阅读说明：本技术 双端子有源电容器装置 (Two-terminal active capacitor device ) 是由 王怀 王浩然 弗雷德·布拉布杰格 于 2019-02-21 设计创作，主要内容包括：具有基于电容值输入C_I的可控电容的有源双端子电容器装置。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容器部件C1来控制功率转换器PCV。基于至少对电容器部件C1的两端电压的采样,该算法控制功率转换器PCV,以在外部端子A、B上提供用于匹配电容值输入C_I的所得电容。(An active two-terminal capacitor device having a controllable capacitance based on a capacitance value input C _ 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 capacitor component C1. Based on at least the sampling of the voltage across capacitor component C1, the algorithm controls power converter PCV to provide a resulting capacitance on external terminal A, B for matching capacitance value input C _ I.)

双端子有源电容器装置

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电子系统(例如，转换器)中的双端子有源电容器装置。与具有相同电容的传统电容器部件相比，该装置可以做得紧凑，并且电容值可以是可编程的。

背景技术

就成本、体积和长期可靠性而言，电容器通常是电力系统中的关键部件。电容器用于例如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。

尤其是，经常在电力(例如10W到几MW)系统中使用的高电容电解电容器价格昂贵、体积庞大，并且众所周知的是，其电容会随时间(年)而变化。

此外，在制造过程中，每个固定电容值需要其自己的制造生产线。可调电容器是已知的，但是在高电容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且低成本的电容器装置，其能够提供可根据电容值输入而调节的高电容。此外，该装置应当优选地能够用于以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，本发明内容提供了一种具有可控电容值输入的电容器装置，包含：

-外壳，

-包含互连的多个可控电开关的功率转换器，

-具有固定电容并电性连接至功率转换器的第一电容器部件，

-两个外部电端子，其被布置成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至第一电容器部件和功率转换器，以及

-处理器系统，布置成感测与两个外部电端子和第一电容器部件之一有关的至少一个输入电压，并根据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，以便在两个外部电端子之间提供对应于可控电容值输入的所得电容。

这样的电容器装置是有利的，因为它可以被看作是具有可调电容值的有源电容器，尤其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，以替代具有固定电容的传统电容器部件。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容器部件相同的相互距离(mutual distance)，从而有利于在不进行进一步改变的情况下更换现有部件。本发明内容适用于低功率应用，例如LED驱动电子设备，并也适用于kW或MW范围内的高功率应用。

电容值由处理器系统控制的事实意味着，与具有相同电容的传统无源电容器部件相比，可以在具有紧凑尺寸的外壳内获得高电容。此外，处理器控制的电容意味着，即使第一电容器部件的电容随时间改变，也可以长时间(例如+10或+20年)保持相同的电容。

此外，该电容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，电容器装置可以被配置为允许响应于两个外部电端子之间的电压来在线调节所得电容。例如，如果观察到的电压在阈值内，则可调电容值输入可以是标称电容值，而在电压超出阈值的情况下，可以响应于该电压来确定所得电容。因此，能够提供响应于其中应用有该电容器装置的应用的操作条件(例如负载或阻抗匹配)的所得电容。这可以允许提高电力应用的效率，这对于具有固定电容的电容器部件是不可能的。

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容器部件的固定电容的至少2倍，例如至少5倍，例如至少10倍的所得电容。

可以利用数字处理器(例如，数字微控制器)来实现处理器系统，或者可以通过模拟电子电路将算法实现为模拟控制器。在数字处理器的情况下，处理器系统可以包含：

-采样电路，用于采样所感测的至少一个输入电压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，该算法被配置成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容，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容器部件、功率转换器和处理器系统，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，外壳进一步容纳有自供电电路和/或电池。因此，提供了一种其外部类似于传统无源电容器部件的双端子有源电容器装置。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被定位在第一电容器部件的壳体内。因此，可以获得与第一电容器部件的电容相比具有增大电容的电容器装置，并且仍然与第一电容器部件共享相同外壳。

优选地，电容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，电容器装置可用作传统的双端子电容器部件，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容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，电容器装置可被布置成以多种不同的方式接收可控电容值输入。在一些实施方式中，可控电容值输入作为存储在存储器中的算法中的预存储值而被提供，其中仅在电容器装置的制造期间一次性提供电容值输入。在其他实施方式中，可以以电容器装置正常操作期间的输入的形式来提供电容值输入。

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

特别地，电容器装置可以被配置为例如通过至少一个可外部访问的电端子和/或通过无线接口从外壳的外部将可控电容值输入接收至所述存储器中。这允许电容值输入在制造电容装置之后(例如电容器装置的正常操作期间)被键入。因此，一个电容器装置硬件可以用于不同的电容值。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，从而也可以在制造期间或由用户在电容器装置的正常操作期间无线地键入电容值输入。

可替代地，电容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容值输入，该预编程只读存储器(ROM)型存储器至少包含指示可控电容值输入的预编程代码。这允许对电容值输入进行预编程，例如，以允许预制造包含处理器、功率转换器和第一电容器的元件，其中可以选择ROM存储器来确定最终制造步骤中的电容器装置的所得电容。

在一些实施方式中，电容器装置被配置成通过可调装置(例如电位计等)接收可控电容值输入，该可调装置具有可被处理器读取的多个不同设置。特别地，可调设备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容器装置硬件，然后其可以例如由用户手动调节，以提供特定的所得电容。

在一些实施方式中，采样电路被布置为对电压(例如，两个外部电端子之间的电压或第一电容器部件两端的电压)进行采样，并相应地生成提供至处理器的数字反馈信号，其中所述算法被布置为响应于所述数字反馈信号来调节所得电容值。由此，例如可以响应于其中连接有该电容器装置的电路的操作条件来在线地改变电容器装置的所得电容。这可用于提高某些电力应用的效率。

特别是，电容器部件可以是电解电容器，例如具有至少1μF的固定电容，或例如具有至少10μF的固定电容。可替代地，电容器部件可以是薄膜电容器或陶瓷电容器，然而其他替代方案也是可行的。

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第二电容器部件。特别地，采样电路被布置为采样第一电容器部件两端的第一输入电压和第二电容器部件两端的第二输入电压，并相应地生成数字信号输出。特别地，功率转换器可以包含具有固定电容的第三电容器部件，并且其中第一电容器部件和第三电容器部件串联连接在两个外部电端子之间。

电容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，电容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，电容器装置可以被布置为在两个外部电端子处以AC或DC电信号运行。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电容器提供DC分量提取，而为AC电容器提供基频分量提取。

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，本发明内容提供了一种功率电路，其包含根据第一方面的电容器装置。特别地，这种功率电路可以是功率转换器或整流器。然而，通常，电容器装置可以用于各种电路中，包含应对1-100kW甚至高达几MW的高功率电路。

在第三方面，本发明内容提供一种用于提供可控电容值的方法，该方法包含以下步骤：

-接收指示电容值的输入，

-提供外壳，

-提供包含互连的多个可控电开关的功率转换器，

-提供第一电容器部件，该第一电容器部件具有固定电容且电性连接至功率转换器，

-提供两个外部电端子，其布置成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容器部件和所述功率转换器，和

-感测与两个外部电端子和第一电容器部件之一有关的至少一个输入电压，和

-执行被配置为响应于所感测的至少一个输入电压而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对应于可控电容值输入的所得电容。

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内容。

图1示出了电容器装置实施方式的框图，

图2示出了电容器装置实施方式的另一框图，

图3a、3b和3c示出了功率转换器电路示例，

图4a和图4b示出了具有可调系数k的算法的示例和示出k与所得电容之间的关系的曲线图，

图5a和5b示出了指示特定实施方式的性能的曲线图，

图6显示了将电容值输入实现为固定值的算法的示例，

图7示出了功率损耗补偿算法的示例，

图8示出了自供电电路的示例，

图9显示了具有在线可变电容的算法的示例，

图10示出了使用本发明内容的电容器装置的整流器电路的应用，

图11示出了电容器装置实施方式和仅具有十分之一的电容的传统电容器部件的尺寸示例，并且

图12示出了方法实施方式的步骤。

附图示出了实现本发明内容的特定方式，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示出了电容器装置实施方式的框图，该电容器装置实施方式被布置为接收可控电容值输入C_I。该装置被布置为在两个外部电端子A、B之间提供所得电容，使得所得电容对应于可控电容值输入C_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、具有多个互连可控电开关的功率转换器PCV、具有固定电容的第一电容器部件C1、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容器装置，其允许响应于电容值输入C_I来调节其电容。

正如所见，具有在H桥结构中的四个可控电开关的功率转换器、固定电容器部件C1串联连接在两个外部电端子A、B之间。此外，自供电电路SPC还连接到端子A、B中的至少一个，或者以其他方式直接或间接地连接到端子A、B。在所示的实施方式中，处理器系统包含具有相关联存储器M的数字微处理器P，存储器M中存储有控制算法。作为一个示例，采样电路SMP可以用于采样固定电容器部件C1两端的电压，并相应地生成提供到微处理器P的数字信号输出。采样电路可以采样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另外的电压。微处理器被配置为执行存储在存储器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的数字信号输出而产生控制信号以控制功率转换器PCV，从而在两个外部电端子A、B之间提供所得电容。布置有栅极驱动电路GD，以响应于来自处理器P的控制信号来控制功率转换器PCV的多个可控电开关SWC。

在优选实施方式中，存储器M中的控制算法包含可响应于电容值输入C_I而被调节的系数，以允许两个外部电端子之间的所得电容反映电容值输入C_I。

以这种方式，可以实现具有可调电容的有源双端子电容器。

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容器部件相比，处理器系统和算法允许所得电容更高且更稳定。此外，电容值输入C_I允许电容器装置具有可编程电容。这可以用于各种应用中，以提供这样一种硬件，该硬件可以在制造后被编程为所需的电容值，或者其可以用于提供用户可编程电容器，或甚至可以提供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其电容的电容器。

图2以更多细节示出实施方式。在本实施方式中，功率转换器包含第二电容器C2和第三电容器C3，两者具有固定电容。第一和第三电容器C1、C3被视为串联连接在两个外部电端子A、B之间。具有可控电开关的开关电路SWC跨接在第三电容器C3上。第二电容器C2连接开关电路SWC的与第三电容器相反的一侧。

处理器系统PRS对两个电压进行采样：第一电容器C1两端的电压VC1和第二电容器C2两端的电压VC2，然后将这些电压VC1、VC2用于处理器系统PRS中的控制算法，以生成驱动信号以控制开关电路SWC中的可控电开关。在C1和C3是AC或DC电容器的情况下，使用图表来指示它们两端的电压。

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、两个或六个开关。功率转换器PCV可以是DC/AC或DC/DC转换器。

图4a示出了算法实施方式的示例，将电压VC1、VC2作为输入，如图2所示。Vcon1是与等效电容有关的控制信号，该信号是从通过高通滤波器HPF提取的VC1的谐波和系数k获得的。在该算法中，可以基于系数k调节所得电容，因此可以响应于电容值输入C_I来更改k，以允许电容值输入C_I调节所得电容。缩放因子α是来自电容器部件C1的两端电压的调节反馈信号和VC1之间的比率。Vcon2是与外壳ENC内的功率损耗补偿相关的控制信号，该信号是从VC2的DC分量的闭环控制中获得的。

图4b示出了用于说明具体实施例的曲线图，该曲线图示出了可变系数k与以μF为单位的所得电容之间的关系。可以看出，系数k与所得电容之间存在高度非线性的转换。需要对此进行补偿，以便将电容值输入C_I转换为将导致匹配的所得电容的系数k。

对于特定示例，图5a以幅度和相位作为频率的函数示出了表示电容器装置的特定实施方式(虚线)和具有固定电容的无源电容器部件之间的阻抗匹配。正如所见，至少在100Hz至100kHz的频率范围内，阻抗匹配良好。

图5b示出的曲线图表示电容器装置(有源电容器)和无源电容器上的电压作为时间的函数的模拟结果。如图所示，基于相同的电容器装置硬件，可以在191-1149μF之间改变所得电容。这表明，能够制造一个硬件部件并用所需的电容值输入C_I对电容器装置进行编程，以在较宽的电容范围内获得所得电容。

图6示出了另一算法实施方式，其同样基于电压输入VC1、VC2。此处，电容值输入Cref应用至以下电容控制函数：

此处，M是调制指数，其是图4a中m的最大值，并且Vtric是PWM三角信号的幅度。比率a是来自电容器部件C2两端电压的调节反馈信号和VC2之间的比率。

可变有源电容器的控制信号包含两部分：Vcon1和Vcon2。Vcon1用于电容编程，Vcon2用于内部功率损耗补偿，以补偿硬件中的功率损耗。该控制框图未指定用于电容编程的反馈Vcon1的位置，因为它可以以不同的方式实现。

此外，纹波提取用于从DC或AC信号中提取纹波。有源电容器硬件应理解为处理器系统PRS硬件、功率转换器PCV和固定电容器部件C1。

图7示出了所提及的功率损耗补偿算法部分的具体示例。

图8示出了自供电电路SPC的具体示例，用于基于来自外部电端子A、B的电输入向电容器装置的所有电力需求电路提供电力。这里，自供电电路SPC被实现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9示出了算法实施方式，其中所得电容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压纹波比。例如，当负载增加时，如果电容恒定，则纹波会更大。然而，基于可变电容器装置，电容将适应于变得更大的负载，以便针对不同的负载保持相同的电压纹波比。可以看出，该算法仍然基于两个电压VC1、VC2作为输入。

电压纹波比函数为：

这里也参考关于图6给出的以上公式。

图10示出了单相整流器电路的具体示例，其中电容器装置(有源电容器)用作DC母线。

图11显示了一个大体积的50mm高盒形无源电容器部件(顶部)，以及带有硬件部件的PCB(底部)，该硬件部件与电容器部件具有相同的基本面积但高度几乎只有的1/5。电容器装置仍然可以提供高达无源电容器部件的10倍的电容值。

图12示出了用于提供可控电容值的方法的实施方式的步骤。该方法包含：接收R_C_1指示电容值的输入，例如，由用户输入的期望电容。该方法包含：提供P_ENC外壳；提供P_PCV功率转换器，该功率转换器包含多个互连可控电开关；提供P_C1具有固定电容的第一电容器部件，并且该第一电容器部件电性连接到功率转换器；提供P_A_B两个外部电端子，这两个外部电端子被设置成能够以从外壳的外部进行外部访问，其中这两个外部电端子的至少一个连接到第一电容器部件和功率转换器。利用这些硬件部件，该方法还包含：采样S_VC1与两个外部电端子和第一电容器部件之一有关的至少一个输入电压；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采样的至少一个输入电压来产生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容值输入的所得电容。

通常，根据本发明内容的电容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容值输入C_I的可控电容的有源双端子电容器装置。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容器部件C1来控制功率转换器PCV。基于至少对电容器部件C1的两端电压的采样，该算法控制功率转换器PCV，以在外部端子A、B上提供用于匹配电容值输入C_I的所得电容。

尽管已经结合指定的实施方式描述了本发明内容，但是不应以任何方式将其解释为限于所呈现的示例。本发明内容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内容的范围。此外，可以将不同权利要求中提到的各个特征有利地组合。