KR20170071587A

KR20170071587A - 고유 역률 정정을 위한 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20170071587A
Application number: KR1020177013601A
Authority: KR
Inventors: 부르스 리차드 롱; 앤드류 더블유. 다가
Original assignee: 모멘텀 다이나믹스 코오퍼레이션
Priority date: 2014-10-20
Filing date: 2015-10-19
Publication date: 2017-06-23
Also published as: CA2964326A1; HK1243560A1; US20170237340A1; MX2017005100A; EP3210295A1; WO2016064725A1; CN107112912A; JP2017532943A; EP3210295A4

Abstract

고유 선 역률 정정을 가지는 공진 유도 무선 전력 전송 장치는 특정 역률 정정 회로를 사용하지 않고 선접속점에서, 1에 가까운 역률, 낮은 고조파 왜곡 부하를 가지는 무선 전송 방법을 제공한다. 장치는 종래의 직류 전압 대신 정류된 정현파 공급 전압을 이용하여 동작되는 전송 주파수 인버터를 제공한다. 공진 유도 전송 코일 쌍은 특정 값의 2개의 직렬 접속된 공진 커패시터들의 추가에 의해 임피던스 인버터로 변환된다. 임피던스 인버터는 경부하의 조건들 하에서 2차측 전압을 상승시키고, 이러한 방식으로, 선주파수 소스 전류 및 2차측 부하 전류가 비례하도록 강제하여, 이에 의해 1에 가까운 선 부하 역률 및 낮은 고조파 전류 왜곡을 유지한다.

Description

고유 역률 정정을 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR INTRINSIC POWER FACTOR CORRECTION}

관련 출원들에 대한 교차-참조

본 출원은 2014년 10월 20일에 출원된 미국 특허 가출원 제62/065,889호에 대한 우선권을 주장한다. 상기 출원의 내용들이 이에 의해 참조로 본원에 포함된다.

발명은 공진 유도에 의한 전기 에너지의 전송에 관한 것이다. 더 구체적으로, 발명은, 특정 역률 정정 회로를 사용하지 않고 선접속점에서 1에 가까운(near unity) 역률, 낮은 고조파 왜곡 부하를 제공하는 무선 전송 방법에 관한 것이다. 대신, 본원에 기술되는 장치는 특정 역률 정정 스테이지에 대한 필요성 없이 낮은 고조파 왜곡, 1에 가까운 역률을 제공함으로써, 컴포넌트 비용, 장치 크기 및 전력 변환 손실들을 감소시킨다.

유도성 전력 전송은 많은 산업들 및 시장들에 걸쳐 많은 중요한 응용예들을 가진다. 본원에 포함되는 개시내용이 비교적 높은 전력(100 와트 초과)을 요구하는 응용예들에 대한 이 발명의 사용을 참작하지만, 전력 응용예들의 잠재적인 리스트가 제한되지 않으며, 이 발명은 광범위한 전력 요건들에 적용될 수 있다.

도 1은 종래 기술의 공진 유도성 전력 전송 시스템(10)의 개념적 표현을 도시한다. 예시된 바와 같이, 교번하는(alternating), 선주파수 전기 에너지의 소스가 AC 선(12) 상에 제공되어, 선주파수 정류기(14) 및 션트 커패시터 리플 필터(16)를 이용하여 직류로 변환된다. DC-AC 인버터(18)는 직류 에너지를, 공진 네트워크(20)에 의해 1차측 유도 코일(22)에 인가되는 고주파수 교류로 변환시킨다. 통상적인 동작 주파수들은 15-50 kHz의 범위 내에 있다.

1차측 유도 코일(22)과 2차측 유도 코일(24) 사이의 자기 커플링은 1차측 에너지를 2차측에 전달하는데, 여기서 그것은 고주파수 정류기(26)에 의해 정류되고, 리플 필터(28)에 의해 리플 필터링되며, 멀리 위치된 배터리(30)를 충전시키기 위해 사용된다. 공진 네트워크(32)는 2차측 유도 코일(24)을 공진시키고, 이에 의해 최대 전류 흐름 및 최대 에너지 전달을 가능하게 한다.

도 1의 회로에서 AC 선 접속에 제시되는 부하의 속성은 선 정류기 - 션트 리플 필터 커패시터 조합에 의해 결정된다. 동작 시, 선 정류기 전류는 순시 정류된 선전압이 션트 커패시터 전압을 초과하지 않는 한 제로이다. 이는, 정류기 전류가 정현파가 아니라 대신 선전압 정현파가 그것의 최댓값에 도달하기 직전에 발생하는 좁은 펄스임을 의미한다. 정류기 전류가 정현파 대신 좁은 펄스이기 때문에, 그것은 상당한 고조파 콘텐츠를 포함한다. 연관된 선주파수 고조파 전류들은 전기 전력 분배 컴포넌트들 및 또한 분배 시스템에 접속되는 다른 부하들에 유해하며, 그 이유 때문에 유틸리티 또는 관리 레귤레이션에 의해 낮은 진폭으로 제한된다.

또 다른 어려움은 선주파수 정류기 전류 피크가 선주파수 전압 최댓값 앞에서 발생한다는 사실이다. 이는, 선주파수 정류기 전류 펄스의 기본 고조파 컴포넌트가 또한 선주파수 전압 정현파를 리드하여 규제적 제약들을 받는 바람직하지 않은 리딩 전류 인자를 생성함을 의미한다. 션트 선주파수 리플 필터 커패시터(16)의 커패시턴스를 증가시키는 것은 직류 선주파수 리플의 크기를 감소시키지만, 또한 정류기 전류 펄스의 크기를 바람직하지 않게 증폭시키고 폭을 감소시키고, 이에 의해 바람직하지 않은 선주파수 고조파 왜곡 및 수용불가능한 선 역률을 증가시킨다.

문제는 이후 선 전압원으로부터 동상인, 정현파 전류를 끌어내는 동안, 선주파수 교류를 직류로 어떻게 변환시키는가 하는 것이다. 도 2는 이 문제에 대한 종래의 해법, 소위, 역률 정정 스테이지(34)의 추가를 도시한다. 이러한 사용에서의 역률 정정이 정류기 생성된 선주파수 고조파 왜곡의 제거 뿐만 아니라 선주파수 전압 및 전류 정현파들의 정렬 둘 모두를 내포한다는 것에 유의한다.

도 2에 도시된 역률 정정 스테이지(34)가 DC-DC 부스트 컨버터로 구성되지만, 벅 및 부스트-벅 컨버터 토폴로지들 역시 사용될 수 있다. 션트 전계 효과 트랜지스터(36)로서 도 2에 도시된 션트 스위칭 디바이스는 인덕터 전류를 제어하고, 따라서 펄스 듀레이션에 의해 AC 선전류를 제어한다. 션트 트랜지스터(36)가 온일 때, 인덕터 전류는 순시 정류된 선전압에 비례하는 레이트로 램프 업 한다. 인덕터(38)에 저장된 에너지는, 션트 트랜지스터(36)가 턴오프될 때 직렬 다이오드(40)를 통해 션트 필터 커패시터(16) 내로 덤핑한다. 제어 회로(42)는 정류된 선전류를 모니터링하고, 정류된 선전류가 선전압에 비례하여 유지되도록 트랜지스터 도통 간격들을 계속 조정한다. 이러한 방식으로, 선주파수 정류기 전류는 절반-사이클 정현파가 되도록 만들어지고, 고조파 왜곡은 제로로 강제되고, 역률은 1(unity)로 강제되고, DC-AC 인버터 공급 전압은 필수적으로 일정하게 고정된다.

그러나, 도 2에 도시된 역률 정정의 종래의 방법에 대한 적어도 2개의 다른 단점들이 존재한다. 소위, 추가된 전력 변환 스테이지는 장치의 비용 및 부피를 증가시키고, 또한 원치 않는 에너지 변환 손실들을 도입한다. 이러한 특정 역률 정정 인자를 사용하지 않고 공진 유도성 전력 전송 시스템 내의 선 접속 점에서 1에 가까운 역률의, 낮은 고조파 왜곡 부하를 제공하는 것이 바람직하다. 발명은 본 기술분야에서의 이러한 필요성을 다룬다.

발명은 그것이 추가적인 에너지 변환 역률 정정의 필요성 없이 낮은 고조파 왜곡, 1에 가까운 역률 선부하를 본질적으로 제공하도록 공진 유도 무선 전력 장치의 동작 파라미터들을 변경함으로써 종래 기술의 위에서 언급된 제한들을 다룬다. 종래 회로들의 사후-정류기, 선주파수 리플 필터, 및 션트 커패시터가 제거되고, DC-AC 인버터는 평활화된, 상수 값의 DC 전압에 의해서가 아니라, 선 정현파의 전파 정류로부터 도출되는 절반-정현파 전압에 의해 파워링된다.

예시적인 실시예에서, DC-AC 인버터에 의해 전개되는 고주파수 사각파의 포락선은 더 이상 일정한 것이 아니라, 절반-정현파 방식으로 계속 달라진다. 종래의 전송 코일 쌍은, 공진 전송 코일 쌍이 시스템 부하 전류 크기, 및 따라서 AC 선전류가 AC 선전류와 비례하며 이와 동상이도록 강제하는, 90도의 전송 위상 시프트를 가지는 공진 임피던스 인버터가 되도록 구체적으로 선택되는 값들을 가지는 공진 커패시터들과 조합되고, 따라서 1에 가까운 AC 부하 역률 및 낮은 AC 선 고조파 전류 콘텐츠를 보장한다.

무선 전력 전송 코일 쌍의 2차측에서, 정류기는 전송 주파수 정현파를 정류시킨다. 사후-정류기 필터는 인버터 주파수 리플을 제거하고 선주파수, 절반-정현파 전류를 일정한 DC 전압 부하에 전달한다. 3상 AC 선원 실시예에서, 부하에 전달되는 전류는 120도만큼 서로 오프셋된 3개의 정류된 정현파들의 합산이고, 따라서 선주파수 리플을 감소시킨다.

예시적인 실시예에서, 발명은 1에 가까운 AC 선 역률 및 낮은 AC 선 고조파 전류 콘텐츠를 유지하는 장치를 제공한다. 시스템은, 전송 측에서, 선주파수 리플 필터에 선행하지 않는 선주파수 정류기, 정류된 AC 선주파수를 절반-정현파 방식으로 계속 달라지는 진폭을 가지는 포락선 변조된 고주파수 직사각 파형으로 반전시키는 DC-AC 인버터, 공진 전송 코일이 90도의 전송 위상 시프트를 가지는 공진 임피던스 인버터가 되도록 구체적으로 선택되는 값들을 가지는 공진 커패시터들과 결합되는 전송 코일 쌍, 및 1차측 유도 코일을 포함한다. 수신 측에서, 시스템은 전송 주파수 정류기 및 절반-정현파의, 비-교번적 DC 전류를 수신측 부하에 제공하는 연관된 전송 주파수 리플 필터를 포함한다.

또 다른 예시적인 실시예에서, 발명은 전력이 DC 전원으로부터 AC 부하로 흐르는 응용예에서 사용된다. 이러한 실시예에서, 고유 역률 정정 장치는 DC 전원, DC 전원의 출력의 선주파수 리플 필터링을 제공하는 션트 리플 필터 커패시터, 션트 리플 필터 커패시터의 출력으로부터의 선주파수 리플 필터링된 DC 전압을 출력 정사각파 전압으로 변환시키는 DC-AC 인버터, 출력 정사각파 전압을, 선주파수 정현파에 의해 포락선 변조되는 DC-AC 인버터의 주파수에서의 정현파로 변환시켜서 바이폴라 정현파 포락선을 형성하는 임피던스 인버터, 바이폴라 정현파 포락선을 유니폴라 절반-정현파 포락선으로 변환시키는 2차측 정류기, 유니폴라 절반-정현파 포락선의 하나 걸러 하나씩의 사이클(every other cycle)의 극성을 반전시켜서 정현파 파형을 생성하는 탈-정류 네트워크, 및 정현파 파형을 수신하는 AC 부하를 포함한다. AC 소스 및 DC 부하의 경우에서와 같이, 임피던스 인버터는 DC 전원으로부터의 선주파수 소스 전류 및 AC 부하에서의 전류가 비례하도록 강제하여 1에 가까운 선부하 역률 및 낮은 고조파 전류 왜곡을 유지하도록 하기 위해 경부하(light loading)의 조건들 하에서 2차측 전압을 상승시킨다. 예시적인 실시예에서, 이는 Terman 임피던스 반전 네트워크의 2차측에서의 순시 부하 전압에 따라 달라지는 전압 변환을 제공하기 위해 임피던스 네트워크로서 Terman 임피던스 반전 네트워크를 사용함으로써 달성된다. 리플 필터 네트워크가 또한 제공되어 유니폴라 절반-정현파 포락선으로부터의 고주파수 리플을 그것이 탈-정류 네트워크에 인가되기 전에 제거할 수 있다. 탈-정류 네트워크 자체는 반파 또는 전파 브리지 구성인 전력 반도체 스위치들을 포함할 수 있다.

또 다른 실시예에서, 3상 AC 그리드 부하가 3개의 독립적 DC-AC 인버터 스트링들을 사용하여 수용되며 여기서 각각의 스트링은 AC 3상 정전압 부하를 함께 구성하는 3개의 AC 정전압 부하들 중 하나를 구동시킨다. 절연 변압기가 각각의 스트링에서 사용되어 DC 전원과 AC 부하 사이의 갈바닉 절연을 제공할 수 있다. 또한, DC 전원은 3개의 동일한 전압 독립 DC 전원들을 포함할 수 있거나 또는 3개의 DC 소스 노드들이 함께 묶여서 단일 DC 전원에 의해 급전(feed)될 수 있다.

발명의 이전의 그리고 다른 유리한 특징들 및 장점들이 첨부 도면들과 함께 후속하는 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 역률 정정 없는 종래 기술의 공진 유도 무선 전력 전달 시스템의 개념적 표현이다.
도 2는 추가된 역률 정정 회로를 가지는 종래 기술의 공진 유도 무선 전력 전달 시스템의 개념적 표현이다.
도 3은 발명의 실시예의 개념적 표현이다.
도 4는 Terman Tee 구성 임피던스 매칭 네트워크의 표현이다.
도 5는 커플링된 인덕터 Tee 무선 전력 코일 쌍 등가 회로의 공진 임피던스 인버터로의 변환을 도시한다.
도 6은 도 3의 실시예의 컴퓨터 회로 분석을 위해 사용되는 회로의 개략도이다.
도 7은 공진 시 그리고 비 공진(off resonance)시, 부하 전류 대 인버터 소스 전압의 컴퓨터 모델링에 의해 생성되는 스파이스 자극의 선형 결과들을 도시하는 그래프이다.
도 8은 3개의 절연된 인버터들 및 인버터 출력 전압 합산을 사용하는 3상 선주파수 소스들에 대한 발명의 적용의 개념적 표현이다.
도 9는 공통 자기 코어를 공유하는 3개의 독립적, 공동-위치된 유도 코일들로서 구현되는 1차측 유도 코일에 의해 도 8의 합산 변압기가 대체되는 대안적인 실시예를 예시한다.
도 10은, 1에 가까운 역률 AC 소스를 제공하는 장치를 이용하여, 전력이 대신 반대 방향으로 DC-소스로부터 ac-부하로 흐르는 응용예들에 유용한 DC-AC 인버터 기반의 개념적 블록도 및 연관된 전압 파형들을 예시한다.
도 11은 도 9에서와 같이 3개의 독립적 DC-AC 인버터 스트링들을 사용하여 3상 AC 그리드 부하를 수용하기 위한 실시예를 예시하며, 여기서 각각의 스트링은 AC 3상 정전압 부하를 함께 구성하는 3개의 AC 정전압 부하들 중 하나를 구동한다.

본 발명은 이 개시내용의 일부를 구성하는, 첨부 도면들 및 예들에 관련하여 취해지는 후속하는 상세한 설명을 참조하여 더 용이하게 이해될 수 있다. 이 발명이 본원에 기술된 그리고/또는 도시된 특정 제품들, 방법들, 조건들 또는 파라미터들에 제한되지 않으며, 본원에서 사용되는 용어가 단지 예로서 특정 실시예들을 기술할 목적이며, 임의의 청구되는 발명을 제한하도록 의도되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 유사하게, 개선을 위한 가능한 메커니즘 또는 동작 모드 또는 이유에 대한 임의의 기재가 단지 예시적인 것으로 의도되며, 본원에서의 발명은 개선을 위한 임의의 이러한 제안된 메커니즘 또는 동작 모드 또는 이유의 정확성 또는 부정확성에 의해 제한되지 않아야 한다.

본 발명의 예시적인 실시예들의 상세한 기재가 이제 도 3-11에 관련하여 기술될 것이다. 이 기재가 본 발명의 가능한 구현예들의 상세한 예를 제공하지만, 이러한 상세항목들이 예시적인 것으로 의도되며, 발명의 범위를 전혀 정하지 않는다는 것에 유의해야 한다.

이제 설명될 바와 같이, 본원에 기술되고 도 3에 도시되는 시스템이 공진 유도 무선 배터리 충전 장치의 상황에서 설명되지만, 발명이 다수의 다른 응용예들을 가진다는 것이 본 기술분야의 통상의 기술자에게 명백해질 것이다. 도 3의 실시예가 다수의 방식들에서 종래의 공진 유도 무선 배터리 충전 구현예에서 벗어난다는 것이 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 인식될 것이다. 예를 들어, 배터리 충전 전류는 일정하지 않고; 그것은 절반-정현파 또는 정류된 정현파 방식으로 달라진다. 이러한 방식으로, 배터리 충전 전류는 단일 위상(single phase) AC 선전압 정현파 소스에 비례하며 이와 동상이다. 2차측 정류기 부하 임피던스는 비-선형이며, 작은 Thevenin 저항을 가지는 정전압 부하로서 행동하는 것으로 이해된다. 인가되는 교류 전압이 배터리 단자 전압을 초과하지 않는 한 어떠한 전류도 2차측 정류기를 통해 흐르지 않는다. 1차측, 2차측 유도 코일 쌍(22, 24) 및 연관된 공진 커패시터들(20, 44)은 경부하의 조건들 하에서 전압 스텝 업 네트워크로서 기능하도록 구성될 수 있다. 이러한 공진 LC 네트워크들은 경부하 조건들 하에서 본질적으로 높은 Q이며 큰 전압 스텝 업 비들이 공진 주파수에서 가능하다.

정류기 전류가 흐르지 않는 기간 동안, 2차측 공진 회로에서의 저항성 손실들은 제로이고, 순시 부하 Q는 매우 높으며, 상당한 변압이 발생한다. 이러한 순시 부하-없음 조건들 하에서, 2차측 정류기(26)에 인가되는 공진 회로 출력 전압은, 그것이 배터리 단자 전압을 초과하고 배터리 전류가 흐르기 시작할 때까지, 증가한다. 적절한 설계를 가지고, 2차측 배터리 충전 전류는 선주파수 절반-사이클의 듀레이션에 걸쳐 흐르게 되고, AC 선전압의 절댓값에 비례하여, 이에 의해, 특정 역률 정정 스테이지 없이 AC 선주파수 소스에 낮은 왜곡의, 단위 역률(unity power factor) 부하를 제시할 수 있다.

본원에 기술되는 발명은 각각의 선 절반-사이클에 걸쳐 선전류와 선전압 사이의 비례성을 유지하도록 요구됨에 따라 순시 배터리 단자 임피던스의 함수로서 계속 달라지는 변압을 제공하는 임피던스 인버터를 사용한다. 본 기술분야에서의 통상의 기술자에게 알려진 바와 같이, 임피던스 인버터는 하나의 포트에 인가되는 낮은 임피던스가 다른 포트에서 높은 임피던스를 생성하는 양방향 2-포트 네트워크이다.

λ/4 전송선 변압기는 임피던스 인버터 구현예의 예이다. 임피던스 인버터 구현들은 전송선 구현예들에 제한되지 않는다. 예를 들어, 사다리 회로 네트워크들을 포함하는 다수의 집중 회로(lumped circuit) 구성들이 존재한다. 발명은 Terman(Radio Engineers handbook, 초판, McGraw Hill, 1943)에 의해 기술되고 도 4에 도시된 바와 같은 3 엘리먼트 Tee 임피던스 매칭 네트워크를 사용한다. Terman 임피던스 매칭 네트워크 리액턴스들은 다음과 같이 발견된다:

여기서 R₁은 2포트 소스 임피던스이고, R₂는 2포트 부하 임피던스이고, β는 라디안 단위인 네트워크를 통한 위상 시프트이다. Tee 임피던스 매칭 네트워크는 90도, |β| = π/2 전송 위상 시프트를 가지도록 설계될 때 임피던스 반전 네트워크로서 기능한다. |β| = π/2에 대해, 리액턴스 설계 방정식들은:

로 간략화된다.

예시적인 실시예에서, R₁ 및 R₂의 값들은 일정한 것이 아니라 각각의 정류되는 절반-사이클 동안 계속 달라진다. 기하 곱(geometry product)

은 일정하며, 3개의 네트워크 리액턴스들은 동일한 크기를 가진다. 이러한 관측은 공진 유도 코일 매칭 네트워크들의 후속하는 설계에서 사용된다.

도 5는 공진 유도 무선 전력 코일 쌍이 공진 Terman 임피던스 인버터로 어떻게 변환될 수 있는지를 도시한다. 도 5a는 19 kHz에서 .385의 커플링 계수를 가지는 무선 전력 전송 코일 쌍의 무선 전력 코일 쌍 등가 회로를 도시한다. 130μΗ의 1차측 및 2차측 권선 인덕턴스들 및 50μΗ의 상호 인덕턴스는 19 kHz에서, 각자, +j17.9 및 +j5.97의 리액턴스들을 가진다.

도 5b에서, 공진 커패시터들(46, 48)이 도 5a의 등가 회로의 네트워크 직렬 암들에 추가된다. 리액턴스는, 19 kHz에서 직렬 인덕터들의 리액턴스(Z1, Z2)를 완전히 상쇄시키고, 또한 19kHz에서 션트, 상호 인덕턴스 엘리먼트의 리액턴스(Z3)와 동일한 크기를 가지는 추가적인 직렬 용량성 리액턴스를 추가하도록 선택된다. 도 5c에서의 결과적인 네트워크는 무선 전력 전달, 커플링된 인덕터 쌍을 포함하는 임피던스 반전 2-포트 등가 회로이다.

도 5c의 임피던스 반전 네트워크는 유도성 무선 전력 전달 선전류 고조파 왜곡을 다음과 같이 감소시키거나 제거한다. 선전압 영교차 직후, 정류된 선전압의 크기 및 인버터 전압 출력의 크기는 작다. 차량 배터리(30)에 제공되는 정류된 전류는 제로이거나 매우 작다. Terman 임피던스 인버터의 2차측에서의 임피던스는 매우 높다; 따라서, 임피던스 인버터의 1차측 상의 임피던스는 매우 낮다. 임피던스 인버터는 낮은 임피던스 부하를 보고 상당한 1차측 전류를 공급한다. 2차측 전압은 그것이 배터리 전압을 초과할 때까지 증가한다. 배터리 충전 전류가 흐르기 시작하고, 인버터에 의해 보이는 임피던스가 증가하고, 시스템은 적당한(moderate) 선전류, 적당한 인버터 전류, 및 적당한 배터리 충전 전류를 가지고 안정화된다.

선전압 사이클의 피크 근처에서, 정류된 선전압의 크기 및 임피던스 인버터 전압 출력의 크기는 크다. 차량 배터리에 제공되는 정류된 전류 역시 크다. Terman 임피던스 인버터의 2차측 상의 임피던스는 낮다; 따라서, 임피던스 인버터의 1차측 상의 임피던스는 상대적으로 높다. 임피던스 인버터의 보상 동작은 선전류 및 배터리 충전 전류를 선전압의 크기에 비례하도록 만들며, 정확히 그 조건은 단위 역률 및 제로 고조파 왜곡을 위해 요구된다. 종래의 선 필터 네트워크가 사용되어 인버터 스위칭 주파수 과도들을 억제할 수 있다.

도 6은, 전송 코일 쌍(22, 24)이 시간 도메인 컴퓨터 회로 분석을 거친 도 5에 개요화된 방법에 따라 공진 임피던스 인버터로 변환되는, 도 3에 예시된 타입의 공진 유도 무선 전력 장치를 나타내는 전자 회로의 회로도를 도시한다. 130μΗ의 1차측 및 2차측 권선 인덕턴스들 및 50μΗ의 상호 인덕턴스를 가지는 이들의 등가 Tee 회로에 의해 표현되는, 상호 커플링된, 무선 전력 유도 코일들은 도 5에 관해 기술된 방법에 따라 공진 임피던스 반전 네트워크(50)로 변환된다. AC 전압원(52)은 1차측 인버터(18)의 출력 전압을 나타낸다. 2차측 고주파수 정류기(26) 및 연관된 고주파수 리플 전류 필터(28)가 도시된다. 2차측 배터리 충전 부하(30)는 배터리 내부 저항을 나타내는 작은 Thevenin 저항을 가지는 직류 전압원에 의해 표현된다.

인버터 출력 전압 진폭은 정류된, 그러나 필터링되지 않은, 선주파수 전압에 비례하여 달라진다. 인버터 전압의 함수로서 부하 전류를 결정하기 위해, 컴퓨터 시뮬레이션이 수행되었다. 시간 도메인 회로 시뮬레이션이 제로 볼트 내지 정류된 선전압의 피크값을 범위로 하는 인버터 출력 전압의 다수의 값들에 대해 수행되었다. 대응하는 부하 전류가 인버터, 정류된 사인 공급 전압의 함수로서, 도 7에 그래프화된다.

도 7에 도시된 바와 같이, 네트워크 공진 주파수인 19 kHz로 설정된 AC 전압원 주파수를 가지고, 배터리 충전 전류는 선형이며, 인버터 소스 전압에 대해 비례한다. 심지어, 경부하가 걸릴 때(lightly loaded)에도, 공진 회로의 변압 특징들의 결과인, 배터리 개방 회로 단자 전압보다 훨씬 더 적은 선원 전압들에 대해서도 배터리 충전 전류 선형성이 유지됨을 주목하는 것이 중요하다. 도 7의 선형 곡선은 2차측 부하 전류의 바람직한 조건을 도시하며, 따라서, 인버터 공급 전류 및 선전류가 선전압에 비례하고, 조건은 선주파수 고조파 왜곡의 낮은 레벨들 및 단위 선주파수 역률을 보장한다. 임피던스 인버터 공진 주파수의 위 및 아래에서 동작될 때, 도 7에 표시된 바와 같이 17, 18 및 20 kHz에서, 선전압/선전류 관계는 낮은 선전압들에서 더 이상 비례하지 않아서, 선전류 고조파 왜곡 및 저하된 선 역률을 초래한다. 임피던스 인버터 공진 주파수에서 동작될 때, 전류는 절반-정현파 또는 정류된 정현파 방식으로 달라진다.

종래에는, 배터리 충전은, 배터리 충전 전류 및 최대 배터리 전압 뿐만 아니라 온도와 같은 다른 관련 파라미터들을, 때때로 배터리 전체적으로 그러나 또한 개별 전지들에 대해 모니터링하고 제어하는 배터리 관리 시스템에 의해, 조정된다(mediate). 현재 구현예에서, 배터리/전지 관리 시스템들은 DC 충전 전류의 사용을 요구하며, 절반-정현파 충전 전류의 존재 시 고장날 수 있을 것이다. 이러한 어려움은 종래에 사용되는 평균 또는 피크 측정 방법론 대신 RMS 충전 전류에 응답하도록 배터리 관리 시스템을 수정함으로써 제거된다.

효과적인 배터리 충전은 배터리 충전 알고리즘에 의해 제어되는 바와 같이 배터리 충전 상태에 따라 충전 전류 크기가 변경될 것을 요구한다. 발명의 예시적인 실시예에서, 최대 배터리 충전 전류 크기는 임피던스 반전 네트워크의 설계에 의해, 그리고 인버터(18)에 급전하는 정류된, 절반-정현파 선전압의 크기에 의해 설정된다. 배터리 충전 전류의 추가적인 제어(감소)는 인버터(18)의 펄스 폭 변조에 의해, 인버터 펄스 페이징(phasing)에 의해, 인버터 펄스 드롭(drop)에 의해, 그리고 2차측 정류기(26)의 능동 제어에 의해 획득된다. 개별적으로 또는 조합으로 사용되는 이러한 제어 방법들은 충전 전류 크기의 효과적인 제어를 가능하게 하는 동시에 낮은 고조파 왜곡, 1에 가까운 역률을 유지한다.

낮은 내지 중간 전력 무선 전력 시스템들이 단일 위상 전력 접속들로부터 동작하지만, 높은 전력 시스템들은 일반적으로 3상 접속을 요구한다. 정류된 단일 위상 정현파 소스가 큰 리플 컴포넌트를 가지더라도, 각각의 정현파가 120도만큼 떨어진(displaced), 3개의 정류된 정현파 소스들의 합산은, 훨씬 더 작다. 감소된 충전 리플 전류는, 배터리 관리 시스템 회로와의 호환성을 위해 그리고 고속 충전 동안 배터리 저항성 손실을 제한하기 위한 피크 대 평균 충전 전류 비의 감소를 위해 때때로 바람직하다.

도 8은 3상 선전압원(54)을 가지고 구현되는 발명의 실시예를 도시한다. 각각의 위상은 별도의 정류기(14) 및 인버터(18)를 가진다. 3개의 인버터들은 동기적으로 스위칭하고, 인버터 출력들은, 3개의 물리적으로 독립적인 변압기들일 수 있거나 또는 코어 재료의 더 효율적인 사용을 허용하는 3상 부분적 플럭스 상쇄를 가지는 공통 코어 상에 6개의 권선을 가지는 단일 변압기일 수 있는, 합산 변압기(56)에 의해 결합된다. 합산 변압기(56)는 AC 선으로부터의 갈바닉 절연을 또한 제공한다. 3상 선들 상의 필터들(도 8에 미도시됨)은 새로운 단위, 낮은 고조파 왜곡 3상 부하를 초래하는 인버터 스위칭 주파수 컴포넌트들을 제거한다. 종래 기술의 도 1에서와 같이, 공진 네트워크(20)는 인버터들(18)을 1차측 유도 코일(22)에 접속시킨다. 1차측 유도 코일(22)과 2차측 유도 코일(24) 사이의 자기 커플링은 1차측 에너지를 2차측에 전달하며 여기서 그것은 고주파수 정류기(26)에 의해 정류되고, 리플 필터(28)에 의해 리플 필터링되고, 멀리 위치된 배터리(30)를 충전시키도록 사용된다. 공진 네트워크(44)는 2차측 유도 코일(24)을 공진시키고 이에 의해 최대 전류 흐름 및 최대 에너지 전달을 가능하게 한다.

도 9는 도 8의 대안적인 실시예를 도시하며, 여기서 합산 변압기(56)는, 2차측 정류기에 접속되는 2차측 유도 코일과 공통 자기 코어를 공유하는, 3개의 독립적인, 공동-위치된, 유도 코일들(23)로서 구현되는 1차측 유도 코일(22)로 대체된다. 별도의 DC-AC 인버터(18) 및 연관된 선주파수 정류기(14)는 공진 네트워크들(20)을 통해 3개의 1차 코일들 각각을 구동한다. 전력 합산은 이후, 전용의 결합 변압기들(56)이 요구되지 않도록 1차 코일 플럭스 필드들의 합산으로서 발생한다. 본 기술분야의 통상의 기술자는, 도 9의 실시예가 2개의 1차측 코일들 및 2개 세트들의 공진 커패시터의 추가를 감수하여 결합 변압기들의 크기, 무게 및 비용을 제거한다는 것을 인식할 것이다.

본원에 기술된 바와 같은 Terman 임피던스 인버터 네트워크의 역률 정정 작용은 공진 유도 무선 전력 전달 시스템들이 아닌 장치에서 유리하게 사용될 수 있다. 이러한 응용예들은 다음을 포함한다:

유선 - 무선에 반대인 - 배터리 충전;

도금;

전기분해와 같은 전자-화학적 프로세싱;

유도 가열;

교류 용접;

형광 및 아크 조명을 포함한 기체성 방전 프로세스들; 및

교류 소스로부터 유도되는 직류를, 전파 정류된 정현파 직류를 허용할 수 있는 부하들에 제공하는 임의의 다른 응용예.

무선 유도 전력 전달의 역률 제어에서, Terman 임피던스 반전 네트워크는 무선 전달, 상호 커플링된, 에어 코어 코일 쌍의 Tee 등가 회로 내에 흡수되고, 여기서 Tee 등가 회로의 하나의 엘리먼트는 상호 인덕턴스이다. 본 기술 분야의 통상의 기술자는, 비-무선 전력 전달 응용예들에서, 임피던스 반전 네트워크가 3개의 다른, 비-상호적으로 커플링되는 컴포넌트들에서 구현되어 설계 유연성에서의 상당한 증가를 제공할 수 있다는 것을 인식할 것이다.

위에서 논의된 응용예들에서, 1에 가까운 역률 부하를 AC 소스에 제공하는 장치를 이용하여 AC-소스로부터 DC-부하로 전력이 흐른다. 1에 가까운 역률 AC 소스를 제공하는 장치를 이용하여 대신 반대 방향으로 DC-소스로부터 AC-부하로 전력이 흐르는 응용예들에 발명의 교시들이 동일하게 적용된다. 반전된 전류 흐름 장치는, 광전지 패널들 및 풍력 발전기들과 같이 대체 에너지원들로부터 인버터들 및 50 또는 60Hz 유틸리티 그리드로 DC 전원을 급전하는 인버터들로서 응용예들을 찾는다.

도 10은 1에 가까운 역률 AC 소스를 제공하는 장치를 이용하여 대신 반대 방향으로 DC-소스로부터 AC-부하로 전력이 흐르는 응용예들에 대해 유용한 DC-AC 인버터 시스템에 대한 개념적 블록도 및 연관된 전압 파형들을 예시한다. 예시된 바와 같이, 도 10의 회로는 선주파수 리플 필터링을 제공하는 션트 리플 필터 커패시터(62)에 선행하는 DC 전원(60)을 포함한다. 선주파수 리플 필터링된 DC 전압은 고주파수 DC-AC 인버터(64)에 인가된다. 고주파수는 이 상황에서 선주파수에 비해 높은 주파수를 의미한다. 출력 정사각파 전압(66)은, 임피던스 반전 네트워크의 먼 측에서의 순시 부하 전압에 따라 달라지는 변압을 제공하는 Terman 임피던스 반전 네트워크(68)의 입력에 인가된다.

임피던스 반전 네트워크(68)의 출력에서의 파형(70)은 DC-AC 인버터 주파수에서의 정현파이며, 선주파수 정현파에 의해 포락선 변조된다. 고주파수 정류기(72)는 바이폴라 정현파 포락선은 유니폴라, 절반-정현파 포락선(74)으로 변환시킨다. 고주파수 리플 필터 네트워크(76)는 고주파수 리플을 제거하여, 리플이 없는 선주파수 절반-정현파 파형(78)을 제공한다. 반파 또는 전파 브리지 구성인 전력 반도체 스위치들을 포함하는 탈정류 네트워크(80)는 파형(78)의 하나 걸러 하나씩의 사이클의 극성을 반전시켜서 파형(82)을 생성하여, 이에 의해 일정한 AC 전압 부하(84)로의 전력 흐름을 허용하는데, 이는 무한 그리드를 나타낸다.

3상 AC 그리드 부하는 도 11에 도시된 바와 같이 3개의 독립적인 DC-AC 인버터 스트링들을 가지고 수용되는데, 각각의 스트링은 절연 변압기들(90)이 추가된 단일 위상 인버터 스트링과 동일하다. 각각의 스트링은 AC 3상 정전압 부하(92)를 함께 구성하는 3개의 AC 정전압 부하들 중 하나를 구동시킨다. 절연 변압기들(90)은 AC 부하(92)로부터 갈바닉 절연을 제공한다. DC 소스(94)는 도 10에 도시된 바와 같은 3개의 동일한 전압 독립 DC 소스들일 수 있거나, 또는 3개의 DC 소스 노드들은 함께 묶여서 단일 DC 소스에 의해 급전될 수 있다. 필터 커패시터(96)는 그렇지 않은 경우 DC 소스 노드에 존재할 120 Hz 절반-정현파 전류 변동을 필터링한다. 엘리먼트들 및 동작들은 그렇지 않은 경우 도 10의 회로 구성에서와 동일하다.

본 기술분야의 통상의 기술자는 발명이 무선 전력 디바이스 응용예들에 제한되지 않음을 인식할 것이다. 무선 유도성 충전 응용예들에 더하여, 발명은 또한 AC 유도 모터들, 모터 제어기들, 공진 파워 서플라이들, 산업 유도성 가열, 용융, 땜납, 및 케이스 경화 장비, 용접 장비, 전원 변압기들, 전자 물품 감시 장비, 인덕션 쿠킹 제품들 및 스토브들, 다른 산업 장비, 및 플러그-인 충전기에 의한 플러그-인 충전을 포함하는 다른 응용예들과 같은 운송업 이외의 사용들, 뿐만 아니라, 전기화학, 전기도금 및 단일 위상 서원으로부터의 절반-정현파 전류 파형, 또는 다중위상 선원의 합산으로부터 초래되는 감소된 리플 파형을 가지고 동작될 수 있는 모든 다른 부하들과 같은 다른 비-배터리 충전 응용예들에 적용될 수 있다. 이들 실시예들 및 다른 이러한 실시예들이 후속하는 청구항들에 의해 정의되는 바와 같은 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 간주된다.

Claims

고유 역률 정정 장치로서,
AC 선원(line source);
상기 AC 선원에 접속되어 절반-정현파 정류된(half-sinusoidal rectified) 공급 전압을 제공하는 선주파수 정류기;
상기 절반-정현파 정류된 공급 전압에 응답하여 출력에서 임피던스 반전된 2차측 전압을 제공하는 임피던스 인버터;
상기 2차측 전압을 정류시키는 2차측 정류기;
상기 2차측 정류기로부터의 정류된 출력을 필터링하여 인버터 주파수 리플을 제거하고 출력에 선주파수 절반-정현파 전류를 전달하는 2차측 리플 필터; 및
상기 선주파수 절반-정현파 전류를 수신하는 부하
를 포함하고, 상기 임피던스 인버터는 경부하(light loading)의 조건들 하에서 상기 2차측 전압을 상승시켜서 상기 AC 선원으로부터의 선주파수 소스 전류 및 상기 부하에서의 상기 선주파수 절반-정현파 전류가 비례하도록 강제하여, 1에 가까운(near unity) 선부하 역률 및 낮은 고조파 전류 왜곡을 유지시키는 장치.
제1항에 있어서,
상기 임피던스 인버터는, 상기 임피던스 인버터가 상기 부하에 인가되는 부하 전류 크기가 상기 AC 선원에 비례하도록 그리고 상기 AC 선원과 동상이도록 강제하는 90도의 전송 위상 시프트를 가지도록 선택되는 값들을 가지는 2개의 직렬 접속되는 공진 커패시터들 및 Terman Tee 구성 임피던스 매칭 네트워크를 포함하는 장치.
제1항에 있어서,
상기 AC 선원은 3상 AC 선원을 포함하고, 선주파수 정류기는 상기 3상 AC 선원의 각각의 위상에 접속되어 절반-정현파 정류된 공급 전압을 제공하고, 합산 변압기는 상기 AC 선원으로부터 갈바닉 절연(galvanic isolation)을 제공하고, 상기 합산 변압기의 출력은 상기 임피던스 인버터에 제공되는 장치.
제3항에 있어서,
상기 합산 변압기는 3개의 물리적으로 독립적인 변압기들을 포함하는 장치.
제3항에 있어서,
상기 합산 변압기는 3상 부분적 플럭스 상쇄를 가지는 공통 코어 상에 6개의 권선들을 가지는 단일 변압기를 포함하는 장치.
제3항에 있어서,
상기 전송 주파수 인버터의 스위칭 주파수 컴포넌트들을 거부하는(reject) 상기 3상 AC 선들 상의 필터들을 더 포함하는 장치.
제3항에 있어서,
상기 부하에 전달되는 상기 선주파수 절반-정현파 전류는 서로 120도 만큼 오프셋되는 각각의 AC 선 위상으로부터의 3개의 정류된 정현파들의 합산인 장치.
제1항에 있어서,
상기 AC 선원은 3상 AC 선원을 포함하고, 선주파수 정류기는 상기 3상 AC 선원의 각각의 위상에 접속되어 절반-정현파 정류된 공급 전압을 제공하고, 1차측 유도 코일은, 상기 2차측 정류기에 접속되는 2차측 유도 코일과 공통 자기 코어를 공유하는, 3개의 독립적인 공동-위치되는 유도 코일들로서 구현되는 장치.
제1항에 있어서,
상기 AC 선원은 플러그-인 충전기인 장치.
제1항에 있어서,
상기 부하는 배터리 충전 부하인 장치.
제1항에 있어서,
상기 부하는 다중-위상 선원의 합산 또는 단일 위상 선원으로부터의 절반-정현파 전류 파형을 이용하여 동작될 수 있는 전기화학적 또는 전기도금된 부하인 장치.
고유 역률 정정 장치로서,
DC 전원;
상기 DC 전원의 출력의 선주파수 리플 필터링을 제공하는 션트 리플 필터 커패시터;
상기 션트 리플 필터 커패시터의 출력으로부터의 선주파수 리플 필터링된 DC 전압을 출력 정사각파 전압으로 변환시키는 DC-AC 인버터;
상기 출력 정사각파 전압을, 선주파수 정현파에 의해 포락선 변조되어 바이폴라 정현파 포락선을 형성하는 DC-AC 컨버터의 주파수에서의 정현파로 변환시키는 임피던스 인버터;
상기 바이폴라 정현파 포락선을 유니폴라 절반-정현파 포락선으로 변환하며 정류시키는 2차측 정류기;
상기 유니폴라 절반-정현파 포락선의 하나 걸러 하나씩의 사이클의 극성을 반전시켜 정현파 파형을 생성하는 탈-정류 네트워크; 및
상기 정현파 파형을 수신하는 AC 부하
를 포함하고,
상기 임피던스 인버터는 경부하의 조건들 하에서 2차측 전압을 상승시켜서 상기 DC 전원으로부터의 선주파수 소스 전류 및 상기 AC 부하에서의 전류가 비례하도록 강제하여, 1에 가까운 선부하 역률 및 낮은 고조파 전류 왜곡을 유지시키는 장치.
제12항에 있어서,
상기 임피던스 인버터는 Terman 임피던스 반전 네트워크의 2차측에서의 순시 부하 전압에 따라 달라지는 전압 변환을 제공하는 Terman 임피던스 반전 네트워크를 포함하는 장치.
제12항에 있어서,
상기 유니폴라 절반-정현파 포락선이 상기 탈-정류 네트워크에 인가되기 전에 상기 유니폴라 절반-정현파 포락선으로부터 고주파수 리플을 제거하는 리플 필터 네트워크를 더 포함하는 장치.
제12항에 있어서,
상기 탈-정류 네트워크는 반파 또는 전파 브리지 구성인 전력 반도체 스위치들을 포함하는 장치.
제12항에 있어서,
상기 DC 전원과 상기 AC 부하 사이에 갈바닉 절연을 제공하는 절연 변압기를 더 포함하는 장치.
제16항에 따른 고유 역률 정정 장치를 포함하는 장치로서, 상기 AC 부하에 인가되는 3상 정전압의 각각의 위상에 대해 상기 고유 역률 정정 장치를 포함하는 장치.
제17항에 있어서,
상기 DC 전원은 3개의 동일한 전압 독립적 DC 전원들을 포함하는 장치.