高频串联ac调压器的制造方法
【专利说明】局频串联AG调压裔
[0001 ]版权声明
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[0003]优先权要求:
[0004]本申请案依据35U.S.C.§119要求以下美国临时申请案的优先权:2013年10月28日提交的第61/896,635号、2013年10月28日提交的第61/896,639号、2013年11月26日提交的第61/908,763号、2013年12月10日提交的第61/913,932号、2013年12月10日提交的第61/913，934号和2013年12月10日提交的第61/913，935号，于2014年6月3日提交的美国临时专利申请号62/006，900，2014年6月3日提交的美国临时专利申请号62/006，901，2014年6月3日提交的美国临时专利申请号62/006,906，所述申请案的全部内容是以引用方式并入本文。
技术领域
[0005]本发明涉及电源电路。具体地，本发明涉及用于调节交流(AC)电压的方法及电源电路，并且更具体地，涉及无论输入AC电压如何变化而将输出AC电压调节至所需的电平。
【背景技术】
[0006]AC调压器用于严密地控制并调节传递到与AC调压器的输出连接的负载的AC电压电平，无论在AC调压器的输入端的AC电压如何变化。
[0007]传统上，这已经通过各种低频(LF)(通常为50Hz或60Hz)电源磁结构来完成。在各种变压器和变压器配置中，这些结构通常在特定离散变压器电压抽头进行抽头。然而，所有这些结构依赖于传统的AC开关装置，如，继电器或半导体装置，如，可控硅整流器(SCR)或作为反并联AC开关连接的门极可关断晶闸管(GTO)，三端双向可控硅开关元件(TRIAC)、AC开关，如，绝缘栅双极晶体管(IGBT)、M0SFET晶体管和配置为AC开关的SCR，例如连接在整流器之间。这些AC开关由电子控制电路进行选择并激活以自动切换所选择的磁性变压器结构抽头，继而调整变压器或变压器配置的匝数比以控制AC输出电压尽可能靠近所需的电平。
[0008]另一种调节输出AC电压的传统方法是使用由电气机械装置(如受控电机)驱动的电-机械调整的自耦变压器。在这种情况下电子控制感测输入电压，且然后驱动电-机械装置以移动输出触点从而调整自耦变压器的匝数，继而设置正确的匝数比以固定输出AC电压为所需的电平。这些电-机械调整的自耦变压器装置也是LF磁性结构，通常为50Hz或60Hz，并且通常使用碳刷使电触点移动到自耦变压器绕组。然而，这些碳刷经历机械磨损，使得它们需要频繁的维护和更换。
[0009]一种更复杂的全电子版本再次利用LF电源变压器，通常为50Hz或60Hz，其串联在调压器的AC输入和AC输出之间。当输入AC电压电平发生变化，AC调压器电子控制感测输入电压电平，然后建立同相正或同相负AC电压差并加到变化的输入AC电压上或从其中减去，以维持输出AC电压在所需的设置电平。这种传统的方式，在其各种形式中，仍然使用LF电源频率变压器或LF磁性结构，通常为50Hz或60Hz。在一种配置中，电源电路产生LF电源频率以通过HF脉宽调制(HF PffM)设备校正输入AC电压，并且调整输入AC电源电压的此同相校正电压施加在LF变压器的初级，而LF变压器的次级串联在AC电源线的输入与输出之间。但仍然是在这些配置中使用的磁性结构，即使电源电路在更高的PWM频率工作，最终微分AC波形仍然施加在LF串联变压器，通常为50Hz或60Hz，因此LF变压器或磁性结构仍然存在尺寸和重量方面的缺点。
[0010]美国专利号5，747，972中公开了一种串联AC调压方法。此专利公开了一种仅使用简单电压极性控制的具体方法，这是有限且简单的控制方法。它还描述了在零电压交叉点周围的低AC输入电压正和负电平通过仅使用简单电压极性控制方法而导致的功率半导体器件的控制开关状态的限制。为了解决这个问题，在零电压交叉点周围的这种不确定的低正或负输入电压电平范围中仅使用简单电压极性控制方法，由于低的过零AC输入电压而导致实际输入电压极性的模糊确定，因此在AC输入电压零交叉点的这些低正或负电压电平下的功率半导体的PWM开关序列的状态也模糊确定。该“972专利”公开了在低于正^和负-13.65、14.5以及17.65、18.5、18.10的输入AC电压极性不确定的低电压电平状态。因此，通过短时间(例如，如所公开的13.65微秒)开启所有功率半导体开关装置而产生异常开关序列。这引起使输入AC电源短路的功率半导体“击穿”，会造成半导体功率装置的恶化或破坏性损坏。“击穿”作为非常严重的情况(是功率半导体必须避免的)，是在电子行业非常清楚地理解的术语，并且工程师总是慎重地关注“击穿”，因为其对功率半导体有恶化和破坏性影响。
[0011]“972专利”中清楚地教导了前述问题，但是表面上看取决于零交叉附近的正和负AC输入电压点处的实际低AC输入电压，以及功率半导体导电电压的高电压特性。“972专利”教导了创建故意击穿PWM开关序列状态(13.65、14.5和17.65、18.5、18.10)。因此，由于使用AC输入电压极性控制的限制，“972专利”尝试通过实际产生使AC输入电压源实际短路的功率半导体开关装置的故意“击穿”状态来解决这个问题。这是关键的折衷，尤其是在具有非常低的导通电阻并且取决于AC输入电源的低电源电阻或半导体功率开关附近的电路电容的现代功率半导体器件的情况中尤其如此。此外，“击穿”还能够产生不利地影响操作性能的功率电感器中的无法定义的失控的电流导引。因此，美国专利号5，747，972中公开的串联AC电压调节方法具有严重缺陷。
【发明内容】
[0012]本发明的一个目的是提供一种改进的控制方法，以克服美国专利号5，747，972及其它现有技术公开的仅使用简单电压极性控制存在的潜在操作问题。本发明克服了在使用串联低电源频率(通常为50Hz或60Hz)大而重的磁性结构的现有的传统方式的缺点。由于磁芯的尺寸大多与其操作频率成反比，所以本发明以此作为中心设计参数。所以本发明的另一个目的是实现独特高效且健壮的直接AC-AC双向功率流高频(HF)AC串联调压器拓扑结构，其利用显著减小这些磁性结构的尺寸、重量和成本的HF(例如，IKHz至100KHz)串联磁性结构。
[0013]由于HFAC串联调压器通常连接至高AC电压配电和电力网，并且利用功率半导体切换这些高压，所以在指明甚至更明显地是使这些功率半导体的电压击穿(breakdown)降额时必须极为小心。因此必须极为小心地布署HF AC串联调压器，尤其是在这些功率半导体的脉宽调制(PWM)控制中以及与功率半导体连接的功率电感器的操作条件下。例如，参见图la、图1(b)和图2(功率电感器L3、功率电感器L8、功率电感器L3和L4)。
[0014]这些功率半导体必须不出现破坏性“击穿”和高压，尤其是在HVM控制方法不能定义并且失去控制功率半导体开关换流状态的某些操作条件下，或美国专利号US 5,747,972中公开的条件下，其中在控制开关序列中故意产生潜在危险性“击穿”以解决仅使用AC输入电压极性用于PWM开关序列控制的问题。
[0015]还存在HFAC串联调压器效率和健壮性的关键折衷，这些无法通过简单选择安全的高的功率半导体击穿(breakdown)电压或高导通电压来解决，如美国专利号US 5，747，972中所要求的。
[0016]—般而言，对于任何功率半导体器件，击穿(breakdown)电压越高，则导通和切换损耗越大，因此功率半导体器件中的损耗和功耗越高，功率半导体器件和整个HF AC串联调压器产品的效率更低且产生的热量更高。通过本发明，在半导体功率装置的PWM开关序列中不会出现“击穿” PWM状态。
[0017]本发明关键性地去除了重要折衷，允许正常击穿(breakdown)电压并且使用被安全地指定用于功率半导体器件的现代低导通电阻的功率半导体器件的低导通电压，因此功率半导体器件安全地操作、损耗更低、产生的热量更少，并且提高HF串联调压器的效率。另夕卜，与前述仅简单电压极性方法不同操作的PWM控制方法中的复杂度(sophisticat1n)的显著增加，进一步驱动对本发明的需求。
【附图说明】
[0018]以下参照附图更详细地描述本发明的实施方案，其中:
[0019]图1a描述了具有双向AC半导体的HFAC串联降压转换器的实施方案的电路图；
[0020]图1b描述了具有双向AC半导体的HFAC串联升压转换器的另一个实施方案的电路图；
[0021]图2描述了HFAC串联降压-升压调压器的实施方案的电路图；
[0022]图3a描述了降压开关控制电路的实施方案的示意图；以及
[0023]图3b示出了图3a所示的降压开关换向序列的降压允许状态的逻辑开关的逻辑表。
【具体实施方式】
[0024]在以下描述中，作为优选实例阐述了用于调节输出AC电压至所需的电平(无论输入AC电压如何变化)的方法、系统和仪器。本