阅读说明：本技术 双端子有源电感器装置 (Two-terminal active inductor device ) 是由 王怀 王浩然 于 2019-02-21 设计创作，主要内容包括：具有基于电感值输入L_I的可控电感的有源双端子电感器装置。处理器系统PRS执行算法,该算法利用连接到两个外部端子A、B的可控电开关以及固定值电感器部件L1来控制功率转换器PCV。该算法基于至少对与电感器部件L1有关的电压或电流进行的采样,控制功率转换器PCV,以在外部端子A、B上提供用于匹配电感值输入L_I的所得电感。(An active two-terminal inductor device having a controllable inductance based on an inductance value input L _ I. The processor system PRS executes an algorithm that controls the power converter PCV using controllable electrical switches connected to the two external terminals A, B and a fixed value inductor component L1. The algorithm controls the power converter PCV based on at least sampling the voltage or current related to the inductor component L1 to provide a resulting inductance on the external terminal A, B for matching the inductance value input L _ I.)

双端子有源电感器装置

技术领域

本发明涉及电力系统或电力电子系统的领域，更具体地，本发明提供了用于电力系统(例如，转换器)中的双端子有源电感器装置。与具有相同电感的传统电感器部件相比，该装置可以做得紧凑，并且电感值可以是可编程的。

背景技术

就成本、体积和重量而言，电感器是电力系统中的关键部件。电感器用于例如DC-DC、AC-DC、DC-AC转换器的开关电路、DC母线应用、在线防抖，以实现稳定性、自适应能量缓冲等。电感器通常为绕线(例如铜线)以形成线圈，因此适用于大电流和高电感的电感器会带来很大的重量。

尤其是，经常在电力(例如10W到几MW)系统中使用的高电感电感器价格昂贵、体积庞大，并且电感器经常构成功率电路总重量的重要部分。

此外，在制造过程中，每种固定电感值都需要其自己的制造生产线。可调电感器是已知的，但是在高电感值的情况下这种部件很少见。

发明内容

因此，根据以上描述，本发明的目的是提供一种紧凑、轻便、低成本的电感器装置，其能够提供可根据电感值输入而调节的高电容。此外，该装置应当优选地能够用于从低功率到高功率应用的不同功率的广泛应用中。

在第一方面，本发明提供了一种具有可控电感值输入的电感器装置，包含：

-外壳，

-包含互连的多个可控电开关的功率转换器，

-具有固定电感并电性连接至功率转换器的第一电感器部件，

-两个外部电端子，被布置为能够从外壳的外部进行外部访问，其中两个外部电端子中的至少一个连接到第一电感器部件和功率转换器，以及

-处理器系统，被布置成感测与两个外部电端子和第一电感器部件之一有关的至少一个输入电压或电流，并根据被配置为控制功率转换器的算法来处理所感测的至少一个输入电压或电流，以便在两个外部电端子之间提供与可控电感值输入相对应的所得电感。

这样的电感器装置是有利的，因为它可以被看作是具有可调电感值的有源电感器，特别是在具有自供电电路的实施方式中。其仍然可以提供在双端子封装中，因此很容易合并到现有的功率电路中，以替代具有固定电感的传统电感器部件。特别地，两个外部电端子可以被布置为具有与现有的无源电感器部件相同的相互距离(mutual distance)，从而有利于在不进一步改变的情况下更换现有部件。

电感值由处理器系统控制的事实意味着，与具有相同电感的传统无源电感器部件相比，可以在具有紧凑尺寸的外壳内获得高电感。因此，基于小的无源电感器，即第一电感器部件，可以提供从两个外部电端子处呈现的高电感，因此，与使用具有高电感的无源电感器相比，可以获得显着的重量和体积减小。

此外，电感器装置也适用于高功率应用，因为可以用最小的功率损耗来实现开关电路拓扑。

甚至进一步，电感器装置可以被配置为允许响应于两个外部电端子上的电压而在线调节所得电感。例如，如果观察到的电压或电流在阈值内，则可调电感值输入可以是标称电感值，而在电压或电流超出阈值的情况下，可以响应于电压或电流来确定所得电感。由此，可以提供响应于其中应用有该电感器装置的应用的操作条件(例如负载或阻抗匹配)的所得电感。这可以允许提高电力应用的效率，这对于具有固定电感的电感器部件是不可能的。

在下文中，将描述优选特征和实施方式。

特别地，算法被配置为提供第一电感器部件的固定电感的至少2倍，例如至少5倍，例如至少10倍的所得电感。

处理器系统可以使用数字处理器(例如数字微控制器)来实现，或者算法可以利用模拟电子电路而实现为模拟控制器。在数字处理器的情况下，处理器系统可以包含：

-采样电路，被布置为采样所感测的至少一个输入电压或电流，并相应地生成数字信号输出，

-数字处理器，被配置为执行存储在存储器中的算法，该算法被配置为响应于来自采样电路的数字信号输出来生成控制信号以控制功率转换器，从而在两个外部电端子之间提供所得电感，和

-栅极驱动电路，被布置为响应于来自处理器的控制信号来控制多个可控电开关。

优选地，外壳被配置为容纳第一电感器部件、功率转换器以及处理器系统，例如，外壳是盒形外壳，例如聚合物或金属外壳，其中两个外部电端子均布置在外壳的一侧上或布置在外壳的相应侧上。特别地，外壳进一步容纳自供电电路和/或电池。因此，提供了一种其外部类似于传统无源电感器部件的双端子有源电感器装置。至少外壳优选地用于提供电隔离。

在实施方式中，功率转换器和处理器系统可以被布置在树脂或凝胶内部，并且与第一电感器部件一起被定位在外壳内。由此，可以获得与第一电感器部件的电感相比具有增大的电感的电感器装置，并且其仍共享与传统无源电感器部件可比的外壳。

优选地，电感器装置包含自供电电路，该自供电电路被连接成以直接或间接的方式从两个外部电端子接收电力，并且转换该电力以向功率转换器和处理器系统供电。因此，电感器装置可以用作传统的双端子电感器部件，而无需额外的输入。在某些应用中，电池可以用于提供必要的电力，以作为自供电电路的替代或补充。

处理器系统、功率转换器和第一电感器部件可以布置在单个印刷电路板(PCB)上，从而提供了用于安装在紧凑外壳内部的紧凑元件。

取决于优选的应用，可以将电感器装置布置成以多种不同的方式接收可控电感值输入。在一些实施方式中，可控电感值输入作为在存储器中存储的算法中的预存储值而被提供，其中仅在电感器装置的制造期间一次性提供电感值输入。在其他实施方式中，可以以电感器装置正常操作期间的输入的形式来提供电感值输入。

在优选实施方式中，电感器装置被配置为可控电感值输入接收到存储器中。特别地，算法可包含可响应于电感值输入而被调节的可调节因子或系数。因此，由此可以将所得电感值编程至存储有算法的存储器中。特别地，所述因数或系数与所得电感值之间的预定关系可存储在存储器中，以允许电感值输入和所述因子或系数的转换。

特别地，电感器装置可以被配置为例如通过至少一个可外部可访问的电端子和/或通过无线接口从外壳的外部将可控电感值输入接收至到存储器中。这允许电感值输入在制造电感器装置之后(例如在电感器装置的正常操作期间)被键入。因此，一种电感器装置硬件可以用于不同的电感值。例如，可以使用基于数字微处理器(例如，有助于实现1GHz的无线电接口的MCU CC430^TM或CC2640^TM)的处理器获得这种无线接口，这允许对算法进行外部编程，从而也可以在制造器件或由用户在电感器装置正常操作期间无线地键入电感值输入。

可替代地，电感器装置可以被配置成通过预编程只读存储器(ROM)型存储器来接收可控电感值输入，该预编程只读存储器(ROM)至少包含指示可控电感值输入的预编程代码。这允许对电感值输入进行预编程，例如，以允许预制造包含有处理器、功率转换器和第一电感器的元件，其中可以选择ROM存储器来确定最终制造步骤中的电感器装置的所述电感。

在一些实施方式中，电感器装置被配置成利用可调装置(例如电位计等)接收可控电感值输入，该可调装置具有能够被处理器读取的多个不同设置。特别地，可调装置可以安装在至少安装有处理器系统的相同PCB上。这种可调装置允许制造一个电感器装置硬件，然后其可以例如由用户手动调节，以提供特定的所得电感。

在一些实施方式中，处理器系统(例如采样电路)被布置成感测电压或电流，例如，与两个外部电端子有关的电压或电流，或者与第一电感器部件有关的电压或电流，并相应地产生提供至处理器系统的反馈信号，其中算法被布置为响应于反馈信号来调节所得电感值。由此，例如可以响应于其中连接有该电感器装置的电路的操作条件来在线地改变电感器装置的所得电感。这可用于提高某些电力应用的效率。

特别地，第一电感器部件可以是由金属线(例如铜线)形成的线圈，例如具有至少0.1mH的固定电感，优选地具有至少1mH的固定值，例如具有1-20mH的固定值。

特别是，功率转换器的多个可控电开关可以全桥结构连接，例如，在H桥结构中包含4个可控电开关。特别地，可控电开关可以包含绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，和/或由MOSFET、GTO、IGCT形成的可控电开关，和/或包含基于碳化硅(SiC)或氮化镓(GaN)技术的的功率电开关。

功率转换器优选地包含具有固定电容的电容器部件。处理器系统可以被布置成感测所述电容器部件两端的电压以及流过第一电感器部件的电流，并且根据被配置为控制功率转换器的算法来处理所感测的电压和电流。特别地，电感器装置可以包含具有固定电感的第二电感器部件，并且其中第一电感器部件和第二电感器部件串联连接在两个外部电端子之间。电感器装置可以进一步包含具有固定电感的第三电感器部件，其中处理器系统被布置为感测流过第三电感器部件的电流，并且根据被配置为控制功率转换器的算法来处理所感测的电压和所感测的两个电流。

电感器装置可以特别地被设计成应对至少1kW，例如10-100kW或甚至1MW或更高的电功率，和/或被布置成应对两个外部电端子之间的至少100V的电压。在其他实施方式中，电感器装置可以被布置用于低功率应用，例如在LED驱动电子设备等中。

应当理解，电感器装置可以被布置成在两个外部电端子处以AC或DC电信号进行操作。对于AC和DC，硬件是相同的，但是在算法中，至少应相应地适配有一个带通滤波器，即，为DC电感提供DC分量提取，而为AC电感提供基频分量提取。

如在数字版本或模拟版本中提到的，处理器和处理器系统的相关部件可以选择为本领域技术人员已知的部件。特别地，处理器可以是具有数字存储器的数字微处理器和具有模数转换器的采样系统，例如本领域中已知的。同样，适于基于数字输入来驱动功率转换器的开关的栅极驱动电路在本领域中也是已知的。

在第二方面，本发明提供了一种功率电路，其包含根据第一方面的电感器装置。特别地，这种电力电路可以是功率转换器或整流器。甚至更具体地，电力电路可以包含二极管桥式整流器电路，例如三相二极管桥式整流器电路，电感器装置形成其中的一部分。然而，通常，电感器装置可用于各种电路中，包含应对1-100kW甚至高达几MW的高功率电路。

在第三方面，本发明提供一种用于提供可控电感值的方法，该方法包含以下步骤：

-接收指示电感值的输入，

-提供外壳

-提供包含互连的多个可控电开关的功率转换器，

-提供具有固定电感并电性连接至功率转换器的第一电感器部件，

-提供两个外部电端子，这两个外部电端子被布置成能够从外壳的外部进行外部访问，其中这两个外部电端子中的至少一个连接至第一电感器部件和功率转换器，和

-感测与两个外部电端子和第一电感器部件之一有关的至少一个输入电压或电流，和

-执行被配置为响应于所感测到的至少一个输入电压或电流来生成控制信号以控制功率转换器的算法，以便在两个外部电端子之间提供与可控电感值输入相对应的所得电感。

但是应当理解的是，相同的优点和优选的实施方式和特征适用于第二和第三方面，如第一方面中所描述的，并且这些方面可以任何方式进行组合。

附图说明

现在将参照附图更详细地描述本发明。

图1示出了电感器装置实施方式的框图，

图2示出了电感器装置实施方式的另一框图，

图3a和3b示出了功率转换器电路示例，

图4a和图4b示出了具有功率转换器电路示例的实施方式以及基于一个电压输入和两个电流输入的算法的示例，

图5a、图5b和图5c示出了表示无源和有源电感器的阻抗以及波纹比较的示例的图表，

图6示出了无源和有源电感之间电感比较的图表，

图7示出了有源电感器实施方式的示例，其中算法中的系数k允许可扩展的所得电感，

图8示出了功率损耗补偿算法的示例，

图9示出了自供电电路的示例，

图10显示了自适应可变电感算法的示例，

图11示出了使用了本发明的电感器装置的三相二极管桥式整流器电路的应用，以及

图12示出了方法实施方式的步骤。

附图示出了实现本发明的特定方式，并且不应被解释为限制落入所附权利要求书的范围内的其他可能的实施方式。

具体实施方式

图1示出了电感器装置实施方式的框图，该电感器装置被布置为接收可控电感值输入L_I。该设备被布置成在两个外部电端子A、B之间提供所得电感，使得所得电感对应于可控电感值输入L_I。

在所示的实施方式中，外壳ENC容纳以下全部部件：处理器电路PRS、具有互连的多个可控电开关的功率转换器PCV、具有固定电感的第一电感器部件L1、以及自供电电路SPC，自供电电路SPC用于基于来自外部端子A、B的输入以直接或间接的方式向外壳ENC内部的所有电力需求部件供电。由此，提供了有源双端子电感器装置，其允许响应于电感值输入L_I来调节电感值。

正如所见，具有可控电开关的功率转换器和固定电感器部件L1串联连接在两个外部电端子A、B之间。此外，自供电电路SPC也连接到端子A、B中的至少一个或以其他方式直接或间接连接到端子A、B。在所示实施方式中，处理器系统PRS包含具有相关联存储器M的数字微处理器P，控制算法存储在存储器M中。作为示例，采样电路SMP可以用于采样流过固定电感器部件L1的电流，并相应地产生提供到微处理器P的数字信号输出。采样电路SMP可采样要包含在提供到微处理器P的数字信号输出中的一个或两个额外的电流或电压。微处理器P被配置成执行存储在存储器M中的控制算法。该控制算法被配置为响应于来自采样电路SMP的数字信号输出而生成控制信号，从而经由栅极驱动电路GD控制功率转换器PCV，GD被布置成控制功率转换器PCV的多个可控电开关。由此，可以在两个外部电端子A、B之间提供所得电感。

在优选的实施方式中，存储器M中的控制算法包含可响应于电感值输入L_I而被调节的系数，以便允许两个外部电端子之间的所得电感反映电感值输入L_I。

以这种方式，可以实现具有可调电感的有源双端子电感。

可以不同的方式实现自供电电路SPC的连接，其中电力直接或间接地来自外部端子A、B。在一些实施方式中，自供电电路SPC可以连接至功率转换器PCV中的多个可控电开关之一的两个功率端子，或者，在其他实施方式中，自供电电路连接到电容器部件，并且在另外的实施方式中，自供电电路直接连接到外部端子A、B。通过经由装置的其他部件的连接也可以实现自供电电路的其他连接方式，以从端子A、B间接获得电力。

本发明基于这样的见解：与具有相同尺寸的传统电感器部件相比，处理器系统和算法允许所得电感更高且更稳定。此外，电感值输入L_I允许电感器装置具有可编程电感。这可以用于各种应用中，以提供这样一种硬件，其可以在制造后被编程为所需的电感值，或者其可以用于提供用户可编程电感器，甚至可以提供一种可以响应于例如与其外部电端子A、B有关的电压来在线调节电感的电感器。

图2以更多细节示出实施方式。在该实施方式中，功率转换器包含连接到开关电路SWC的具有固定电容的电容器部件C2和具有固定电感的第二电感器部件Lf。第一电感器L1和第二电感器Lf串联连接在两个外部电端子A、B之间。开关电路SWC跨接在第一电感器L1的两端。电容器C2连接在开关电路SWC的与电感器L1相反的一侧。

处理器系统PRS对三个输入进行采样：流过第一电感L1的电流iL1、电容器C2两端的电压VC2、和流过与开关电路SWC相关联地连接的第三电感(L3在图2中不可见)的电流iL3。然后，这三个输入iL1、iL3、VC2被用于处理器系统PRS中的控制算法中，以生成驱动信号来控制开关电路SWC的可控电开关。图中***的图表用于指示在第一电感器L1和第二电感器L3是AC或DC电感器的情况下的输入电流iL1和iL3。

图3a-3c示出了功率转换器PCV的开关电路SWC的不同的可能实施方式，即，使用四个或两个可控电开关。功率转换器PCV可以是DC/AC双向转换器。在所示的电路示例中，可以看到关于图2提及的第三电感器L3。应当理解，可以使用开关电路的更多配置，例如包含具有四个以上可控电开关的实施方式。

图4a示出了基于开关电路的功率转换器PCV的实施方式，该开关电路具有连接到第一电感器L1的来自图3a的四个开关，该第一电感器L1与第二电感器Lf串联连接在两个外部电端子A、B之间。如图所示，第三电感器L3连接到端子B之一，而第二电感器Lf连接到相对的端子A。电容器C2连接到可控电开关，并且不与外部电端子A、B直接连接。

图4b示出了用于与图4a所示的硬件配置一起使用的算法实施方式的示例，其以电流iL1、iL3和电压VC2作为输入、电流icon1是与等效电感有关的控制信号，其是通过由HPF提取的iL1谐波和系数k获得的。系数k是图4b所示的电感控制函数。M是最大为m的调制指数。在该实施方式中，可以通过改变算法(例如通过将算法重新编程到处理器系统的可写存储器中)来响应于期望的电感值控制在两个外部电端子之间的所得电感。电流icon2是与外壳ENC中的功率损耗补偿有关的控制信号，该信号是通过对VC2的DC分量进行闭环控制而获得的。icon1和icon2之和是用于iL3的参考信号。Gc(s)是iL3电流控制环路的控制器。

图5a示出的图表以作为频率的函数的幅度和相位指示下文所示的有源电感器装置实施方式与无源8mH和28mH电感器(虚线)的阻抗比较。如图所示，对于主要关注的频率范围(即，高于100Hz)，与大体积的无源电感器相比，有源电感器可获得高阻抗。

图5b和5c同样用于通过指示作为时间函数的电压和电流来比较无源电感器和有源电感器的性能。图5b显示了28mH无源电感器的结果，图5c显示了具有8mH(0.116J)储能的有源电感器的结果。系统级性能在直流母线电压、电流和交流电流方面的差异可以忽略不计，而有源电感器的储能为无源电感器的43％。

图6示出了指示与无源电感器相比有源电感器可能减小的电感的图表。图表显示了不同纹波电流率α，以及辅助电路的电流处理比β。图中显示了在辅助电路中具有不同电流处理比的无源电感器Lp和两个有源电感器设计曲线。如图所示，对于相同的工作条件，例如α＝20％，使用有源电感器可以显著降低所需的电感。因此，与无源电感器相比，有源电感器既可以改善成本，又可以改善功率密度，这两者都是功率电路中的重要参数。

图7示出了算法实施方式，其中外部电端子A、B之间的所得电感可由电感值输入Lref控制，电感值输入Lref用于确定系数k。如先前的实施方式中所示，来自硬件部件的输入是两个电流iL1、iL3和电压VC2。如图4b所示，基于输入电感值Lref确定系数k。

可变有源电感器的控制信号包含两个部分：icon1和icon2。信号icon1用于电感编程，而icon2用于内部功率损耗补偿以补偿硬件中的功率损耗。如图所示，输入电流iL1用于纹波提取，即，从DC或AC信号中提取纹波。有源电感器硬件应理解为处理器系统PRS硬件、功率转换器PCV和固定电感器部件L1和L3。

图8示出了所提及的功率损耗补偿算法部分的具体示例。

图9示出了自供电电路SPC的具体示例，自供电电路SPC用于基于来自外部电端子A、B的电输入来向电感器装置的所有电力需求电路提供电力，即，这里示出为连接到功率转换器中的多个可控电开关之一的两个功率端子(例如，MOSFET的两个功率端子)的电路。

图10示出了算法实施方式，其中所得电感在正常操作期间是在线可调的，例如，适应负载条件以达到指定的电流纹波比αi。例如，当负载增加时，如果电感恒定，则纹波会更大。但是，基于可变电感器装置，电感适应于变得更大的负载，以针对不同的负载保持相同的电流纹波比。仍然可以看出，如先前实施方式中那样，该算法基于三个输入iL1、iL3和VC2。纹波提取基于带通滤波器GBPF1、GBPF2。

电流纹波比函数k为：

图11示出了三相二极管桥式整流器电路的具体示例，其中电感器装置A_L用作电感器。RL表示负载。

图12示出了用于提供可控电感值的方法的实施方式的步骤。该方法包含：接收R_L_I指示电感值的输入，例如，用户期望的电感输入。该方法包含：提供P_ENC外壳，提供P_PCV包含互连的多个可控电开关的功率转换器，提供P_L1具有固定电感并电性连接至功率转换器的第一电感器部件，提供P_A_B两个外部电端子，这两个外部电端子被设置为能够从外壳的外部进行外部访问，其中这两个外部电端子中的至少一个连接到第一电感器部件和功率转换器。利用这些硬件部件，该方法还包含感测(例如采样)S_iL1流过第一电感器部件的至少一个输入电流，以及执行E_AL算法(优选在处理器系统上执行)，其中该算法被配置为响应于所感测的输入电流来生成控制功率转换器的控制信号，以便在两个外部电端子之间提供对应于可控电感值输入的所得电感。

通常，根据本发明的电感器装置可广泛应用于功率电路设计，例如可再生能源。具体的应用示例包含：风力发电机功率转换器、光伏逆变器、高压直流(HVDC)中的模块化多电平转换器的直流母线、以及电机驱动的直流母线。

综上所述：本发明提供了一种具有基于电感值输入L_I的可控电容的有源双端子电感器件装置。处理器系统PRS执行算法，该算法利用连接到两个外部端子A、B的可控电开关以及固定值电感器部件L1来控制功率转换器PCV。基于至少对与电感器部件L1有关的电压或电流进行采样，该算法控制功率转换器PCV，以在外部端子A、B上提供用于匹配电感值输入L_I的所得电感。

尽管已经结合指定的实施方式描述了本发明，但是不应以任何方式将其解释为限于所呈现的示例。本发明的范围将根据所附的权利要求书来解释。在权利要求的上下文中，术语“包含”不排除其他可能的元件或步骤。并且，提及诸如“一个”或“一者”等的引述不应被解释为排除多个。权利要求中关于附图中指示的元件的参考标记的使用也不应被解释为限制本发明的范围。此外，可以将不同权利要求中提到的各个特征有利地组合。