TW201345119A - 用於改善交換式電源供應器之感測及控制 - Google Patents

用於改善交換式電源供應器之感測及控制 Download PDF

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Abstract

揭露一種功率轉換器及其操作方法,其包含一輸入端、一輸出端、一感測器單元、一交換式功率轉換器以及一處理器模組。該功率轉換器可將輸入功率轉換為輸出功率。功率轉換器可感測輸入功率及輸出功率的即時測量,以決定一即時計算效率。功率轉換器可基於複數個所決定的操作參數而將輸入功率截波為特定大小及特定位置的部分。功率轉換器可基於該即時計算效率及基於複數個其他操作因子/條件而決定操作參數。

Description

用於改善交換式電源供應器之感測及控制
相關申請案之交互參照
本申請案主張2012年4月18日申請之美國臨時申請案第61/625,902號及2012年6月28日申請之美國臨時申請案第61/665,766號之優先權,其完整內容係以引用方式併入本文。
【發明所屬之技術領域】
本發明是有關於功率轉換。

以有效率的方式對電子裝置供應乾淨(clean)的直流(DC)功率來源係已變得愈來愈重要。功率轉換器是用於採用交流(AC)或直流源作為輸入,並產生一乾淨的直流電壓作為輸出,以提供功率給連接至功率轉換器的電子元件。傳統上,功率轉換器接收一交流電壓作為輸入,並將其轉換成直流供應電壓,以對裝置提供功率,例如,筆記型電腦、桌上型電腦、電腦伺服器、行動電話、電視、家庭用設備、電池充電器或任何其他需要直流電壓源的電氣啟動裝置。
用於執行這樣的AC轉DC之功率轉換的一種傳統方法使用線性電源供應器。傳統上,線性電源供應器利用一變壓器而使交流電壓降壓、以一橋接整流器對降壓電壓進行整流、以一輸出電容器使整流電壓變為平滑而產生,並以一調節器來調節變為平滑的輸出電壓。線性電源供應器通常有從輸入AC功率至輸出DC功率之低功率轉換效率的問題。此外,對於可攜式應用而言,在50赫茲至60赫茲之直線頻率下操作的系統所需之變壓器的尺寸則太大,並且通常是相當昂貴。
用於執行AC對DC轉換的第二種傳統方法使用交換模式的電源供應器。,交換模式的電源供應器通常比可比較的線性電源供應器還具有更小的形狀因子(form-factor)。然而,交換模式的電源供應器具有不想要的非線性特徵,其可能產生諧波及功率因子的問題。此外,許多交換模式的電源供應器也可能無法完全適應到各種的操作因子/條件。
傳統之交換模式的電源供應器對一完整正弦波輸入進行截波、從所截波的輸入部分得到關連的能量、從截波輸入部分得到能量,並將所截波的輸入部分之能量傳送至直流輸出段。截波與輸入波形無關,而是一種靜態、時序性的截波程序。例如,傳統的電源供應器可被設計為對一完整正弦波輸入進行截波,使得波形的所有部分以規律的間隔進行截波(例如以速率為每秒120,000次之規律分隔的間隔),並且傳送至輸出端,而無視於輸入波形的實際行為及零交越(zero crossing)時序。或者是,傳統的電源供應器可被設計為利用相等能量大小的輸入部分。在此方式中,系統被設計為利用輸入波形中靜態定義的、相等的能量部分來產生直流輸出。這樣的系統被設計為在預先定義的時刻利用輸入部分,其中從輸入的較低電壓區域所利用的部分比從較高電壓區域所利用的部分更寬,使得從每個部分所得到的能量等於從其他部分所得到的能量。在固定寬度部分的例子以及在固定能量部分的例子中,輸入電壓波形的部分總是以相同的方式以及在從一個週期(或半個週期)到下一個週期中固定的時刻而被利用。此外,傳統的功率轉換器並不會基於效率的直接測量而重新校準。傳統的功率轉換器進行測量,以確保足夠的功率被傳送至輸出端,而不會直接考慮效率。傳統的功率轉換器可藉由例如監測及控制輸入電流而間接地監測及控制效率。並且,傳統的功率轉換器使用固有損耗能量的整流器。傳統的功率轉換器也不會基於現有的操作因子/條件及歷程上顯示的操作因子/條件,而預測將來操作的改變。
對於更有效率的功率轉換有其需要。當進行功率轉換時,比傳統轉換器所做的更有效率地得到及使用輸入波形有其需要。對於調整功率如何基於操作因子/條件而被轉換,以及基於這些操作因子/條件而得到及使用輸入的部分,有其需要。因此,對於選擇性地使用完整輸入正弦波的任何部分,以在可接受的閥值內最佳化操作並維持操作條件,有其需要。對於以容許比傳統線性供應器使用更小的元件之高頻率操作也有其需要求。

揭露的是一種用於在交換式功率轉換器中,根據例如藉由將交換式功率轉換器的輸出功率除以輸入功率之即時測量的實際效率,而控制交換的方法及裝置。測量可固定地、週期性地、以可程式化的次數或經由任何其他適合的方式而進行。效率可經由在輸入端的電壓及電流讀值以及在輸出端的電壓及電流讀值而推導。
根據一個具體實施例,功率轉換器可以高頻率取樣並計算交流輸入源或直流輸入源的目前即時電壓值及電流值或均方根(RMS)電壓值及均方根電流值。有時,功率轉換器可在其取樣並計算電壓、電流、均方根等數值時調整速率。功率轉換器可取樣並計算直流輸出端的目前、即時電壓及電流數值。從這些計算中,功率轉換器的實際效率可被推導。功率轉換器可被設計為最佳化效率,同時處理複數個其他的因子/條件,並且在可接受的操作限制內嘗試維持操作。
轉換器可基於負載的直流輸出電壓及電阻或電流消耗,而以大概的操作參數開始。轉換器可在輸入功率可用於轉換成輸出功率的期間內調整一或多個週期的開始及停止。一或多個週期的開始及停止可取決於許多操作因子/條件,包含功率轉換效率、諧波、溫度、預期的輸出電壓、儲存能量位準、以電感為基礎的能量儲存、儲存電容器電壓、啟動能量儲存位準、輸出波紋、負載的電壓及電流消耗、儲存電容器的放電速率、輸入功率來源的電壓及電流、輸入功率來源的頻率、輸入功率來源的改變率或斜率、LLC轉換器的諧振頻率及諧振頻率之變化、LLC轉換器的溫度、在輸入交流功率波形上的目前位置、負載的功率消耗之擾動特性、功率因子、負載或使用者所提供的資訊或指令、輸入端及/或輸出端的過量電壓及/或過量電流條件、機械雜訊或振動、機械雜訊或振動的特性、輸入功率來源的雜訊特性、電磁干擾、任何其他可想要地影響、控制、調整及/或監測的因子(或因子的組合)。

在一個具體實施例中,功率轉換器可包含:一輸入端,被配置以從一輸入功率來源接收輸入功率;一輸出端,被配置以產生一轉換功率;一感測器單元,被配置以感測轉換功率及輸入功率的即時測量;一交換式功率轉換器,被配置以基於複數個操作參數而將輸入功率截波成多個部分,並將從該等部分所得的能量傳送至該輸出端;以及一處理模組。該處理模組可被配置以基於該即時測量而計算效率;基於所計算的效率而決定輸入功率的一或多個部分之位置及大小;以及基於輸入功率的一或多個部分之所決定位置及大小而設定複數個操作參數。
在另一具體實施例中,該功率轉換器可包含一或多個感測器,例如溫度感測器,每一個被配置以感測一條件,例如功率轉換器的一或多個元件之溫度。
在另一具體實施例中,該交換式功率轉換器可包含一或多個開關,其中複數個操作參數包含開啟及關閉一或多個開關的參數,使得一或多個開關被配置以基於輸入功率的一或多個部分之所決定位置及大小而開啟及關閉。
在另一具體實施例中,該處理模組可進一步被配置以基於操作因子/條件而決定輸入功率的一或多個部分之位置及大小。
在另一具體實施例中,該處理模組可進一步被配置以基於即時的負載需求而決定輸入功率的一或多個部分之位置及大小。
在另一具體實施例中,該處理模組可進一步被配置以測量複數操作參數中的至少一個對於所計算的效率之影響。
在另一具體實施例中,該處理模組可進一步被配置以決定一順序,其中操作參數可基於複數操作參數中的至少一個對於所計算的效率之所測量影響而設定。
在另一具體實施例中,該操作參數被設定的順序可被決定,以最佳化功率轉換器決定一最佳效率之速度。
在另一具體實施例中,該處理模組可進一步被配置以決定一順序,其中操作參數可基於複數操作參數中的至少一個對於至少一個操作因子/條件之影響而設定。
在另一具體實施例中揭露一種用於轉換功率的方法。該方法可包含:從一輸入功率來源接收一輸入功率;在一輸出端產生一轉換功率;感測轉換功率及輸入功率之即時測量;基於複數個操作參數而將輸入功率截波成多個部分,並將從該等部分所得的能量傳送至該輸出端;基於該即時測量而計算效率;基於所計算效率而決定輸入功率的一或多個部分之位置及大小;以及基於輸入功率的一或多個部分之所決定位置及大小而設定複數個操作參數。
在另一具體實施例中,一種用於轉換功率的方法可包含感測一條件,例如,功率轉換器的一或多個元件之溫度。
在另一具體實施例中,一種用於轉換功率的方法可包含:基於複數個操作參數而開啟及關閉一或多個開關,使得一或多個開關係基於輸入功率的一或多個部分之所決定位置及大小而開啟及關閉。
在另一具體實施例中,一種用於轉換功率的方法可包含基於操作因子/條件而決定輸入功率的一或多個部分之位置及大小。
在另一具體實施例中,一種用於轉換功率的方法可包含基於即時的負載需求而決定輸入功率的一或多個部分之位置及大小。
在另一具體實施例中,一種用於轉換功率的方法可包含測量複數操作參數中的至少一個對於所計算的效率之影響。
在另一具體實施例中,一種用於轉換功率的方法可包含決定一順序,其中複數個操作參數是基於複數操作參數中的至少一個對於所計算的效率之所測量影響而設定。
在另一具體實施例中,一種用於轉換功率的方法可包含決定複數個操作參數被設定的順序,以最佳化功率轉換器決定一最佳的效率之速度。
在另一具體實施例中,一種用於轉換功率的方法可包含決定一順序,其中複數個操作參數是基於複數操作參數中的至少一個對於至少一個操作因子/條件之影響而設定。
在另一具體實施例中,一功率轉換器可包含:一輸入端,被配置以從一輸入功率來源接收一輸入功率波形;一輸出端,被配置以產生一轉換功率;一感測器單元,被配置以感測一操作條件之至少一指示;以及一交換式功率轉換器,被配置以基於一操作條件之至少一指示而選擇該輸入功率波形的一或多個部分,以及將該輸入功率波形的該一或多個部分轉換至該輸出端。
在另一具體實施例中,該交換式功率轉換器可進一步被配置以基於一操作條件之至少一指示,而將輸入功率波形的一或多個部分轉換至該輸出端。
在另一具體實施例中,該交換式功率轉換器可進一步被配置以基於一操作條件之至少一指示而對至少一能量儲存裝置充電。
在另一具體實施例中,該交換式功率轉換器可進一步被配置以選擇該輸入功率波形的一或多個部分,以滿足一目標操作條件。
在另一具體實施例中,該交換式功率轉換器可進一步被配置以避免選擇該輸入功率波形的該一或多個部分,以滿足該目標操作條件。
在另一具體實施例中,該感測器單元可進一步被配置以感測在一操作條件之至少一指示的改變。此外,該交換式功率轉換器可進一步被配置以響應於在一操作條件之至少一指示中所感測的改變,而選擇該輸入功率波形的一或多個不同部分。
在另一具體實施例中,該功率轉換器可包含一處理模組,被配置以決定該輸入功率波形的該一或多個部分之位置及大小;以及基於該輸入功率波形的該一或多個部分之所決定位置及大小而設定複數個操作參數。此外,該交換式功率轉換器可進一步被配置以基於該複數個操作參數而選擇該輸入功率波形的該一或多個部分。
在另一具體實施例中,該處理模組可進一步被配置以基於該輸入功率波形及所轉換之功率的即時測量而計算一效率,以及基於該即時測量而設定該複數個操作參數。
在另一具體實施例中,該交換式功率轉換器可進一步被配置以得到該輸入功率波形的該一或多個部分之能量,以及將該輸入功率波形的該一或多個部分之所得到能量傳送至該輸出端。
在另一具體實施例中,揭露一種用於在功率轉換器中轉換功率之方法,其可包含:從一輸入功率來源接收一輸入功率波形;在一輸出端產生一轉換功率;感測一操作條件之至少一指示;基於一操作條件之至少一指示而選擇輸入功率波形的一或多個部分;以及將輸入功率波形的一或多個部分轉換至該輸出端。
在另一具體實施例中,一種用於轉換功率之方法可包含基於一操作條件之至少一指示,而將該輸入功率波形的一或多個部分轉換至該輸出端。
在另一具體實施例中,一種用於轉換功率之方法可包含基於一操作條件之至少一指示而對至少一能量儲存裝置充電。
在另一具體實施例中,一種用於轉換功率之方法可包含選擇該輸入功率波形的該一或多個部分,以滿足一目標操作條件。
在另一具體實施例中,一種用於轉換功率之方法可包含避免選擇該輸入功率波形的該一或多個部分,以滿足該目標操作條件。
在另一具體實施例中,一種用於轉換功率之方法可包含感測在一操作條件之至少一指示的改變,以及其中該交換式功率轉換器還被配置以響應於在一操作條件之至少一指示中所感測的改變而選擇該輸入功率波形的一或多個不同部分。
在另一具體實施例中,一種用於轉換功率之方法可包含決定該輸入功率波形的該一或多個部分之位置及大小;基於該輸入功率波形的該一或多個部分之所決定位置及大小而設定複數個操作參數;以及基於該複數個操作參數而選擇該輸入功率波形的該一或多個部分。
在另一具體實施例中,一種用於轉換功率之方法可包含:基於該輸入功率波形及所轉換之功率的即時測量而計算一效率;以及基於該即時測量而設定該複數個操作參數。
在另一具體實施例中,一種用於轉換功率之方法可包含:得到該輸入功率波形的該一或多個部分之能量;以及將該輸入功率波形的該一或多個部分之所得到的能量傳送至該輸出端。
在另一具體實施例中,一種功率轉換器可包含:一輸入端,被配置以從一輸入功率來源接收一輸入功率波形;一交換式功率轉換器,被配置以從該輸入功率波形的一或多個部分得到能量,其中一或多個部分之所得到的能量實質上小於該輸入功率波形之可獲得的能量;一能量儲存裝置;以及一輸出段。該輸出段可被配置以接收該得到的能量,將所得的能量轉換成一轉換的能量,以及將該轉換的能量儲存在一能量儲存裝置中。
在另一具體實施例中,該交換式功率轉換器可進一步被配置以選擇該輸入功率波形的一或多個部分之第一部分的位置,以及選擇該輸入功率波形的一或多個部分之第二部分的位置,其中該第一部分的位置在時間上可與該第二部分的位置實質上分隔開,使得該第一部分可不與該第二部分相鄰。
在另一具體實施例中,該輸入功率波形可以是一交流(AC)輸入功率波形。
在另一具體實施例中,該交換式功率轉換器可進一步被配置以選擇該一或多個部分的位置,使得該一或多個部分可位於該交流輸入功率波形的相同半波上。
在另一具體實施例中,在該第一部分及該第二部分之間的位置上,沒有該交流輸入功率波形的部分可被選擇。
在另一具體實施例中,該第一部分可被設置在該半波的波峰之前,以及該第二部分可設置在該半波的波峰之後。
在另一具體實施例中,該第一部分及該第二部分都可被設置在該半波的波峰之相同側上。
在另一具體實施例中,該第一部分的位置可包含該第一部分的寬度,以及該第二部分的位置可包含該第二部分的寬度。此外,該交換式功率轉換器可進一步被配置以選擇該第一部分的寬度及該第二部分的寬度,其中該第一部分的寬度可不同於該第二部分的寬度。
在另一具體實施例中,該交換式功率轉換器可進一步被配置以選擇該輸入功率波形的一或多個部分之位置,使得該一或多個部分可不均勻地被設置在該輸入功率波形上,以及該一或多個部分可以是不均勻地大小。
在另一具體實施例中,該輸出段可進一步被配置以將一實質地直流(DC)電壓提供至一負載裝置。
在另一具體實施例中,一種用於在功率轉換器中轉換功率之方法可包含:從一輸入功率來源接收一輸入功率波形;從該輸入功率波形中的一或多個部分得到能量,其中該一或多個部分之所得的能量可實質上小於該輸入功率波形之可獲得的能量;將所得的能量轉換成一轉換的能量;以及將該轉換的能量儲存在一能量儲存裝置中。
在另一具體實施例中,一種用於在功率轉換器中轉換功率之方法可包含:選擇該輸入功率波形的一或多個部分之第一部分的位置,以及選擇該輸入功率波形的一或多個部分之第二部分的位置,其中該第一部分的位置在時間上可與該第二部分的位置分隔開,使得該第一部分可不與該第二部分相鄰。
在另一具體實施例中,一種用於在功率轉換器中轉換功率之方法可包含選擇該一或多個部分的位置,使得該一或多個部分可被設置在該交流輸入功率波形的相同半波上。
在另一具體實施例中,一種用於在功率轉換器中轉換功率之方法可包含該輸入功率波形係一交流(AC)輸入功率波形。
在另一具體實施例中,一種用於在功率轉換器中轉換功率之方法可包含在該第一部分及該第二部分之間的位置上,沒有該交流輸入功率波形的部分被選擇。
在另一具體實施例中,一種用於在功率轉換器中轉換功率之方法可包含該第一部分係設置在該半波的波峰之前,以及該第二部分係設置在該半波的波峰之後。
在另一具體實施例中,一種用於在功率轉換器中轉換功率之方法可包含該第一部分及該第二部分都係設置在該半波的波峰之相同側上。
在另一具體實施例中,一種用於在功率轉換器中轉換功率之方法可包含該第一部分的位置,該位置包含該第一部分的寬度,以及該第二部分的位置,該位置包含該第二部分的寬度。該方法可進一步包含選擇該第一部分的寬度及該第二部分的寬度,其中該第一部分的寬度可不同於該第二部分的寬度。
在另一具體實施例中,一種用於在功率轉換器中轉換功率之方法可包含選擇該輸入功率波形的一或多個部分之位置,使得該一或多個部分可不均勻地設置在該輸入功率波形上,以及該一或多個部分可以是不均勻地大小。
在另一具體實施例中,一種用於在功率轉換器中轉換功率之方法可包含將一實質地直流(DC)電壓提供至一負載裝置。
在另一具體實施例中,一功率轉換器可包含:一輸入端,被配置以接收來自一輸入功率來源的交流(AC)輸入功率波形;一交換式功率轉換器,以及一輸出段。該交換式功率轉換器可被配置以從該交流輸入功率波形的一第一半波之一或多個部分得到功率,以及從該交流輸入功率波形的一第二半波之一或多個部分得到功率,其中該第一半波之該一或多個部分中的至少一個部分的至少一個位置可以是不同於該第二半波之該一或多個部分中的至少一個部分的至少一個位置。該輸出段可被配置以接收該所得到的功率,並且將該所得到的功率轉換成一轉換功率。
在另一具體實施例中,該功率轉換器可包含被配置以儲存該轉換功率的一能量儲存裝置。
在另一具體實施例中,該功率轉換器可包含一處理模組,被配置以選擇該第一半波之該一或多個部分的位置;選擇該第二半波之該一或多個部分的位置;並且基於該第一半波之該一或多個部分的所選擇位置以及基於該第二半波之該一或多個部分的所選擇位置,而將控制訊號送到該交換式功率轉換器。
在另一具體實施例中,該處理模組可進一步被配置以決定對於該輸出段的一或多個設定,以及基於所決定的一或多個設定,而將一或多個控制訊號送到該輸出段。
在另一具體實施例中,該交換式功率轉換器可進一步被配置以從該交流輸入功率波形的複數個連續半波中得到功率,使得可從該交流輸入功率波形之該複數個連續半波的每個半波中得到該功率的不同部分。
在另一具體實施例中,該等部分的每個位置都可包含一位置以及一寬度。此外,該處理模組可進一步被配置以選擇該第一半波的一部分之寬度,以及選擇該第二半波的一部分之寬度,使得該第二半波的該部分之該寬度可比該第一半波的該部分之該寬度更寬。
在另一具體實施例中,該處理模組可被配置以選擇與該第二半波的部分之數目不同之該第一半波的部分之數目。
在另一具體實施例中,該處理模組可被配置以選擇該第一半波的該一或多個部分之第一部分的位置,以及選擇該第一半波的該一或多個部分之第二部分的位置,其中該第一部分及該第二部分的該等位置可以是使得一間隙存在於該第一部分及該第二部分之間,在其中沒有其他間隙存在。
在另一具體實施例中,該處理模組可被配置以調整該第一部分及該第二部分的該等定位,使得該第二半波之對應部分可以與該第一半波以不同距離間隔開。
在另一具體實施例中,該處理模組可被配置以調整該第一半波的該一或多個部分之第一部分的寬度,使得該第二半波之該對應部分的寬度可以與該第一半波中的寬度不同。
在另一具體實施例中,一種用於在功率轉換器中轉換功率之方法可包含從一輸入功率來源接收一交流(AC)輸入功率波形,從該交流輸入功率波形的一第一半波之一或多個部分得到功率,從該交流輸入功率波形的一第二半波之一或多個部分得到功率,並且將該所得到的功率轉換成一轉換功率,其中該第一半波之該一或多個部分中的至少一個部分的至少一個位置可以是不同於該第二半波之該一或多個部分中的至少一個部分的至少一個位置。
在另一具體實施例中,一種用於在功率轉換器中轉換功率之方法可包含將該轉換功率儲存於一能量儲存裝置中。
在另一具體實施例中,一種用於在功率轉換器中轉換功率之方法可包含:選擇該第一半波之該一或多個部分的位置;選擇該第二半波之該一或多個部分的位置;並且基於該第一半波之該一或多個部分的所選擇位置以及基於該第二半波之該一或多個部分的所選擇位置,而傳送控制訊號以控制接收。
在另一具體實施例中,一種用於在功率轉換器中轉換功率之方法可包含決定對於一輸出段的一或多個設定,以及基於所決定的一或多個設定,而將一或多個控制訊號送到該輸出段。
在另一具體實施例中,一種用於在功率轉換器中轉換功率之方法可包含:從該交流輸入功率波形的複數個連續半波中得到功率,使得可從該交流輸入功率波形之該複數個連續半波的每個半波中得到該功率的不同部分。
在另一具體實施例中,一種用於在功率轉換器中轉換功率之方法可包含該等部分的每個位置(location),每一位置包含一位置(position)以及一寬度。該方法可進一步包含選擇該第一半波的一部分之寬度,以及選擇該第二半波的一部分之寬度,使得該第二半波的該部分之該寬度可比該第一半波的該部分之該寬度更寬。
在另一具體實施例中,一種用於在功率轉換器中轉換功率之方法可包含選擇與該第二半波的部分之數目不同之該第一半波的部分之數目。
在另一具體實施例中,一種用於在功率轉換器中轉換功率之方法可包含選擇該第一半波的該一或多個部分之第一部分的位置,以及選擇該第一半波的該一或多個部分之第二部分的位置,其中該第一部分及該第二部分的該等位置可以是使得一間隙存在於該第一部分及該第二部分之間,在其中沒有其他間隙存在。
在另一具體實施例中,一種用於在功率轉換器中轉換功率之方法可包含調整該第一部分及該第二部分的該等位置,使得該第二半波之對應部分可以與該第一半波以不同距離間隔開。
在另一具體實施例中,一種用於在功率轉換器中轉換功率之方法可包含調整該第一半波的該一或多個部分之第一部分的寬度,使得該第二半波之該對應部分的寬度可以與該第一半波中的寬度不同。

第一圖說明傳統的功率轉換系統之架構。系統100可從輸入功率來源110接收輸入功率,該輸入功率來源110可以是交流(AC)或直流(DC)電壓源或電流源。來自輸入功率來源110的輸入功率可接著被功率轉換器120操作,以將輸入功率轉換成適合用於一負載裝置130的輸出電壓。功率轉換器120可包含一或多個整流器、開關、能量儲存裝置、變壓器、電晶體、二極體及/或其他用於傳統功率轉換器的傳統電子元件。功率轉換器120可被設計以控制至少一個開關而截波(chop)該輸入功率來源110,使得輸入波形的固定定義部分是用於在輸出端產生一直流電壓。該至少一個開關可用於在固定時間間隔截波輸入波形,或使得每個截波部分的區域都是相等的,以及消耗的輸入電流是不同的,使得從輸入功率來源110之實質上固定對應的能量通過功率轉換器120,以產生輸出電壓來提供功率給負載裝置130。
在用於將功率從輸入功率來源轉換至負載之改良的功率轉換系統之例示具體實施例中,該系統可包含用於使一儲存電容器充電之類比或數位控制,以供給能量至負載。該系統可不限於使儲存電容器充電,並可選擇地或額外地將能量儲存在任何能量儲存裝置中,例如,電感器、電池、超級電容器或任何其他的能量儲存機構。該功率轉換系統可控制提供功率給負載,使得能量可從輸入功率來源供給至負載、能量可從輸入功率來源供給至儲存裝置、在儲存裝置中所儲存的能量可供給至負載或其組合。如同另一實例,該功率轉換系統可同時提供功率給該負載及該儲存電容器。在另一具體實施例中,該功率轉換系統可切斷任何輸入功率來源、儲存電容器或負載與彼此之連接。進一步細節請參見PCT公開案WO 2012-014202。
第二A圖說明一高效率功率轉換系統200之例示具體實施例。該功率轉換系統200可包含一輸入功率來源210。該輸入功率來源210可以是交流或直流功率來源。該輸入功率來源210可被耦合至一交換式功率轉換器220。該交換式功率轉換器220可接著供給一直流功率輸出段240。該直流功率輸出段240可被視為包含一能量儲存裝置241的輸出功率段。第二A圖說明該能量儲存裝置241作為一電容器。或者該能量儲存裝置241可以是複數個電容器或另一能量儲存裝置,例如,電感器、電池、超級電容器、任何其他的能量儲存機構或其任何組合。負載230可被耦合至該直流功率輸出段240。
該功率轉換系統200可進一步包含一次系統250,其可感測或偵測操作因子/條件,並且可執行用於評估操作因子/條件的邏輯及控制,以調整及控制該交換式功率轉換器220,以影響功率轉換過程的整體效率,同時嘗試保持該系統在可接受的操作條件閾值內操作。次系統250可接收來自該輸入功率來源210的輸入211。次系統250可接收來自該交換式功率轉換器220的輸入222。次系統250可接收來自該直流功率輸出段240的輸入242。次系統250可接收來自該負載230的輸入231。次系統250可監測輸入211、222、242及231的任何組合,以追蹤操作因子/條件,並且基於操作因子/條件而調整及控制功率轉換。
次系統250可包含一處理器,用於處理進來的訊號/輸入以及用於執行邏輯及操作,以控制該功率轉換系統200的操作。次系統250可經由訊號221而調整或控制參數,以確定該交換式功率轉換器220的開關之開始及停止。該處理器可以是一般目的之處理器、特定目的之處理器、傳統處理器、數位訊號處理器(DSP)、複數個微處理器、與數位訊號處理器核心關聯的一或多個微處理器、控制器、微控制器、特殊應用積體電路(ASICs)、現場可程式化閘陣列(FPGAs)電路、任何其他類型的積體電路(IC)、狀態機等等。該處理器可執行訊號編碼、數據處理、功率控制、輸入/輸出處理及/或任何可使該功率轉換系統200控制輸入功率轉換成輸出功率之其他功能。該處理器可被耦合至輸入端、輸出端、感測器、記憶體以及任何其他的邏輯連接,用於決定該系統200的操作因子/條件,並用於即時控制該系統。
該交換式功率轉換器220可被控制以將該輸入功率來源210的輸入波形截波成所選擇的部分。截波可被視為是藉由該交換式功率轉換器220選擇及得到該輸入功率的部分之任何方法。截波可藉由開關啟動及關閉而達成,以選擇性地容許功率從該輸入功率來源210輸入。截波可藉由控制輸入電阻及適當地提高或降低該輸入電阻而達成,以控制功率從該輸入功率來源210輸入。截波可藉由任何裝置、機構或方法而達成,藉此該交換式功率轉換器220可從該輸入端選擇及得到能量,並且引導轉換能量至最終要被傳送至該負載230的直流輸出段240。截波可藉由任何用於將一輸入波形截波成波形的部分之方法或裝置而達成。用語「截波(chopping)」的使用並無暗示正式的定義或限制。在此技藝中具有通常知識者應理解,截波是從該輸入功率來源210中選擇性地得到輸入功率的部分之一般形式。
第二B圖說明高效率功率轉換系統之另一例示具體實施例。高效率功率轉換系統可包含連接到一輸入功率來源的電磁干擾(EMI)濾波器及輸入保護阻障(block)。該系統可進一步包含耦合至該電磁干擾濾波器及該輸入保護阻障的一交流整流器。該系統可進一步包含耦合至該交流整流器之具有功率因子校正(PFC)的一交流-直流轉換器。該系統可進一步包含耦合至該交流-直流轉換器的一直流-直流轉換器。該直流-直流轉換器可包含一LLC轉換器並可被耦合至一負載。該系統可進一步包含一控制器次系統。該控制器次系統可包含一交流極性感測器,其可被耦合至以及感測該電磁干擾濾波器及輸入保護阻障的輸出。該交流極性感測器可被耦合至並且輸出一數位訊號至一監督數位控制器。該監督數位控制器可接收來自感測器的訊號,該感測器可感測在該交流整流器、交流-直流轉換器、直流-直流轉換器及負載之間的輸出及輸入之操作因子/條件。來自感測器的訊號可進一步包含操作因子/條件之指示,例如,電壓以及電流。如第二B圖之例示的具體實施例所示,該監督數位控制器可感測該交流-直流轉換器段及該直流-直流轉換器段之間的電壓,並且也可感測來自該直流-直流轉換器段的電流以及電壓輸出。該監督數位控制器也可接收來自該交流-直流轉換器及來自該直流-直流轉換器之熱指示或訊號。該監督數位控制器可將控制訊號(其可以是設定形式或操作參數的調整形式)傳送至該電磁干擾濾波器及輸入保護段、至該交流整流器、至一功率因子校正控制器及/或一直流-直流控制器。該功率因子校正控制器可被耦合至並且傳送控制訊號至該交流-直流轉換器。該功率因子校正控制器可基於從該監督數位控制器所接收的訊號而控制該交流-直流轉換器。該功率因子校正控制器也可將反饋訊號傳送到該監督數位控制器。該功率因子校正控制器也可感測及接收來自該電磁干擾濾波器及輸入保護段的輸出之訊號。該直流-直流控制器可被耦合至並將控制訊號傳送至該直流-直流轉換器。該直流-直流控制器可基於從該監督數位控制器所接收的訊號而控制該直流-直流轉換器。該直流-直流控制器也可將反饋訊號傳送到該監督數位控制器。以此方式,第二B圖之例示系統可藉由從感測器接收操作因子/條件之指示而監測操作因子/條件,並可經由控制訊號而設定操作參數,以控制輸入波形的部分之選擇以及在該等部分中所包含的能量之選擇;其可控制所選擇的部分之能量的轉換;以及其可控制將所轉換的能量傳送至一儲存裝置或該負載。雖然在第二B圖中所示的元件之連接、感測訊號、控制訊號以及排列說明了一特定具體實施例,但熟習該項技藝者應理解各種額外的訊號、連接以及排列都是可能的。此外,較少的訊號或控制連接也是可能的。
在另一具體實施例中,一種在交換式功率轉換器中控制交換之方法,是根據例如即時測量的實際效率,藉由將交換式功率轉換器的輸出功率除以輸入功率而進一步揭露。輸入功率及輸出功率可固定地、週期性地、取樣地、以特定預先定義的次數、在對應於特定電壓的交流週期之特定部分期間或其任何組合而被測量。該方法可包含以高頻率及即時取樣及計算交流或直流輸入之目前的及時電壓及電流。或者,可完成輸入的取樣及計算之頻率可被調整成更高或更低的頻率。例如,對於120伏特的交流輸入,目前的電壓可經由交流正弦曲線的期間,而從額定地-120伏特經由0伏特改變至額定地+120伏特。該方法可進一步包含以高頻率及即時取樣及計算直流輸出之目前的及時電壓及電流。或者,可完成輸出的取樣及計算之頻率可被調整成更高或更低的頻率。從這些計算中,可推導功率轉換器的實際效率。
當系統開始時,功率被供應到功率轉換系統的啟動處理器或其他控制模組。功率可經由一啟動的電源供應器而供應,該電源供應器可包含一整流器、一小的電容器、一電池或設計用於啟動的任何其他電源供應器。功率可被供應以喚起啟動處理器。一旦啟動處理器被喚起,啟動處理器可取樣輸入源特性、輸入參數或任何其他的操作因子/條件。輸入參數可由使用者提供、由負載提供或可被程式化到系統內。啟動處理器可藉由一簡單的處理器、分離的電子元件、類比電路、任何其他的運算裝置或控制器或其任何組合而執行。
該啟動處理器可接著存取記憶體、查找表、指撥開關、先前儲存的資料或任何其他預先程式化的方法或裝置,以回復操作參數的初始數值。該啟動處理器可接著根據該初始的操作參數而更新系統。該初始的操作參數可用以建立初始的操作條件,包含初始的操作輸出位準。該啟動處理器可進一步確認其他操作因子/條件是否在可接受的範圍內。這樣的因子/條件可包含功率轉換效率、諧波、溫度、預期的輸出電壓、儲存能量位準、以電感為基礎的能量儲存、儲存電容器電壓、啟動能量儲存位準、輸出波紋、負載的電壓及電流消耗、儲存電容器的放電速率、輸入功率來源的電壓及電流、輸入功率來源的頻率、輸入功率來源的改變率或斜率、LLC轉換器的諧振頻率及諧振頻率之變化、LLC轉換器的溫度、在輸入交流功率波形上的目前位置、負載的功率消耗之擾動特性、功率因子、由負載或使用者提供的資訊或指令、輸入功率來源及/或輸出的過量電壓及/或過量電流條件、機械雜訊或振動、機械雜訊或振動的特性、輸入的雜訊特性、電磁干擾(EMI)、可想要地被影響、控制、調整及/或監測之任何其他因子以及其任何組合。
該啟動處理器可喚醒一主要控制器或其他適合的運算裝置,並可確認該主要控制器是否適當地運作。在一具體實施例中,該啟動處理器可藉由確認在儲存電容器上的輸出電壓是在可接受的範圍內而確認該主要控制器是否適當地運作。如同先前以及本揭露整篇所提到的,可使用另一儲存裝置,以及該啟動處理器可確認該儲存裝置的相關能量位準是在可接受的範圍內。為了確認在儲存電容器上的輸出電壓,可利用幾個樣本。一旦該主要控制器被確認是適當地運作,則該啟動處理器及其啟動電源供應器可進入休眠模式。在一具體實施例中,該啟動電源供應器可以是一簡單的電源供應器。在另一具體實施例中,該系統可被設計及配置以容許任何能量儲存裝置的初始充電。該等能量儲存裝置可接著用以啟動該主要控制器。以此方式,該系統可在沒有啟動處理器的情況下執行。
第三圖說明一功率轉換系統的具體實施例之輸入電壓310及輸入電流320的例示繪圖。輸入電壓310已被整流,以及輸入電流320是與負載的電流需求及輸入電壓310有關。第三圖進一步說明對應於輸入電壓310及輸入電流320的輸出電壓330之例示繪圖。由於接近零交越的輸入電壓310之低輸入能量區域,因此,輸出電壓330在輸出350的區域中顯示波紋340。
該功率轉換系統可一開始基於直流輸出電壓及電阻或負載的電流消耗,而接近並設定操作參數。操作參數可控制交換式功率轉換器的開關狀態,以適當地利用輸入功率的部分以用於轉換成輸出功率。開關的控制也可影響及控制功率從輸入轉換成輸出的方式。以此方式,開關的控制可選擇輸入功率的部分來接收,並可控制輸入功率如何被轉換、儲存及傳送至負載。功率轉換系統可調整在輸入功率被用於轉換成輸出的一或多個期間之開始及停止。開始及停止可以是取決於許多因子,包含:功率轉換效率、諧波、溫度、預期的輸出電壓、儲存能量位準、以電感為基礎的能量儲存、儲存電容器電壓、啟動能量儲存位準、輸出波紋、負載的電壓及電流消耗、儲存電容器的放電速率、輸入功率來源的電壓及電流、輸入功率來源的頻率、輸入功率來源的改變率或斜率、LLC轉換器的諧振頻率及諧振頻率之變化、LLC轉換器的溫度、在輸入交流功率波形上的目前位置、負載的功率消耗之擾動特性、功率因子、由負載或使用者提供的資訊或指令、輸入功率來源及/或輸出的過量電壓及/或過量電流條件、機械雜訊或振動、機械雜訊或振動的特性、輸入的雜訊特性、電磁干擾(EMI)、可想要地被影響、控制、調整及/或監測之任何其他因子以及其任何組合。
例示的功率轉換系統設定或調整操作參數,以控制功率轉換程序。在一具體實施例中,操作參數可被看成是影響交換式功率轉換器的開關之任何控制。例如,操作參數可以是藉此該系統可影響交換式功率轉換器的開關之電壓位準、電流位準、功率位準、能量位準、儲存的數位或類比數值、開關位置或任何其他可控制的參數、位準或數值。藉由設定或調整操作參數,該系統可控制交換式功率轉換器的開關,以適當地利用輸入的部分,並且適當地將該輸入部分轉換成輸出功率來最佳化該操作。一種最佳的操作可包含最大化功率轉換效率,同時將操作因子/條件維持在可接受的個別閥值之內。
在一具體實施例中,該系統可控制開關,使得開關控制了來自輸入功率來源的功率輸入,以最佳化性能,使得功率轉換效率最佳化,同時管理操作參數,以將其他操作因子/條件維持在可接受的位準之內。該系統可在每一特定期間一或多次利用輸入功率的部分,以發現最佳的操作狀態。例如,對於一交流輸入,當輸入到達目前輸入電壓的第一位準時,該系統可開始從輸入利用功率,並且當輸入電壓到達目前輸入電壓的第二位準時,可停止利用功率,其中該系統開始及停止的場合被重新校準,以最佳化一些或全部的操作因子/條件。在另一具體實施例中,該系統可基於其他操作因子/條件(例如,負載變化、被切斷的負載、負載的功率消耗、或輸入或輸出的任何缺陷條件),而推翻先前決定的操作參數。缺陷條件可以是任何的過高/過低溫度、過高/過低電壓、過高/過低電流、波紋或在所建立的閥值外之其他操作因子/條件。
在另一具體實施例中,該系統可包含電路,以將輸入功率轉換成輸出功率。該電路可利用一部分的輸入功率,並且基於功率特性而將其轉換以被儲存於一能量儲存裝置中或被引導至一負載裝置。該電路可截波一輸入源,以利用輸入的部分並將該部分的能量引導至一或多個能量儲存裝置。例如,該電路可藉由操作參數而被控制,並且可調整開關,使得較窄的部分從要被轉換的輸入而選擇,並且傳送到一能量儲存裝置。或者,該電路可進一步使用輸入部分的一部分,以有效地選擇一較窄的部分,並將該較窄的部分轉換及傳送至一能量儲存裝置。該功率特性可被用以控制該能量儲存裝置的充電及放電,以將輸入功率轉換成輸出功率。該系統可利用任何輸入功率(例如,交流、直流或任何波形)的部分,並將該等輸入的部分轉換成一輸出波形。
該系統可輸入一部分的輸入功率,其中該部分可被描述為具有起點及終點,以及進一步其中這些點都可基於操作因子/條件而被決定。起點及終點可具有電壓位準、電流位準、功率位準、絕對時間、相對時間、相對於零交越的時間或其他特徵之特性。該部分可被定性為具有一起點以及一寬度。該部分可被定性為具有一起點以及一期間。一部分可被定性為提供一特定量的能量。該部分可被定性為具有一起點,其為來自先前事件的補償或延遲。該先前事件可以是交流輸入的零交越或其偵測。該先前事件可以是終點、中央點、起點或先前部分的任何其他點或其偵測。一部分的該等點可說明輸入波形的一關連的絕對或相對階段,或者可說明輸入波形的一關連的絕對或相對位準。
經由發現最佳的操作參數,該系統可在一指定期間利用多個部分。例如,對於一交流輸入,該系統可在交流期間的一半週期中利用多個部分。每個部分都可具有一起點及停止點,其可基於操作因子/條件而決定,以最佳化系統的執行。每個部分都藉由所決定的位置(可能是該部分的中央位置)、開始、停止、寬度、補償及延遲而定性。一部分可藉由輸入波形上的位置而定性。該位置可包含一位置、一開始、一停止、一寬度、一補償、一延遲、一期間等的任何組合。可設定操作參數以調整該等部分的位置、開始、停止、寬度、補償、延遲等。
每個部分都可由另外的部分所組成。在一具體實施例中,一部分可包含多個另外的部分,其中每個另外的部分都可具有所決定的特徵,例如,位置、開始、停止、寬度、延遲等。以此方式,一部分可被視為係包含較窄的部分,具有類似於對任何其他部分決定的特徵之所決定的特徵。任何一部分可進一步由所增加的解析度之還要更窄的部分所組成。就本身而言,一第一部分可定性為係由所決定的另外部分之均勻或不均勻的集合所組成,以及每個另外的部分也可包含所決定之還要另外的部分,以此類推。以此方式,在一特定解析度位準的部分可被定性為具有一工作週期。因此,該系統可設定操作參數以將交流或直流輸入功率截波成可被決定之任何形態,以最佳化性能。例如,該等部分可被決定並藉由它們的位置、起點、停止點、延遲、寬度等而定性,使得該等部分可被固定或非固定地間隔。在另一實例中,該系統可設定操作參數,以於一或多個週期或一段期間未利用輸入的部分。該系統可決定來使用輸入功率的完整工作週期一段時間。該系統可以是彈性的以截波輸入功率,以利用導致最有效率的功率轉換程序同時也考慮如先前所述任何其他操作因子/條件之輸入功率的部分。例如,該系統可截波該輸入,使得一輸出電壓被可靠地及有效率地維持,同時將諧波產生、熱、波紋及雜訊保持在可接受的位準內。
第四A圖說明一輸入藉由用於功率轉換的系統而被截波之實例。如第四A圖所示,部分410可藉由開始時間411及終止時間412而定性。開始時間411可對應一即時起始電壓413以及終止時間412可對應一即時終止電壓414。部分410可選擇性地或額外地藉由電壓413及414而定性。部分420可藉由位置421及期間422或可藉由平均電壓423而定性,或其可選擇性地或額外地藉由來自先前部分的延遲425而定性。部分430可藉由來自先前事件的補償431而定性,例如,從第四A圖所示的零交越。此外,部分430也可藉由寬度432而進一步定性。部分440可由另外的部分441、442、443及444所組成。如以上所解釋,該等部分以及該等部分之間的空間可以是均勻的或非均勻的。部分450也可由另外的部分所組成,其中部分450可具有與部分440不同的工作週期。部分450的工作週期可藉由部分451、453、455的寬度對間隙452及454的寬度而定性。雖然第四A圖說明以不同實例的方式為特徵之幾個部分,但應理解的是任何特徵的組合都可用於定義或定性部分。
相反地,第四B圖及第4C圖說明兩種不同類型的傳統轉換器之傳統截波輸入。第四B圖說明一第一傳統截波的輸入電壓波形。在這個實例中,相關的交換式功率轉換器可被設計以截波輸入,使得每個部分實質上都相鄰於次一部分,使得在該等部分之間實質上沒有間隙存在,以及所有的部分寬度都是相等的。實際上,在傳統功率轉換器中操作所必需的交換時間將產生一小的間隙。然而,該系統並未被設計以執行一間隙。它僅是該等開關的有限交換時間之函數,以此,該傳統功率轉換器可得到能量。此外,該輸入被截波,使得所有的部分在整個期間內,從一期間到下個期間都是相同的。這可藉由波形的第一半週期以相同於波形的第二半週期之方式被截波而觀察到。在此技藝中具有通常知識者將理解,這將以相似的方式持續將來波形的正弦曲線期間。以此方式,該第一傳統交換式功率轉換器在整個交流波形的整個所有期間,得到靜態預先定義的部分。實際上,傳統交換式功率轉換器由於硬體的限制及可獲得的能量,因此,能量並不是從波形的非常低電壓的部分得到,然而,該系統仍被考慮設計以得到交流波形的整個所有完全半波。
第四C圖說明一第二傳統截波的輸入電壓波形。在這個實例中,相關的交換式功率轉換器可被設計以截波輸入,使得每個部分實質上相鄰於次一部分,使得在該等部分之間實質上沒有間隙存在,以及所有的部分都佔據曲線下實質上相似的面積。實際上,在傳統功率轉換器中操作所必需的交換時間將產生一小的間隙。然而,該系統並未被設計以執行一間隙。它僅是該等開關的有限交換時間之函數,以此,該傳統功率轉換器可得到能量。以此方式,由於該等部分的寬度對於較低的電壓增加,因此,從大部分的電流消耗到最小的電流消耗,對於每個部分,來自輸入的電流消耗可具有較小的差異。輸入電壓被截波,使得波形的每個半週期都以相同於任何先前及之後的半波之方式而截波。這可藉由波形的第一半週期被以相同於波形的第二半週期之方式被截波而觀察到。在此技藝中具有通常知識者將理解,這將以相似的方式持續將來波形的正弦曲線期間。以此方式,該第二傳統交換式功率轉換器在整個交流波形的整個所有期間,得到靜態預先定義的部分。實際上,傳統交換式功率轉換器由於硬體的限制及可獲得的能量,因此,能量並不是從波形的非常低電壓的部分得到,然而,該系統仍被考慮設計以得到交流波形的整個所有完全半波。
第四D圖說明在傳統功率轉換器中的突波模式操作。突波模式是一種特徵,其可併入到以第四B圖及第4C圖所示方式截波輸入波形的傳統功率轉換器中。一旦決定了足夠的能量已被儲存在一能量儲存裝置中,突波模式容許功率轉換器在任何時間點停止從輸入得到能量。傳統上,有突波模式能力的功率轉換器可停止從輸入得到能量,當負載連接到不消耗大量功率的功率轉換器時,使功率轉換器可停止從輸入得到能量。突波模式並不考慮改變操作因子/條件,但當決定了能量儲存裝置對於負載是足夠地充電時,僅停止能量得到。一旦負載排出能量儲存裝置到超出一特定閥值,該功率轉換器可在下一個輸入波形的零交越時重新開始從輸入得到能量。
第四A圖說明比第四B圖及第4C圖結合或不結合第四D圖所示突波模式能力更彈性的方法及能力,以截波用於功率轉換之輸入。與第四A圖關連的系統可被配置以截波用於功率轉換之輸入波形之任何決定的部分。可觀察到在輸入波形的截波及得到之例示的間隙425、431、452及454。第四圖清楚地說明在輸入波形的得到部分之前、之後及之間的其他未標示間隙。相反地,第四B圖及第4C圖的波形在部分之間沒有間隙。以此方式得到第四B圖及第4C圖的的波形之完全的半週期。此外,在第四A圖中,對於在波形的第一半週期中得到所決定之部分,是不同於第二半週期的部分。以此方式,對應於第四A圖的功率轉換系統可彈性地決定要得到的輸入波形之部分,以及彈性地決定不要得到的波形之部分。這個系統可即時及快速地做出這些決定。這個系統可基於目前及改變的操作因子/條件而決定得到及避免的部分。相反地,對應於第四B圖及第4C圖的系統執行靜態決定的交換(switching),其中該系統被設計以在輸入波形上及整個所有期間在實質上相同的位置執行交換。第四B圖及第4C圖的系統缺少取決於可由對應於第四A圖的系統執行之設計優先性、操作參數、操作因子/條件等,而選擇用於功率轉換的輸入之最佳部分的彈性。
在根據本文所教示的功率轉換系統的一具體實施例中,能量儲存裝置(例如,儲存電容器)可根據操作參數而充電,且儲存電容器的電壓可以是一種操作因子/條件。該儲存電容器可在一或多個充電期間內充電,其中該一或多個充電期間的開始及結束係基於操作參數而決定。操作參數也可在操作期間改變。可影響操作參數的操作因子/條件可包含功率轉換效率、諧波、溫度、預期的輸出電壓、儲存能量位準、以電感為基礎的能量儲存、儲存電容器電壓、啟動能量儲存位準、輸出波紋、負載的電壓及電流消耗、儲存電容器的放電速率、輸入功率來源的電壓及電流、輸入功率來源的頻率、輸入功率來源的改變率或斜率、LLC轉換器的諧振頻率及諧振頻率之變化、LLC轉換器的溫度、在輸入交流波形上的目前位置、負載的功率消耗之擾動特性、功率因子、由負載或使用者提供的資訊或指令、輸入功率來源及/或輸出的過量電壓及/或過量電流條件、機械雜訊或振動、機械雜訊或振動的特性、輸入的雜訊特性、電磁干擾(EMI)、可想要地被影響、控制、調整及/或監測之任何其他因子以及其任何組合。
該儲存電容器可取決於目前或預測的負載需求而被充電至一電壓位準。在一具體實施例中,一負載需求可藉由測量或測定負載的電流消耗以及預測支持所預測的負載需求所需之能量而被預測。
在另一具體實施例中,該負載需求可藉由考慮負載如何表現先前充電的數值而被預測。例如,如果先前的預測導致對於負載不足夠的充電的話,則可增加儲存電容器充電。以此方式,儲存電容器的充電可考慮使電容器充電的歷程,以找到對於儲存充電器最佳的預測充電。如前所述,在任何具體實施例中,任何儲存裝置或儲存裝置的組合都可選擇性地或相似地被使用。例如,儲存電容器、超級電容器、電池或任何其他適合的儲存裝置或裝置的組合都可以類似的方式來使用及充電。
在一具體實施例中,處理器或其他適合的電路可計數儲存電容器上的電壓低於最小閥值的觀察間隔之次數,以及當該計數超過錯誤閥值時,該系統可改變操作參數,以避免將來下降到低於閥值的場合。此外,對應於錯誤閥值的次數以及該等次數被計數的觀察間隔,也可基於所觀察的功率轉換效率而調整。
在另一具體實施例中,操作參數可在計數超過錯誤閥值之後立即被調整,而無需等待觀察間隔的停止。在另一具體實施例中,該系統可測量或測定儲存電容器的放電速率,並且基於放電速率而調整操作參數。
在另一具體實施例中,該系統可觀察在儲存電容器中所儲存的能量之放電速率,以決定用於對儲存電容器充電的操作參數。在另一具體實施例中,該系統可測定在能量儲存裝置中的能量位準下降至低於最小閥值的場合之速率。當該系統測定能量之放電速率是低於一閥值速率時,或當能量位準下降至低於最小閥值的場合速率太不頻繁時,該系統可調整操作參數,使得儲存電容器可較不頻繁地被充電,或該系統可使儲存電容器暫緩充電一段延長的時間。在任何具體實施例中,該系統可測定或測量所儲存的能量位準之任何其他適合的指標或所儲存的能量的改變率,例如,電壓位準、電流位準、功率位準、充電位準、其改變率或其任何組合。
該功率轉換系統可計算數個效率因子。效率因子可藉由測量傳送至負載的平均實際功率,除以從輸入功率來源所得到的平均實際功率而計算。實際的平均輸入及輸出功率係藉由輸入及輸出的實際即時電流及電壓的即時測量而計算。不同的效率因子反映不同時間週期的平均數。例如,該系統可具有在1秒、10秒及1分鐘計算的三個效率因子。該系統可根據操作因子/條件而決定不同效率因子的相對重要性。
在正常的操作期間,該主要控制器可使用一開始的操作參數作為控制功率轉換的初始數值。該主要控制器可根據因子/條件的即時讀值或測量,而調整每個操作參數。為了決定如何調整每個參數,該主要控制器可基於所調整的數值之已知或預期的效果而將參數設定至一數值,或該主要控制器可藉由刻意改變數值並紀錄效果而經驗上地對每個操作參數決定最佳的數值。通過評估對於操作參數的調整之效果的歷程,該主要控制器可對與目前的操作因子/條件有關的每個操作參數,決定最佳的設定。
該主要控制器可以所決定的順序調整操作參數。所決定的順序可以是操作參數可基於它們的調整對於即時觀察的功率轉換效率的影響或它們對於任何其他操作因子/條件的影響之規模,而被評估及重新校準的順序。所決定的順序也可以是基於預先定義的優先性、較佳的安排、設定、使用者選擇的輸入、負載輸入、預設設定、一開始設置順序的份量或其任何組合,或受預先定義的優先性、較佳的安排、設定、使用者選擇的輸入、負載輸入、預設設定、一開始設置順序的份量或其任何組合而影響。在一具體實施例中,該系統可優先處理或偏好一或多個操作因子/條件(例如,輸出電壓、功率因子、諧波等等)的穩定性。在調整的過程期間,該主要控制器觀察及/或取樣操作參數的改變對於系統的功率轉換效率之影響的規模。一旦對於一第一操作參數決定了最佳的設定,該主要控制器則可調整一第二操作參數的數值,並且評估該改變對於功率轉換效率的影響之規模。
如果在第二操作參數中的改變之影響規模是高於閥值規模的話,該主要控制器可回復微調該第一操作參數的數值。該主要控制器可以比先前通過的期間更細微的分辨率而微調該第一操作參數的數值。該主要控制器接著可持續到下一個操作參數,以比第一次通過的期間更細微的分辨率而微調該第二操作參數的數值。這樣的過程可以循環的方式持續,使得一旦先前的數值對於操作因子/條件(例如效率)產生影響,也就是對於操作因子/條件低於與會導致可接受的數值相關之規模閥值時,該主要控制器可移動到另一個操作參數數值。
每次操作參數的數值之調整導致超過可接受的閥值之重要性的效果,該主要控制器可回復到第一次操作參數,並且經由另一通道重新開始調整及評估程序。在操作參數中改變的效果可能是或可能不是重要性的絕對比較。該比較可以是相對性的,使得由於在一操作參數中的改變所致之效果,可相對於在另一操作參數中的改變之效果而衡量。在操作參數中的改變可基於在操作參數中的改變如何顯著地影響整體功率轉換效率而衡量。以此方式,該系統可決定調整操作參數以達到最佳的功率轉換效率之最佳的順序。該系統可藉由重新排列操作參數的設定及調整之順序,而增加其決定對應於最佳的功率轉換效率之最佳的操作參數之速度。以此方式,該系統可不僅獲得最佳的操作參數,也可最佳化達到最佳的操作參數之方法。
在另一具體實施例中,如果系統的任何因子/條件改變的話,則該系統可重新開始上述的校正過程。此外,該系統也可週期性或偶發性地再校正,即使當系統的因子/條件之改變沒有被觀察到時。此外,使用者或負載裝置也可推翻操作參數評估及調整的順序以及它們的數值。
第五圖包含一流程圖,說明功率轉換系統的一具體實施例之例示程序流程。應理解的是,這是該系統可評估及調整操作參數的許多方法之一。該系統藉由測定一開始的操作參數數值而開始於步驟510。該系統可接著移動到步驟515,以將順序位置設定到一第一位置。該系統可接著移動到步驟520,以在該順序位置調整一操作參數。對於第一次通過程序流程,這可以是在該第一位置中的操作參數。該系統可接著移動到步驟525,以決定對於操作因子/條件的影響是否在可接受的閥值內。如果該效果的重要性是不可接受的話,該系統可回復到步驟520來持續調整操作參數,直到該效果在步驟525被決定是在可接受的閥值內為止。該系統可接著移動到步驟530,以決定所調整的操作參數是否對於目標操作因子/條件數值是在最佳的數值。如果所調整的操作參數不是最佳的數值的話,則該系統可回復到步驟520,以調整該操作參數至發現最佳的位置。如果該操作參數被決定是最佳的數值的話,則該系統可移動至步驟535以增加該順序位置,有效地移動至該順序中的下一個操作參數。下一個操作參數可接著在步驟540被調整,並以類似於在步驟545的第一操作參數之方式而評估。如果對於下一個操作參數的調整影響不是在可接受的閥值內的話,則該系統可回復到第一操作參數,以再次調整第一操作參數。該系統可經由參數,藉由回復到步驟535及移動到步驟540而持續移動,以調整操作參數數值,直到每個操作參數數值的調整對於操作因子/條件導致可接受的影響以及操作參數數值在步驟550被決定是最佳的為止。當該系統確定它在步驟555已達到順序的終點,以及該操作參數在步驟560被視為係設定在最佳的數值時,該評估結束。
在另一具體實施例中,該系統可基於所決定的順序而評估一第一操作因子/條件,並可基於其他的操作因子/條件而決定是否增加或減少一或多個操作參數。或者,該系統可增加或減少操作參數而不考慮其他的操作因子/條件。或者,該系統可設定操作參數數值。例如,該系統可使一開關以比先前計畫的更早或更晚打開或關閉,或可立即及無限期地打開或關閉一開關。該系統可立即打開一開關而不考慮對於操作因子/條件的影響。
第六圖包含一流程圖,說明功率轉換系統的一個具體實施例之例示程序流程,用於決定操作參數的評估及調整順序。應理解的是,這是系統可執行相似操作的許多方式之一。該系統可開始於步驟610,接著移動到在一順序中的一第一操作參數,並且在步驟615偵測由於對應於在該順序中的該第一位置之操作參數的調整,而對於目標操作因子/條件的數值之影響。該系統可接著在步驟620移動到在該順序中的下一個操作參數,並且在步驟625偵測由於下一個操作參數的調整,而對於目標操作因子/條件的數值之影響。在步驟630,該系統可接著決定下一個操作參數的調整之效果是否大於該第一操作參數。如果是的話,則該系統可移動至步驟645,以交換在該順序中的操作參數位置,並且回復到步驟610以評估在該順序中之該第一操作參數。以此方式,該系統可經由操作參數的順序而進行,並且將其以一順序而排序,使得對於目標操作因子/條件具有最大影響的操作參數可以是第一,以及具有最小影響的操作參數可以是最後。該系統可在步驟635決定該順序的終點是否已達到,如果是的話,則該系統可在步驟640結束評估。
該系統可基於一或多個操作因子/條件而優先以一特定順序調整操作參數,或可忽略操作因子/條件。例如,該系統可在增加尋找的數值之前先減少操作參數的數值,並決定最佳的性能設定。操作參數的增加或減少可使開關以比先前的設定較早或更晚打開或關閉。增加或減少操作參數的數值所決定的順序之優先性,可能由於改變操作因子/條件而改變。該系統可經由改變操作參數所觀察到的效果之歷程,而學習如何偏向用於增加或減少操作參數的較佳順序。該系統可進一步學習較佳的改變之重要性,藉此調整操作參數。該系統也可產生額外的操作參數。例如,該系統可決定引起開關的額外打開或關閉,或也可決定從操作中移除開關的打開或關閉。或者,開關被打開及關閉的次數可以是一操作參數,以及該系統可適當地調整該等開關截波該輸入的次數。以此方式,該系統可從輸入功率利用較多或較少的部分。
在另一具體實施例中,一或多個操作因子/條件可限制操作參數的調整。例如,一第一操作條件/因子可藉由增加一操作參數而改善,但一第二操作條件/因子卻可引發可限制或終止該系統增加操作參數的事件。例如,該系統可學習到效率會隨著縮小輸入功率的部分之寬度而增加。因此,效率操作條件/因子將影響該系統以縮小該部分。然而,縮小該部分也可能增加輸出波紋電壓。一旦輸出波紋電壓的重要性超過閥值,該系統可限制該部分的縮小,並且因此限制相關操作參數的調整。
在另一具體實施例中,該系統可基於現在及過去的操作因子/條件而預測未來的操作因子/條件,以回應地調整操作參數。此外,該系統也可基於觀察、趨勢及預測,而調整其較佳的目標操作因子/條件。例如,該系統可觀察負載的功率消耗係高於預期,並且再校正目標能量儲存電壓數值操作條件/因子,以補償在能量儲存中額外能量之預期的需求。因此,操作參數是被適當地調整,以使能量儲存充滿足夠的能量。此外,當調整操作參數時,該系統也可進一步考量額外的操作因子/條件。例如,該系統可考量輸入交流波形上之計畫部分的位置,以影響該系統如何改變位置及/或重新分配該部分的大小,以從輸入波形中利用能量。例如,該系統可更換計畫部分的位置朝向交流波形的波峰,以從響應於負載之預期增加的功率需求之輸入中得到額外的能量。
在一具體實施例中,該系統可藉由對應於一初始分辨率的初始步驟大小而調整操作參數。步驟大小可根據所觀察到改變操作參數對於操作因子/條件的影響之趨勢而調整。該系統可以所選擇的分辨率而調整操作參數,同時觀察改變對於操作因子/條件的影響。該系統可持續而以所選擇的分辨率來改變操作參數,直到該系統在一或多個操作因子/條件中觀察或測量到下降為止。該系統可接著利用對應於較細或較粗的分辨率之較小或較大的步驟大小,而再次調整操作參數。
第七圖包含一流程圖,說明功率轉換系統的一個具體實施例之例示程序流程,用於評估及調整操作參數並且測定用於調整操作參數之步驟大小。應理解的是,這是系統可執行相似操作的許多方式之一。該系統可開始於步驟710,接著設定對第一方向的調整方向以及在步驟715設定初始步驟大小。在步驟720,該系統可接著在第一方向以初始步驟大小而調整操作參數。在步驟725,該系統可接著測定目標操作因子/條件是否改善。例如,該系統可評估效率或輸出波紋位準是否改善。如果目標操作因子/條件改善的話,則該系統可持續至步驟730以在相同的方向調整操作參數,並且評估目標操作因子/條件,以在步驟735決定是否下降。如果在步驟725,該系統測定目標操作因子/條件並沒有改善的話,則該系統可移動至步驟755以反轉調整方向,然後移動到步驟730以調整參數。一旦該系統在步驟735的改善之後在目標操作因子/條件中測定到下降,則該系統可接著在740測定步驟大小是否足夠小。如果該步驟大小在步驟740被測定不夠小的話,則該系統可移動到步驟760以減少步驟大小,然後移動到步驟755以反轉調整方向。以此方式,該系統可使用反覆增加的分辨率,以決定對於目標操作因子/條件之最佳的操作參數設定。如果該系統在步驟740測定到足夠好的分辨率已被用以調整與足夠小的步驟大小相關之操作參數的話,則該系統可移動至步驟745,以在最後的調整之前將操作參數設定回先前的數值。該系統可接著移動到步驟750以決定最佳的操作參數數值已被發現。
第八圖包含一流程圖,說明功率轉換系統的一個具體實施例之另一例示程序流程。應理解的是,這是系統可執行相似操作的許多方式之一。該程序可在步驟810開始於一喚起或重新開始的操作。該系統可接著在步驟815讀取系統設定值。該系統可接著在步驟820測定經由參數校正的第一輪是否被執行。如果該系統測定這是第一輪的話,則該系統可在步驟895重新設定工廠設定值。如果該系統測定這不是第一輪的話,則該系統可在步驟825測試類比感測器及類比至數位轉換器(ADC)感測器,並且測試用於操作因子/條件的數值。在步驟830,該系統可測定是否發生錯誤或缺陷狀態,如果是的話,則嘗試回復原狀。如果回復原狀失敗的話,則該系統可移動至步驟895以重新設定成工廠設定值。如果該系統沒有從錯誤回復原狀的話,則該系統可在步驟885輸出一錯誤訊息,並且在步驟880停止。如果沒有出現錯誤或缺陷狀態的話,則該系統可在步驟835調查一第一操作參數,並可在步驟840基於該調查結果而決定是否需要一動作。如果該系統決定需要一動作的話,則該系統可在步驟845校正該操作參數。如果效率已經藉由校正而增加的話,則該系統可移動到步驟870,以操作參數的順序來升級操作參數,使得它可在操作參數的順序中較早被調整。如果效率沒有增加的話,則該系統可移動到步驟875以調查在順序中的下一個參數,如果目前的操作參數不是最後的參數的話。該系統可以相似的方式持續經由在順序中剩下的操作參數而移動,並且適當地調整操作參數同時基於它們對於效率的影響而重新排列參數。一旦該系統已按順序調查所有的操作參數的話,則該系統可在步驟865註冊該等操作參數,使得該系統根據更新及校正過的操作參數而操作並控制開關。該系統在重新開始評估參數之前可等候一段期間。
第九圖包含一流程圖,說明功率轉換系統的一個具體實施例之另一例示程序流程。應理解的是,這是系統可執行相似操作的許多方式之一。該程序可在步驟910開始於一喚起或重新開始的操作。該系統可接著在步驟915讀取系統設定值。該系統可接著在步驟920測定經由參數校正的第一輪是否被執行。如果該系統測定這是第一輪的話,則該系統可在步驟940重新設定成工廠設定值。如果該系統測定這不是第一輪的話,則該系統可在步驟925測試類比感測器及類比至數位轉換器(ADC)感測器,並且測試用於操作因子/條件的數值。在步驟930,該系統可測定是否發生錯誤或缺陷狀態,如果是的話,則嘗試回復原狀。如果回復原狀失敗的話,則該系統可移動至步驟940以重新設定成工廠設定值。如果該系統沒有從錯誤中回復原狀的話,則該系統可在步驟950輸出一錯誤訊息,並且在步驟955停止。如果沒有出現錯誤或缺陷狀態的話,則該系統可在步驟935平行進行複數個校正程序的實例。
該校正程序可藉由在步驟960凍結其他程序而開始。該系統可接著在步驟965標示一未標示的操作參數並且調查該操作參數。在步驟970,如果該系統決定需要一動作的話,則該系統可在步驟975校正該操作參數。該系統可在步驟980測定效率是否已經增加。如果效率已藉由校正而增加的話,則該系統可在步驟985以操作參數的順序而升級操作參數,使得它可在操作參數的順序中較早被調整。在步驟990,該系統可接著註冊該操作參數,使得該系統根據更新及校正過的操作參數而操作並控制開關。該系統可等候一段期間及/或可接著在步驟995釋放出其他凍結的程序。
在一具體實施例中,該系統可評估一或多個操作因子/條件,並可決定如何設定及調整操作參數以截波該輸入。該系統可評估一或多個操作因子/條件,並可基於評估的結果而決定將該輸入截波成較多及較窄的部分。或者,該系統可評估一或多個操作因子/條件,並可決定將該輸入截波成較少及較寬的部分。例如,該系統可偏好將該輸入截波成較少及較寬的部分來改善效率。減少交換發生的次數,當該輸入電壓是接近交流波形的波峰時,該系統可減少與交換驅動有關的功率喪失並減少累積的湧入電流。然而,該系統也可受到其他操作因子/條件的限制,例如,可接受的諧波位準。為了限制諧波,該系統可偏好在完整的交流期間將該輸入截波成較多、較窄、背對背的部分。就其本身而言,該系統可考慮效率及諧波而校正操作參數,以發現最佳的操作參數。
在另一具體實施例中,該系統可偏好在電壓稍微高於能量儲存電壓時,而不是在接近輸入的波峰電壓時,利用定位在波形上的輸入波形的部分來改善功率轉換效率。較佳的部分可在電壓稍微高於能量儲存電壓時開始及結束。負載也可以一速率而需求能量,使得該系統可利用其他部分以補充能量供應至能量儲存裝置的速率。此外,當考慮諧波或其他操作因子/條件時,該系統也可利用其他部分。
第十圖說明截波一輸入交流波形的例子,藉由功率轉換系統以轉換成用於負載之輸出功率。Vs可以是輸入的即時電壓,在該處,系統開始從輸入利用能量以作為一第一部分,以及Ve可以是輸入的即時電壓,在該處,系統停止從輸入利用能量。
尖峰電壓(Vpeak)可以是交流輸入波形的尖峰電壓。該系統可設定操作參數,以藉由第一組電路處理並轉換來自較高電壓部分的能量。較高電壓部分可從交流波形的區域被取得,其包含足夠高的電壓以產生輸出電壓,同時足以將操作因子/條件(例如,功率因子校正、輸出波紋等)維持在可接受的閥值內。第十圖說明利用非整流的交流輸入的部分之系統,然而,該系統也可整流該輸入。在一具體實施例中,該系統可在選擇輸入的部分之前,全波地整流該交流輸入波形。在另一具體實施例中,該系統可選擇輸入的部分,並且僅整流所選擇的部分。
第十圖說明可被功率轉換系統所使用之一較低電壓部分。較低電壓部分可從交流波形的區域被取得,其具有少於所要的輸出電壓的電壓。較低電壓部分可以是接近發生在tz的零交越。該系統可設定操作參數,以藉由第二組電路處理並轉換來自較低電壓部分的能量,該第二組電路可將電壓從較低電壓部分增強至足以轉換及傳送至輸出端的電壓。
在另一具體實施例中,該系統可提供對該系統的校正歷程之報告。該系統可提供對於效率歷程、事件歷程、操作因子/條件之歷程、缺失事件歷程等的報告。或者,可提供指示器或顯示器,以指示任何上述的歷程或事件。
在一例示的具體實施例中,如果該系統偵測到負載的切斷的話,則各種參數的數值之順序及設定可被記憶一段時間,使得當該負載再次連接時,該系統可快速到達接近最佳的操作因子/條件,而無需重新排序操作參數的調整之順序。
在另一例示的具體實施例中,如果該系統偵測到負載特性已經因為例如筆記型電腦啟動一硬碟而明顯改變的話,則該主要控制器可重新排序操作參數的調整之順序,及/或可回復到利用一較低分辨率來改變操作參數的數值。
在一具體實施例中,該系統的任何操作條件/因子都可引發一事件。一事件可在當操作條件/因子跨越閥值時被引發,閥值可為靜態的、動態地決定、使用者所定義或由負載所提供。操作條件/因子可具有多個與其有關的閥值。響應於一事件,該系統可決定調整操作參數。或者,該系統可決定維持目前的操作參數之數值。或者,該系統可進入一缺陷狀態,其中該系統可自己關閉一段時間,或無限期地引發一警告、傳輸一錯誤訊息、傳輸一錯誤指令/訊息、提供看得見的錯誤指示器、將電源與負載切斷、將自己與輸入電源切斷、要求使用者介入、自動進入一復原模式或其任何組合。該系統可選擇地忽略一事件。
在另一具體實施例中,該系統可設定操作參數,使得交換式功率轉換器的開關將該輸入截波成窄的部分,使得該部分的期間是足夠短的,以避免能量儲存裝置的飽和。例如,該系統可足夠窄地截波該輸入,使得儲存電容器充電到少於輸入部分的電壓。例如,該系統可利用100伏特的輸入之部分。該部分是足夠窄的,使得其包含的能量僅可使儲存電容器充電到少於100伏特的電壓。
這個概念的兩個例子說明於第十二圖中。第十二圖顯示電壓與時間標繪圖,係對於傳送至作為能量儲存裝置的電容器之部分以及電容器的電壓的兩個例子。在第十二圖所說明的兩個例子中,截波電壓(Vchop)的部分被傳送至電容器,其中該電容器被充電到小於截波電壓的充電電壓(Vcharged),其中該電容器也不會被充電至飽和的位準。該部分是足夠窄的,使其停止電容器的充電到小於截波電壓及小於飽和的電壓。該電容器的電壓是由Vcap所示其正在充電。如第十二圖的兩個例子所觀察到,在電容器電壓可充電至截波電壓的飽滿電壓之前,該部分即停止。此外,在第十二圖的兩個例子中,電容器可不被充電至飽和。
在另一具體實施例中,該系統可包含數個能量儲存裝置。該系統可將輸入截波成窄的部分,並將該等部分引導至一或多個能量儲存裝置。能量儲存裝置可被充電至小於或等於目前輸入電壓的位準。第十二圖說明這個的兩個例子。藉由使儲存裝置充電至較低的電壓,相較於利用充電至飽滿輸入電壓的單一能量儲存裝置,與裝置的充電有關之½CV2損耗可被減少。該系統可隨時間延展能量儲存裝置的放電,使得與裝置的放電有關之所累積的i2r損耗可被減少。該系統可藉由使能量儲存裝置連續放電而隨時間延展能量儲存裝置的放電。
在一例示的具體實施例中,該系統可包含中間型電容器的充電,其中每個中間型電容器都被充電至一部分的輸入電壓或傳送至電容器的部分之電壓。例如,對於n個中間型電容器,每個中間型電容器都可被充電至Vin/n伏特。開關可根據負載的需求而使中間型電容器放電至能量儲存裝置或負載。中間型電容器可同時、交互、彼此連續或彼此並聯地放電,或上述的任何組合。中間型電容器可根據儲存電容器或負載的目前需求或預期需求,而被放電至儲存電容器、至負載,或可保留充電。
在另一具體實施例中,該系統可包含可用以減少輸出波紋之額外的能量儲存元件。例如,當輸出波紋是接近或超越可接受的閥值時,額外的能量儲存元件可用以補償主要能量儲存電容器的充電。當輸入電壓是接近零交越時,該輸入可能無法提供足夠的能量以使能量儲存電容器充電。該系統可接著設定操作參數以引起額外的能量儲存元件將能量傳送至主要能量儲存電容器,以補償能量從輸入端的缺少。當需要時,額外的能量儲存元件可再次充電及放電到該主要能量儲存電容器。
第十一圖說明根據上述教示的功率轉換系統之例示的具體實施例。雖然第十一圖顯示具有特定數目及配置的開關之系統,但熟悉該技藝之人士應理解的是,該系統可以較少或額外的開關來執行。此外,雖然開關是以電晶體而說明,但一或多個開關可以二極體、機械開關或適合於執行切換的任何其他適合的電子機制。熟悉該技藝之人士也應理解的是,雖然第十一圖說明電容器,但也可使用任何適合的儲存裝置或儲存裝置之組合。此外,第十一圖說明除了儲存電容器C3以外的兩個電容器C1及C2,然而,任何數目的電容器都可被使用。第十一圖進一步說明僅係指例示性之負載的1k電阻器。任何的負載都可被取代,以代替1k電阻器。第十一圖進一步說明50 Hz交流輸入功率來源,然而,交流輸入功率來源、直流輸入功率來源或其任何組合都可被使用。
如上所詳細說明者,該系統可設定操作參數,以控制第十一圖所說明之開關的交換,以利用適當的輸入部分同時控制在電容器C1、C2及C3中儲存的能量。在第十一圖所說明的系統中,開關S1、S2、S1’及S2’可被交換以發揮整流二極體橋接的功能。開關S1、S2、S1’及S2’可藉由感測輸入的零交越及設定操作參數而控制,以適當地打開及關閉開關而整流該輸入。此外,開關S1、S2、S1’及S2’也可也基於C1、C2及C3的電容數值而被控制,並可進一步基於在電容器中儲存的能量而被控制。或者,如果使用二極體橋接的話,開關S3可被使用並且因此而交換。此外,開關S1、S2、S1’及S2’的組合也可以消除S3的需求之方式而被控制。開關S4可容許由該來源供應並且被開關S3或開關S1及S2的組合所限制之充電,在電容器C1及C2之間分離。根據以上教示,每一個電容器C1及C2都可接著被充電到少於所供應的電壓。在這個例子中,電容器C1及C2可均勻地分離所供應的電壓,使得半數所供應的電壓是在每個電容器中被觀察到。就其本身而言,½CV2損耗可以是充電至飽滿電壓所觀察到的四分之一。開關S5-S8可被適當地切換,以使能量儲存電容器C3當需要時充電。電容器C1及C2可被使用作為一充電來源,以達到能量儲存電容器C3的頂部。開關S5-S8可被切換,使得電容器C1及C2連續放電至電容器C3,以減少i2r損耗。雖然輸入電壓是低的,但該等開關可被控制,使得從輸入端的充電被直接移轉到C3而不是先使電容器C1及C2充電。
在另一具體實施例中,該系統可設定操作參數,以補償電路元件的數值或調整電路元件的數值。例如,開關可存在於系統中,其可在額外的電容器中與另一電容器並聯耦連,以增加在電容器的兩個節點之間所觀察到的總有效電容。該系統可連接任何數目的額外電容器,以調整有效電容數值。以類似的方式,該系統可連接例如在額外的電阻器、電容器、誘導器及電晶體中,以有效地改變在系統中的其他元件之數值。任何其他的電路元件都可經由任何種類或任何其他機轉的開關而連接,以改變或補償其他元件的數值。在另一具體實施例中,該系統可包含LLC轉換器。操作參數可被設定以將額外的元件連接到電路中,以調整LLC轉換器的共振頻率。
在另一具體實施例中,該系統可增加許多通道,經由該等通道可提供功率給一負載,或經由該等通道使能量儲存裝置充電,以減少損耗並且有效地增加效率。該系統可決定一特定的負載需求,以增加通道數目並且因此增加金屬的數量,經此,可從該系統傳導電流以減少微量電阻,其可減少與微量電阻有關的損耗。
在另一具體實施例中,系統可包含LLC轉換器。該系統可藉由傳送一或多個脈衝至LLC轉換器的線圈,而取樣LLC轉換器的自身共振。脈衝可以是短的且線圈可以不是負載的。線圈在取樣期間可以是接地的。該系統可測量其從脈衝取得能量到回復的時間,並且經此測量決定共振頻率。LLC轉換器具有共振,並且因此注入到LLC轉換器的脈衝可週期性地、以每個後續週期減少能量、以共振頻率的速率而回復。該系統可基於所觀察的回復率、週期脈衝而決定共振頻率。
在另一具體實施例中,該系統可感測LLC轉換器的線圈溫度,並且可基於所感測的溫度或溫度的變化而改變操作參數。LLC轉換器的線圈溫度之改變可導致LLC轉換器的共振頻率之改變。該系統可試圖傳送從輸入端所得到的電壓部分,並可將它們以共振頻率的頻率而傳送至LLC轉換器。以此方式,該系統可試圖同步化輸入的截波之時間,並可將該等輸入部分傳送至LLC轉換器。
在另一具體實施例中,該系統可感測/測量負載的功率消耗,並且感測LLC轉換器的溫度。該系統可將負載的功率消耗之改變與LLC轉換器的溫度之改變作比較。該系統可對於所測量負載的消耗之改變而決定適當的LLC轉換器的溫度之改變。如果該系統測定一不同的溫度改變應已對於所測量負載的消耗之改變發生的話,則該系統可最佳地、可能地由於改變的LLC共振頻率而決定部分不被傳送至LLC轉換器,並可調整操作參數以補償該等輸入部分如何被獲得並傳送至LLC轉換器。如先前所詳述,該系統可藉由經驗地觀察該調整是否改善或降低該系統的效率,而調整操作參數。基於經驗上的觀察,該系統可調整操作參數以調整該等部分的頻率,以決定最有效率的頻率,以與LLC轉換器的共振頻率配對。例如,LLC轉換器可具有120 kHz的額定共振頻率,然而,溫度變動及負載功率消耗的改變卻可引起這個共振頻率的改變。該系統可調整操作參數,以補償這個改變。
在另一具體實施例中,該系統可將部分傳送至LLC轉換器之所觀察到的結果,與預期的結果作比較。該系統可測定所觀察到的結果何時與操作條件可能已經改變之預期的結果不同,並且該系統可調整操作參數來補償。在一個例子中,在LLC轉換器的線圈之磁場中的變動可能會發生。該系統可經由電流及電壓的測量而觀察這些擾動,並且調整操作參數來補償。在一個例子中,該系統可調整輸入部分被傳送至LLC轉換器的時間、輸入部分被傳送至LLC轉換器的頻率或兩者,以補償非理想觀察的操作條件。以此方式,該系統可嘗試將效率最佳化,同時該系統係藉由補償擾動而經歷非理想的擾動。該系統可調整操作參數,以與LLC轉換器中的能量之共振時間同步化,以增加效率。
在另一具體實施例中,該系統可偏好從在接近零交越的交流波形的電壓範圍中之輸入交流波形的區域利用較寬的部分,並可偏好從接近交流波形的峰值之交流波形的電壓範圍中之輸入交流波形的區域利用較窄的部分。該系統可改變該等部分的寬度,以得到足夠的能量來對電容器充電,而無需得到超過使電容器充電所需之能量。藉由利用較寬及較窄的部分,該系統可脫離LLC轉換器的共振頻率,其可導致少於最佳的效率。就其本身而言,該系統可調整操作參數,以試圖得到具有可與LLC轉換器的共振頻率同步化之平均頻率的部分。
在另一具體實施例中,系統可使用電容器以延遲將輸入部分的電壓傳送至LLC轉換器的線圈。該系統可設定操作參數,以調整用於延遲輸入部分的電壓之電容器的數目,並且因此調整有效的電容。以此方式,該系統可補償偏離LLC轉換器的共振頻率時被利用的部分,並且同步化將該等部分傳送至LLC轉換器的共振。
在另一具體實施例中,系統可設定操作參數,以調整被傳送至線圈之電壓位準,以同步化具有線圈的共振之功率轉移。該系統可在儲存電容器上調整電壓位準,或調整增加或放大率,以調整被傳送至線圈的電壓位準。此外,藉由增加/放大輸入部分的電壓,該系統也可減少與用於路徑中且可增加效率的電晶體有關之二極體壓降型損耗的整體效應。
在另一具體實施例中,該系統可設定操作參數以累積複數個部分,再將它們傳送至LLC轉換器。該系統可從多個部分中累積能量,以改善LLC轉換器的共振之同步化。該系統可設定操作參數以收集部分、在收集部分之前等候一段時間或停止收集部分,以改善部分的傳送與LLC轉換器的共振之同步化。該系統可略過從輸入端得到一部分,因為嘗試儲存該部分的能量之電容器被飽滿地充電。該系統也可立即停止從輸入端得到一部分,使得它可立即被傳送至LLC轉換器,以改善與LLC轉換器的共振之同步化。以此方式,該系統配置以設定操作參數,來彈性地調整輸入的截波之時間,以及將部分傳送至LLC轉換器以與LLC轉換器的共振之同步化,其可改善該系統的整體效率。
在另一具體實施例中,該系統可偵測到它已與輸入功率切斷,並可設定操作參數以容許漏電阻使能量從漏電阻排出。該系統可在故障安全防護模式中執行漏電阻,其中該系統可積極使電阻保持開啟,使得它不會讓功率消散同時該系統連接到一輸入功率,但關閉跨越線及空檔,使能量在該系統與功率切斷時排出。第二圖說明控制訊號被電磁干擾濾波器以及輸入保護階段接收的例子。該等控制訊號可控制漏電阻的狀態,並可有效地使漏電阻保持開啟同時連接到輸入功率。
在另一具體實施例中,該系統可設定操作參數,以基於所測量的負載而調整許多應用在該系統的輸入端之電磁干擾濾波器。對於較低的負載消耗,例如在70瓦特以下,該系統可僅連接一個電磁干擾濾波器。對於較高的負載消耗,例如超過70瓦特,該系統可連接複數個電磁干擾濾波器。第二圖說明控制訊號被電磁干擾濾波器以及輸入保護階段接收的例子。該等控制訊號可控制所連接的電磁干擾濾波器之數目。對於一指定負載,藉由僅連接必要數目的電磁干擾濾波器,該系統可減少可能由額外電磁干擾濾波器所導入的損耗,並且藉此改善效率。
上述具體實施例對於彈性及有效率地將一輸入功率轉換成一輸出功率,提供大量的解決方案。雖然具體實施例說明特徵的例示排列及組合,但根據本文教示的系統可併入所述特徵、性能及配置的任何組合。在此技藝中具有通常知識者將可理解,每個具體實施例、特徵或元件,都可單獨使用或與其他具體實施例、特徵及元件任意組合使用。此外,本文所說明的方法也可在一電腦程式、軟體或併入到電腦可讀取媒介中藉由電腦或處理器執行的韌體中進行。電腦可讀取媒介的例子包含電子訊號(以有線或無線連接之傳輸)以及電腦可讀取的儲存媒介。電腦可讀取的儲存媒介的例子包含,但並不限於,唯讀記憶體(ROM)、隨機存取記憶體(RAM)、位置暫存器、快取記憶體、半導體記憶體裝置、磁性媒介(例如,內部硬碟及可移除式硬碟)、磁光媒介以及光學媒介(例如,CD-ROM磁碟)以及數位多功能磁碟(DVD)。與軟體有關的處理器可被用於執行交流到直流的功率轉換器、直流到直流的功率轉換器、電源供應器、電壓/電流供應器、能量儲存或任何其他形式的電轉換器。
100...系統
110,210...輸入功率來源
120...功率轉換器
130...負載裝置
200...功率轉換系統
211,222,231,242...輸入
220...交換式功率轉換器
221...訊號
230...負載
240...直流功率輸出段
241...能量儲存裝置
250...次系統
310...輸入電壓
320...輸入電流
330...輸出電壓
340...波紋
350...輸出
410,420,430,440,450,451,453,455...部分
411...開始時間
412...終止時間
413...即時起始電壓
414...即時終止電壓
421...位置
422...期間
423...平均電壓
425...延遲
431...補償
432...寬度
441,442,443,444...另外的部分
452,454...間隙
AC...交流
ADC...數位轉換器
ASICs...特殊應用積體電路
Chop...截波
C1,C2,C3...電容器
DC...直流
DVD...多工能磁碟
DSP...數位訊號處理器
EMI...電磁干擾
FPGAs...現場可程式化閘陣列
IC...積體電路
LLC...轉換器
RAM...隨機讀取記憶體
RMS...均方根
ROM...唯讀記憶體
PFC...功率因子校正
RIPPLE...波紋
S1,S2,S1’,S2’,S3,S4,S5,S6,S7,S8...開關
Vchop...截波電壓
Vcharged...充電電壓
VPEAK...尖峰電壓
Vcap...電容器電壓
VRECTIFY...整流電壓
從以下的說明、並藉由結合附隨圖式的例子可獲得更詳細的了解,其中:
第一圖是一傳統功率轉換器系統的系統圖;
第二A圖是一例示功率轉換器系統的系統圖,在該系統中可執行一或多個所揭露之具體實施例;
第二B圖是另一個例示功率轉換器系統之系統圖,在該系統中可執行一或多個所揭露之具體實施例;
第三圖是一功率轉換系統的輸入電流、輸入電壓及輸出電壓的例示圖形;
第四A圖是為了功率轉換而截波(chopped)之輸入來源的一例示圖;
第四B圖是傳統為了功率轉換而截波之輸入來源的一例示圖;
第四C圖是傳統為了功率轉換而截波之輸入來源的一例示圖;
第四D圖是以在功率轉換中執行突波模式所得之輸入來源的一例示圖;
第五圖是一流程圖,說明用於決定調整操作參數之順序的一例示程序;
第六圖是一流程圖,說明用於決定調整操作參數之順序的另一例示程序;
第七圖是一流程圖,說明用於決定一最佳操作參數數值之一例示程序;
第八圖是一流程圖,說明一功率轉換系統之一具體實施例的例示操作程序;
第九圖是一流程圖,說明一功率轉換系統之一具體實施例的另一例示操作程序;
第十圖是在各種電壓範圍中為了功率轉換而截波之一輸入來源的例示圖;
第十一圖是一功率轉換系統之一例示具體實施例的電路圖;以及
第十二圖包含例示電壓部分及跨過電容器的部分充電電壓結果之兩個圖表。

200...功率轉換系統
211,222,231,242...輸入
220...交換式功率轉換器
221...訊號
230...負載
240...直流功率輸出段
241...能量儲存裝置
250...次系統

Claims (20)

  1. 一種功率轉換器,包含:
    一輸入端,被配置以從一輸入功率來源接收一輸入功率波形;
    一輸出端,被配置以產生一轉換功率;
    一感測器單元,被配置以感測一操作條件的至少一指示;以及
    一交換式功率轉換器,被配置以基於一操作條件的該至少一指示而選擇該輸入功率波形中的一或多個部分,以及將該輸入功率波形的該一或多個部分轉換至該輸出端。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之功率轉換器,其中一操作條件的該至少一指示包含功率轉換效率、諧波、溫度、預期的輸出電壓、儲存能量位準、以電感為基礎的能量儲存、儲存電容器電壓、啟動能量儲存位準、輸出波紋、一負載的電壓及電流消耗、一儲存電容器的放電速率、該輸入功率來源的電壓及電流、該輸入功率來源的頻率、該輸入功率來源的改變率或斜率、一LLC轉換器的一諧振頻率、該LLC轉換器的該諧振頻率之一變化、一LLC轉換器的一溫度、在一輸入交流功率波形上的一目前位置、該負載的功率消耗之一擾動特性、功率因子、該負載或一使用者所提供的一資訊或指令、該輸入端的過量電壓及/或過量電流條件、該輸出端的過量電壓及/或過量電流條件、機械雜訊或振動、該機械雜訊或振動的特性、該輸入功率來源的一雜訊特性以及電磁干擾(EMI)中至少其中之一的一指示。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之功率轉換器,其中該交換式功率轉換器還被配置以基於一操作條件的該至少一指示而將該輸入功率波形中的該一或多個部分轉換至該輸出端
  4. 如申請專利範圍第3項所述之功率轉換器,其中該交換式功率轉換器還被配置以基於一操作條件的該至少一指示而對至少一能量儲存裝置充電。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之功率轉換器,其中該交換式功率轉換器還被配置以選擇該輸入功率波形中的該一或多個部分,以滿足一目標操作條件。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之功率轉換器,其中該交換式功率轉換器還被配置以避免選擇該輸入功率波形中的該一或多個部分,以滿足該目標操作條件。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之功率轉換器,其中該感測器單元還被配置以感測在一操作條件的該至少一指示的一改變,以及其中該交換式功率轉換器還被配置以響應於在一操作條件的該至少一指示中所感測的改變而選擇該輸入功率波形的一或多個不同部分。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之功率轉換器,更包含:
    一處理模組,被配置以:
    決定該輸入功率波形的該一或多個部分之一位置及大小;以及
    基於該輸入功率波形的該一或多個部分之所決定位置及大小而設定複數個操作參數;
    其中該交換式功率轉換器還被配置以基於該複數個操作參數而選擇該輸入功率波形的該一或多個部分。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之功率轉換器,其中該處理模組還被配置以:
    基於該輸入功率波形及所轉換之功率的即時測量而計算一效率;以及
    基於該即時測量而設定該複數個操作參數。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之功率轉換器,其中該交換式功率轉換器還被配置以得到該輸入功率波形的該一或多個部分之能量,以及將所得到的該輸入功率波形的該一或多個部分之能量傳送至該輸出端。
  11. 一種在一功率轉換器中轉換功率之方法,該方法包含:
    從一輸入功率來源接收一輸入功率波形;
    在一輸出端產生一轉換功率;
    感測一操作條件的至少一指示;
      基於一操作條件的該至少一指示而選擇該輸入功率波形的一或多個部分;以及
    將該輸入功率波形的該一或多個部分轉換至該輸出端。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之方法,其中一操作條件的該至少一指示包含功率轉換效率、諧波、溫度、預期的輸出電壓、儲存能量位準、以電感為基礎的能量儲存、儲存電容器電壓、啟動能量儲存位準、輸出波紋、一負載的電壓及電流消耗、一儲存電容器的放電速率、該輸入功率來源的電壓及電流、該輸入功率來源的頻率、該輸入功率來源的改變率或斜率、一LLC轉換器的一諧振頻率、該LLC轉換器的該諧振頻率之一變化、一LLC轉換器的一溫度、在一輸入交流功率波形上的一目前位置、該負載的功率消耗之一擾動特性、功率因子、該負載或一使用者所提供的一資訊或指令、該輸入端的過量電壓及/或過量電流條件、該輸出端的過量電壓及/或過量電流條件、機械雜訊或振動、該機械雜訊或振動的特性、該輸入功率來源的一雜訊特性以及電磁干擾(EMI)中至少其中之一的一指示。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之方法,其中該轉換更包含基於一操作條件的該至少一指示而將該輸入功率波形的該一或多個部分轉換至該輸出端。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之方法,更包含基於一操作條件的該至少一指示而對至少一能量儲存裝置充電。
  15. 如申請專利範圍第11項所述之方法,更包含選擇該輸入功率波形的該一或多個部分,以滿足一目標操作條件。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之方法,更包含避免選擇該輸入功率波形的該一或多個部分,以滿足該目標操作條件。
  17. 如申請專利範圍第11項所述之方法,更包含感測在一操作條件的該至少一指示的一改變,以及其中該交換式功率轉換器還被配置以響應於在一操作條件的該至少一指示中所感測的改變而選擇該輸入功率波形的一或多個不同部分。
  18. 如申請專利範圍第11項所述之方法,更包含:
    決定該輸入功率波形的該一或多個部分之一位置及大小;
    基於該輸入功率波形的該一或多個部分之所決定位置及大小而設定複數個操作參數;以及
    基於該複數個操作參數而選擇該輸入功率波形的該一或多個部分。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之方法,更包含:
    基於該輸入功率波形及所轉換之功率的即時測量而計算一效率;以及
    基於該即時測量而設定該複數個操作參數。
  20. 如申請專利範圍第11項所述之方法,更包含:
    得到該輸入功率波形的該一或多個部分之能量;以及
    將所得到的該輸入功率波形的該一或多個部分之能量傳送至該輸出端。












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