都整体引入说明书作为参考到这样的程度，以至每个单独的公开物或专利都明确而单独地在此结合用作参考。此外，本申请中任何参考的引用或证明不应该解释为承认这种参考可作为现有技术应用于本发明。
虽然针对有限个实施例对本发明进行了描述，但是应该意识到，可以对本发明作许多变型、修改和其它操作。上面所描述的仅仅是对本发明基本原理的应用的示意性说明。在不脱离本发明的精神和范围的情况下本领域技术人员可以采用其它装置和方法。

Claims (20)

1.一种交流(AC)到直流(DC)高效变换结构，包括：
a.输入级，其用于接收暂态AC输入并且输出高频(HF)AC输出；
b.DC输出级，其用于通过AC线路接收所述的高频AC输出并且为各个DC输出处的至少一个用电器提供所需的DC功率；以及
c.能量存储装置，其通过所述AC线路连接到所述输入级和输出级并且用于校正在所述暂态AC输入处的变化的有效功率和所述至少一个用电器处的恒功率需求之间的任何不平衡；
借此该结构使得能够将从所述输入级输出的全部功率以AC形式直接输送到所述输出级，由此提供较高的总变换效率。
2.根据权利要求1的变换结构，还包括控制单元，其连接到所述输入级、所述DC输出级和所述能量存储装置，并且用于功率因数校正、优化效率的能量平衡和对所述DC输出的调节。
3.根据权利要求1的变换结构，其中所述输入级包括电连接到输入全波AC到DC整流器的电磁干扰(EMI)滤波器，所述整流器还电连接到DC到AC逆变器。
4.根据权利要求1的变换结构，其中所述能量存储装置包括双向AC<>DC逆变器/变换器和能量存储元件。
5.根据权利要求4的变换结构，其中所述能量存储元件选自包括电容器和快速充电/放电电池的组。
6.根据权利要求1的变换结构，其中所述DC输出级包括多个并联连接到所述AC线路的调节器，每个所述整流器/调节器还连接到各自的所述用电器。
7.根据权利要求1的变换结构，其中所述能量存储装置到所述输入级的耦合是单向地从所述输入级到所述能量存储装置。
8.一种交流(AC)到直流(DC)高效变换结构，包括：
a.输入级，其通过AC总线连接到DC输出级；
b.能量平衡器，其可操作地通过所述AC总线连接到所述输入级和输出级，并且用于在输入到所述输入级的暂态AC功率和输出到所述输出级处的用电器的所变换的DC功率之间调节功率分配和传输；以及
c.控制单元，其连接到所述输入级、所述DC输出级和所述能量平衡器，并且用于控制所述输入级和输出级以及所述能量平衡器的运行。
9.根据权利要求8的变换结构，其中所述输入级包括电连接到输入全波AC到DC整流器的电磁干扰(EMI)滤波器，所述整流器还电连接到DC到AC逆变器。
10.根据权利要求8的变换结构，其中所述能量平衡器包括双向连接到能量存储元件的双向AC<>DC逆变器/变换器。
11.根据权利要求10的变换结构，其中所述能量存储元件选自包括电容器和快速充电/放电电池的组。
12.根据权利要求8的变换结构，其中所述DC输出级包括多个并联连接到所述AC总线的调节器，每个所述整流器/调节器还连接到各自的所述用电器。
13.根据权利要求8的变换结构，其中所述能量平衡器到所述AC输入级的耦合是单向地从所述输入级到所述能量平衡器。
14.一种将交流(AC)功率高效变换成直流(DC)功率的方法，包括以下步骤：
将暂态AC功率输入到输入级，所述输入级输出高频(HF)AC电压；
通过AC线路将所述高频AC电压输送到DC输出级，该DC输出级用于将所需的DC功率输出到至少一个用电器；以及
利用通过所述AC线路连接到所述输入级和所述DC输出级的能量存储装置来校正在所述所需的DC功率和所述暂态AC功率之间的任何不平衡。
15.据权利要求14的方法，其中所述的利用能量存储元件校正任何不平衡的步骤包括：当所述输入功率小于所述所需的DC功率时，使所述能量存储装置为所述DC输出级供电。
16.根据权利要求14的方法，其中所述的利用能量存储元件校正任何不平衡的步骤包括：当所述输入功率等于所述所需的DC功率时，使所述能量存储装置允许以AC形式将从所述输入级输出的全部功率直接输送到所述输出级。
17.根据权利要求14的方法，其中所述的利用能量存储元件校正任何不平衡的步骤包括：当所述输入功率大于所述所需的DC功率时，使所述能量存储装置从所述输入级接收多余的功率。
18.一种在交流(AC)到直流(DC)变换器中的功率因数校正子系统，包括：
a.输入级，其用于接收暂态AC功率并且输出高频AC电压；以及
b.能量存储装置，其通过AC总线连接到所述输入级，并且用于在输入到所述输入级的暂态AC功率和输出到所述输出级处的用电器的所变换的DC功率之间调节功率分配和传输，
借此在AC到DC变换器中的功率因数校正利用所述AC总线来实现。
19.根据权利要求18的PFC子系统，其中所述输入级包括电连接到输入全波AC到DC整流器的电磁干扰滤波器，所述整流器还电连接到DC到AC逆变器。
20.根据权利要求18的PFC子系统，其中所述能量存储装置包括双向AC<>DC逆变器/变换器和能量存储元件。
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