TWI842866B

TWI842866B - 電源供應系統及用於在電源供應系統中提供電力之方法

Info

Publication number: TWI842866B
Application number: TW109111539A
Authority: TW
Inventors: 安卓莎巴林
Original assignee: 美商先驅能源工業公司
Priority date: 2019-04-05
Filing date: 2020-04-06
Publication date: 2024-05-21

Abstract

本發明揭示電源供應系統以及操作電源供應系統之方法。一種示範的電源供應系統包括主要整流器及電壓監測器，該主要整流器被裝配以整流AC電壓來產生在DC匯流排上的匯流排電壓，該電壓監測器被裝配以監測AC電壓。電容器是經由開關而可切換耦接到DC匯流排，且充電器被裝配以用出自DC匯流排的電力來將電容器充電。開關控制器被裝配以響應於電壓監測器指示在AC電壓之至少一相中的電壓暫降，閉合開關以致使電容器放電到DC匯流排。

Description

電源供應系統及用於在電源供應系統中提供電力之方法

本發明概括關於電源供應系統，且更明確而言，本發明關於在電源供應系統內提供穩定電力。

電源供應系統為眾所周知且相關於種種不同應用來利用。舉例來說，電源供應系統被使用於積體電路製造、電路板蝕刻設備、物理氣相沉積室、化學氣相沉積室、以及用於種種其他應用的裝置。

對於電源供應系統而言通常包括橋式整流器以從AC幹線電壓來產生DC電壓，且DC電壓可被使用作為對於可產生變化頻率的不同型式的波形之產生器區段的輸入。舉例來說，正弦波與方波可為以範圍從千赫到超過100MHz的頻率來產生。

在AC幹線電壓下降期間，需要能量以提供電力到產生器。一個解決方案是將大匯流排電容器連接到AC整流器的輸出。這個解決方案簡單，但造成減小的功率因數。此外，匯流排電容的最小值是由電容器的最大漣波電流所支配。這造成大於需求的匯流排電容，且這個解決方案對於諸如輔助電源供應器的小功率應用而言為最有效用。

另一個解決方案是使用升壓(或降壓)轉換器以將匯流排電容器充電到固定電壓。但這型式的解決方案可能為複雜且可能需要大量零件，其可能包括相當昂貴的高功率構件。因此，當前的解決方案為不完備、昂貴、或在其他方面為不符合要求。

根據一個觀點，一種電源供應系統包括裝配以整流AC電壓來產生在DC匯流排上的匯流排電壓之主要整流器。電壓監測器被裝配以監測AC電壓，且電容器是經由開關而可切換耦接到DC匯流排。充電器被裝配以用出自DC匯流排的電力來將電容器充電，且開關控制器被裝配以響應於電壓監測器指示在AC電壓之至少一相中的電壓暫降而閉合開關以致使電容器放電到DC匯流排。

根據其他觀點，一種方法被揭示用於在電源供應系統中提供電力。所述方法包括藉由整流AC電壓以將匯流排電壓施加到DC匯流排且監測AC電壓。電容器是經由開關而耦接到DC匯流排，且電容器是當開關被打開時而用匯流排電壓來充電。開關是當監測的AC電壓指示電壓暫降已經發生時而閉合以將電容器放電到DC匯流排。

描述本發明特徵之這些與種種其他特點以及優點將由閱讀以下詳細說明及檢視關聯圖式而為明顯。

102:主要整流器

104:產生器

106:電壓監測器

108:開關控制器

110:電容器

112:開關

114:充電器

116:輸出訊號

118:輸入

120:DC匯流排

206A、206B:電壓監測邏輯

230:輔助整流器

232:開關控制訊號

234:二極體

236:電壓輸出

238:整流電壓

302、304、306、308、310、312:方塊

912:顯示器部分

920:非揮發性記憶體

922:匯流排

924:隨機存取記憶體(RAM)

926:處理部分

927:現場可程式閘陣列(FPGA)

928:收發器構件

本發明之種種目的與優點及更完整瞭解是藉由當結合伴隨圖式來參考以下〔實施方式〕與隨附申請專利範圍而為明顯且更易於理解，其中：[圖1]是描繪一種電源供應系統的觀點之方塊圖；[圖2A]顯示圖1之電源供應系統的數個構件之示意圖；[圖2B]顯示圖2A之電壓監測邏輯的變化之示意圖； [圖2C]描繪一種絕緣閘雙極電晶體；[圖3]是描繪可關連於本文所揭示實施例來詳細討論的一種方法之流程圖；[圖4A]是描繪在圖2A所描繪之主要整流器的輸出的整流電壓之波形；[圖4B]描繪當AC電壓下降時而在圖2A之輔助整流器與主要整流器的輸出的整流電壓之波形；[圖5]描繪主要整流器的輸出的整流電壓與開關控制訊號的電壓之波形；且[圖6]是描繪可經利用在一些實施例中的實際構件之方塊圖。

首先參考圖1，圖示為根據示範實施例之一種電源供應系統。在圖1的系統中，AC電壓是由將AC電壓轉換為整流電壓之主要整流器102所接收，整流電壓是由產生器104所使用。AC電壓典型為三相電壓，其可例如為280伏特或480伏特，但其他數目個相與其他電壓可被利用。如一般技術人士將理解，主要整流器102可由作用為將AC幹線的AC電壓整流為DC電壓之種種不同型式的整流器所實施。產生器104概括描繪種種產生器的任一者，其將DC電壓轉換為另一個DC電壓、脈衝式DC電壓、或頻率可從數赫茲(Hertz)變化到超過100MHz的種種不同波形之任一者的一者或多者。舉例來說，具有諸多應用的常見頻率是從400kHz到超過100MHz，但產生器104的頻率可為任何有用的頻率。

亦在圖1所示者是電壓監測器106、開關控制器108、電容器110、開關112、與充電器114。電壓監測器106概括作用為提供輸出訊號116，輸出訊號116指示在主要整流器102的輸入118之AC電壓，且當電壓監測器106的輸出訊號 116指示在AC電壓有電壓暫降，開關控制器108操作以閉合開關112，使得電容器110被耦接到DC匯流排120，以減緩在DC匯流排120的DC電壓中之下降。如所顯示，充電器114被耦接到電容器110與DC匯流排120二者，且充電器114作用將電容器110充電，使得電容器110為備妥以當開關112被閉合時而將DC電壓提供到DC匯流排120。此實施的觀點是在電容器110的值並無限制，且因此在可用的儲存能量之量並無合理限制。如一般技術人士將理解，電容器110可由一組的電容器所實現，且在所述組的電容器中之電容器各者可由種種電容器型式的任一者所實現，非限制而言，諸如：電解質電容器。

其次參考圖2A，圖示者是描繪可用以實現在圖1所繪的功能構件之數個構件的示意圖。如所顯示，主要整流器102可由一種被動式、六脈衝、橋式整流器所實現，其裝配以將三相AC電壓整流為其提供到產生器104的電壓(V_滙流排)。如一般技術人士將理解，產生器104可利用電壓控制振盪器以產生源訊號，其被在產生器104內的切換模式構件所轉換為輸出電壓。產生器104之種種替代潛在實施的進一步細節被省略，因為產生器104可由使用經整流後的AC電壓來操作之種種已知裝置的任一者所實施。產生器104代表可耦接跨於電源供應系統的輸出之概括為負載者的實例。如所顯示，開關112與電容器110之串聯組合被耦接跨於輸出(其亦為主要整流器102的輸出)。除非電壓暫降(sag)被偵測到，開關112維持打開；因此，電容器110通常為未連接到負載(例如：產生器104)。結果，電源供應系統並未遭受到減小的功率因數，其為先前技術的系統所招致(由於具有跨於整流器輸出之非切換式電容器)。一旦電壓暫降已經緩和，開關112打開。

在圖2A之實施中，圖1之電壓監測器106是由和電壓監測邏輯206A結合的輔助整流器230所實施。如所顯示，輔助整流器230可由如同主要整流器102之相同技術型式所實施，但此並非必要，且輔助整流器230可由其他型式的整流器所實施。電壓監測邏輯206A可由操作為差動放大器的緩衝器來實現，以提供指示輔助整流器230所輸出的整流電壓的輸出。如所顯示，電壓監測邏輯206A的比較器被配置以比較由緩衝器所輸出的電壓與參考電壓，且若在參考電壓與由緩衝器所輸出的電壓之間的差異超過臨限(其指示AC線路上的電壓暫降)，比較器輸出開關控制訊號232以閉合開關；因此將電容器110放置跨於DC匯流排120。

如所顯示，在圖1所描繪的充電器114，其在圖2A所描繪的實施中是由配置在DC匯流排的接腳與電容器110之間的二極體234所實現(且二極體234是與開關112並聯配置)。在一些實施中，開關112可由絕緣閘雙極電晶體(IGBT,insulated gate bipolar transistor)所實現，且在這些實施中，二極體234可為單獨的二極體、或在IGBT封裝內的二極體。在其他實施中，開關112可由場效電晶體(FET,field effect transistor)所實現，且在這些實施中，二極體234可為FET的內在二極體。另一個型式的半導體切換裝置、或機械開關亦可被使用。且在這些其他實施中，二極體可經實施為單獨的裝置。

在圖1與2所描繪之實施例的一些觀點是在於功率因數未受影響，且一些另外的構件被保持為最小量，僅有增加一個高功率構件(例如：IGBT或FET開關)。甚者，沒有通過電容器110的漣波電流，且因此，構成電容器110的個別電容器較先前方式保持為較冷。此外，電容器110可被充電到最大匯流排電壓；因此，系統架構改善對於電容器的能量儲存。

接著參考圖2B，圖示者是電壓監測邏輯206B的示意圖，電壓監測邏輯206B是圖2A之電壓監測邏輯的變化以實施三個臨限：靜態-接通(on)-臨限、靜態-斷開(off)-臨限、與動態-斷開-臨限。動態-斷開-臨限可緊接在開關112被接通之後而使用且逐漸下降到靜態-斷開-臨限。臨限可被設定使得動態-接通-臨限是最低臨限值，靜態-斷開-臨限是次高值，且動態-斷開-臨限是最高臨限值。

在圖2的電壓監測邏輯206B中，電阻器R1+R2的總和值定義靜態遲滯(在靜態-接通-臨限與靜態-斷開-臨限值之間的差異)；R2定義就在切換事件後之動態-斷開-臨限的遲滯值；且電容C定義從遲滯值到靜態-斷開-臨限的變遷時間。藉由以此方式來利用臨限，開關112的短暫循環被避免。甚者，具有針對於動態-斷開-臨限之高的初始值有助於防止任何電壓突波(當電容器110被耦接到DC匯流排120而可能發生)觸發開關打開。在開關112被閉合之後的時間期間，電壓突波的可能性減小，且因此，動態-斷開-臨限可減小到靜態-斷開-臨限。

在替代實施中，開關控制器108可由關於儲存在非揮發性記憶體中的非暫時處理器可執行指令(例如：軟體)之處理器(例如：微處理器)所實施。在這些替代實施中，三個臨限可為使用者可經由使用者介面及/或藉由改變數行的軟體碼而改變的參數值。這些型式的實施之另外細節是關於圖6而提出於下文。

當參考圖2A、2B與3，同時參考圖3，其為描繪可關於本文揭示實施例來詳細論述之一種方法的流程圖。在操作中，主要整流器102接收且整流AC電壓(方塊302與304)。簡單參考圖4A，圖示者是可從主要整流器102所輸出到DC匯流排120的整流AC電壓之描繪。一般技術人士將理解的是，在圖4A所繪的整流電壓可被進而濾波以從波形移除漣波。

在正常操作(例如：當AC線路電壓是在標稱操作範圍內)期間，充電器114將電容器110充電(例如：透過二極體234)，使得電容器110維持充電到約為在正常操作期間的最大匯流排電壓之電壓(方塊306)。一般技術人士將理解的是，在初始開機期間，電容器110可由單獨、專用電路所緩慢充電。

如所顯示，電壓監測器106監測AC線路電壓(例如：藉由監測經由輔助整流器230的電壓輸出236)(方塊308)，且若輔助整流器230的電壓輸出236下降為低於預先定義臨限，開關控制器108致動開關112(例如：到接通(ON)狀態)以閉合開關112，且開關112將電容器110連接到DC匯流排120，故DC匯流排120是由電容器110而不是AC線路所運作(方塊310)。

簡單參考圖4B，舉例來說，當AC線路電壓之至少一相的電壓下降，輔助整流器230的電壓輸出236亦將下降。且當輔助整流器230的電壓輸出236下降(在時間t1)到對應於在AC線路電壓下降之臨限位準(例如：靜態-接通-臨限)，開關112被閉合。且當開關112被閉合，DC匯流排120操作通向電容器110而造成在DC匯流排電壓238的跳躍，且然後DC匯流排電壓238是當電容器110正在放電時而在時間t1與t2之間緩慢下降。

當AC電壓提高到操作位準(如在時間t2之藉由輔助整流器230的電壓輸出236所指示)，開關控制器108打開開關112(例如：藉由將開關斷開(OFF))(方塊312)。當開關112被打開，電容器110是透過二極體被連接到DC匯流排120，且DC匯流排120的電壓238下降(如在時間t2所示)且然後提高到類似於輔助整流器230的電壓輸出236。

圖5描繪由主要整流器102所輸出的整流電壓238與可從開關控制器108所輸出到開關112的開關控制訊號232。如所顯示，在時間t3，響應於在輔助整流器230的電壓輸出236(未顯示於圖5)之下降，開關控制訊號232被接通，其致使開關112閉合(從時間t3到t4)；因此，電容器110被耦接到DC匯流排120，造成整流電壓238上升。如在圖5所示，從主要整流器102所輸出的整流電壓238確實在時間t3下降，但在許多實施中，由輔助整流器230的電壓輸出236被利用作為用於反饋的監測點。使用經由輔助整流器230的電壓輸出236有助益(對照於使用來自主要整流器102的整流電壓238作為用於反饋的監測點)，因為經由輔助整流器230的電壓輸出236是比來自主要整流器102的整流電壓238而較不受到電容器110所影響；因此，經由輔助整流器230的電壓輸出236提供在AC線路上的AC電壓之較準確反映。

本揭露內容的觀點可直接以硬體(例如：電壓監測邏輯206A、 206B)、以在非暫時機器可讀取媒體中所編碼的處理器可執行指令、或二者之組合來實施。參考圖6，舉例來說，圖示者是描繪可經利用以實現根據本揭露內容的說明實施例之電壓監測器106與開關控制器108的一個或多個觀點之實際構件的方塊圖。如所顯示，在此實施例中，顯示器部分912與非揮發性記憶體920被耦接到匯流排922，匯流排922亦為耦接到隨機存取記憶體(RAM,random access memory)924、處理部分(其包括N個處理構件)926、現場可程式閘陣列(FPGA,field programmable gate array)927、及其包括N個收發器的收發器構件928。雖然在圖6所描繪的構件代表實際構件，圖6並無意為詳細硬體圖；因此，在圖6所描繪的諸多構件可由共同結構或分散在另外的實際構件所實現。甚者，預期的是，其他現存與有待開發的實際構件及架構可被利用以實施有關於圖6所述的功能構件。

顯示器部分912概括操作以提供用於使用者的使用者介面，且在數個實施中，顯示器是由觸控螢幕顯示器所實現。舉例來說，顯示器部分912可被使用以控制且和開關控制器互動來建立用於打開及關掉開關112的臨限。概括而言，非揮發性記憶體920是作用為儲存(例如：持續儲存)資料與機器可讀取(例如：處理器可執行)碼(包括和實行本文所述方法有關聯的可執行碼)之非暫時記憶體。在一些實施例中，舉例來說，非揮發性記憶體920包括啟動載入程式碼、作業系統碼、檔案系統碼、與非暫時處理器可執行碼以利於本文所述方法之執行。

在諸多實施中，非揮發性記憶體920是由快閃記憶體(例如：NAND或ONENAND記憶體)所實現，但所預期的是，其他記憶體型式可同樣被利用。雖然可能執行來自非揮發性記憶體920的碼，在非揮發性記憶體中的可執行碼被典型載入到RAM 924且由處理部分926之中的N個處理構件的一者或多者所執行。

在操作中，與RAM 924有關的N個處理構件可概括操作以執行在非揮發性記憶體920中儲存的指令來實現電壓監測器106與開關控制器108的功能性。舉例來說，用以實行本文所述方法之非暫時處理器可執行指令可被持續儲存在非揮發性記憶體920中且由與RAM 924有關的N個處理構件所執行。如一般技術人士將理解，處理部分926可包括視訊處理器、數位訊號處理器(DSP,digital signal processor)、圖形處理單元(GPU,graphics processing unit)、及其他處理構件。

附加或替代而言，現場可程式閘陣列(FPGA)927可被配置以實行本文所述方法(例如：關於圖3所述的方法)之一個或多個觀點。舉例來說，非暫時FPGA配置指令可被持續儲存在非揮發性記憶體920中且由FPGA 927所存取(例如：在期間)以配置FPGA 927來實行電壓監測器106與開關控制器108的功能。

輸入構件可操作以接收指示整流電壓的電壓之訊號(例如：來自耦接到輔助整流器230的輸出之感測器)。輸出構件概括操作以提供一個或多個類比或數位訊號來實行開關控制器108的操作觀點。舉例來說，輸出部分可將開關控制訊號(DC控制訊號)傳送到開關112。

描繪的收發器構件928包括N個收發器鏈路，其可經使用以經由無線或有線網路來和外部裝置通訊。N個收發器鏈路各者可代表和特定通訊方案(例如：WiFi、乙太網路、Profibus、等等)有關聯的收發器。

揭示實施例之先前說明被提供以致使熟習此技術人士能夠作出或使用本發明。對於這些實施例之種種修改將對於熟習此技術人士為顯而易見，且本文所界定的概括原理可在未脫離本發明精神或範疇的情況下而應用到其他實施例。因此，本發明無意為受限於本文所顯示的實施例而是賦予符合本文揭示的原理與新穎特徵之最廣範疇。