阅读说明：本技术 用于使在具有一个或多个被切换的电抗性负载的电源中的逆变器的峰值功率需求最小化的设备 (Apparatus for minimizing peak power requirements of an inverter in a power supply having one or more switched reactive loads ) 是由 简.卡罗.特冼拿.萨帕塔 尼尔·乔治·斯图尔特 于 2018-04-26 设计创作，主要内容包括：提供了一种用于使具有一个或多个被切换的电抗性负载的电源中的逆变器上的峰值功率需求最小化的设备,该设备包括与逆变器并联连接的AC半导体旁路开关和旁路控制。旁路控制包括滤波器,用于从被切换的电抗性负载中选择具有特定频率的负载电流信号；信号处理器,用于将所选择的负载电流信号采样并转换到频域以识别所选择的负载电流信号的频率分量；幅度检测器,用于检测所选择的负载电流信号的已识别的频率分量的峰值电流幅度；以及一个旁路驱动器。(An apparatus for minimizing peak power requirements on an inverter in a power supply having one or more switched reactive loads is provided, the apparatus comprising an AC semiconductor bypass switch connected in parallel with the inverter and a bypass control. The bypass control includes a filter for selecting a load current signal having a particular frequency from the switched reactive loads; a signal processor for sampling and converting the selected load current signal to the frequency domain to identify frequency components of the selected load current signal; an amplitude detector for detecting a peak current amplitude of the identified frequency component of the selected load current signal; and a bypass driver.)

用于使在具有一个或多个被切换的电抗性负载的电源中的逆 变器的峰值功率需求最小化的设备

相关专利和专利申请的交叉引用

本申请根据巴黎公约要求2017年4月27日提交的美国临时专利申请第62/491,242号的优先权，其全部公开内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明总体上涉及利用逆变器功率半导体来处理到负载的总峰值功率的电子AC-AC串联电压调节拓扑。特别地，本发明涉及在具有一个或多个被切换的电抗性负载的电源中使逆变器上的峰值功率需求最小化。

背景技术

AC电压调节器用于严密控制和调节输送到与AC电压调节器的输出相连的负载的AC电压电平，而不管AC电压调节器的输入处的AC电压变化。电子AC-AC串联稳压结构可以是任何“直接”拓扑，以使得逆变器功率半导体必须处理负载的总峰值功率，也可以是利用仅处理总输出功率的一部分的低频变压器(该低频变压器可以是选自国际专利申请第PCT/B2017/055260号中公开的那些低频变压器，其公开内容通过引用并入本文)的任何“间接”电子AC-AC电压调节拓扑。通常，AC电压调节器会利用逆变器功率半导体器件来处理负载的总峰值功率。但是，逆变器功率半导体器件固有的有限功率处理能力可能会导致电子AC-AC串联电压调节出现问题。众所周知，小型功率半导体管芯片具有的有限的临界热耗散，因此小型半导体管芯片只能处理由被切换的电抗性负载而引起的有限峰值幅度的电流瞬变。特别是，当逆变器功率半导体器件连接到具有高和非常高的瞬时峰值功率电流的被切换的电抗性负载时，可能会触发不必要和麻烦的旁路操作。因此，逆变器功率半导体器件必须设计和指定具有更大的功率处理能力，甚至超过指定的功率，以处理高峰值功率瞬变，并且通常使用比理想所需功率更大的功率半导体器件来处理较低RMS或平均负载功率。

图1示出了根据现有技术示例的具有标准传统旁路的通用电子AC-AC串联电压调节器，该标准传统旁路通常包括半导体旁路开关，机械继电器或接触器旁路，用于保护经受高峰值电流的逆变器功率半导体器件。半导体旁路开关可以是快速开关AC半导体设备(例如TRIAC或SCR)，其可以是反向的或具有与较慢的机械继电器或接触器的触点并联连接的整流桥。这样，传统旁路可以与快速的AC功率半导体以及较慢的机械继电器或接触器一起用作快速的保护旁路。电流幅度检测器用于检测来自负载电流传感器的瞬态峰值电流幅度，旁路驱动器用于触发传统旁路。

被切换的负载可以包括电阻性(R)负载和包括电容性(C)和/或电感性(L)元件的电抗性负载。图5示出了在实现如图1所示的装置之后的逆变器电流波形。当电抗性负载被切换到逆变器时，仅持续了几微秒或毫秒的负载电流的瞬时高峰值可能会引起非常高(达到115.1Amps)的瞬时逆变器电流峰值，超过了保护电流幅度检测器预设的电流保护水平，从而不必要地触发了传统旁路。这可能会导致干扰性的旁路操作，从而导致烦扰的照明闪烁，甚至造成破坏性的电压波动。因此，对逆变器功率半导体器件的功率需求是不仅要处理由电阻性负载耗散的平均功率或RMS功率，而且还要处理由电抗性负载引起的高幅度瞬时电流峰值。因此，为了在不触发旁路的情况下保持稳压输出，逆变器功率半导体器件通常具有相当大的尺寸，甚至超过规定尺寸。

发明内容

本发明的一个目的是直接减轻或消除逆变器功率半导体器件的有限峰值功率处理能力的关键的工业固有问题。根据本发明的一个方面，提供了一种用于使在具有一个或多个被切换的电抗性负载的电源中的逆变器上的峰值功率需求最小化的设备，该设备包括与逆变器并联连接的AC半导体旁路开关和旁路控制。该旁路控制包括：一个或多个滤波器，用于从被切换的电抗性负载中选择具有特定相关频率的一个或多个负载电流信号；以及信号处理器，用于将所选择的负载电流信号采样并转换到频域，以识别所选择的负载电流信号的频率分量；幅度检测器，用于检测所选择的负载电流信号的已识别的频率分量的峰值电流幅度；以及用于驱动AC半导体旁路开关的旁路驱动器，其被配置为将瞬态负载电流从逆变器转移以进行过流保护，或者充当有源控制的电流源以提供所需大小的瞬态负载电流。

附图说明

以下参考附图更详细地描述本发明的实施例，其中

图1描绘了根据现有技术示例的具有标准传统旁路的通用电子AC-AC串联电压调节器。

图2描绘了根据本发明的一个实施例的用于使具有一个或多个被切换的电抗性负载的电源中的逆变器上的峰值功率需求最小化的设备；其中，AC半导体旁路开关被配置为将瞬态负载电流从所述逆变器转移，以进行过流保护。

图3描绘了根据本发明的一个实施例的用于使具有一个或多个被切换的电抗性负载的电源中的逆变器上的峰值功率需求最小化的另一种设备；其中，AC半导体旁路开关被配置为充当有源控制的电流源，以提供所需大小的瞬态负载电流。

图4描绘了根据本发明的一个实施例的用于使具有一个或多个被切换的电抗性负载的电源中的逆变器上的峰值功率需求最小化的另一装置；

图5示出了在实现如图1所示的装置之后的逆变器电流波形。

图6示出了在实现如图2所示的装置之后的逆变器电流波形。

图7示出了在实现如图3所示的装置之后的逆变器电流波形。

具体实施方式

在下面的描述中，作为优选示例，提出了用于使在AC-AC串联电压调节拓扑中具有一个或多个被切换的电抗性负载的电源中的逆变器的峰值功率需求最小化的方法，系统和装置等。对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可以进行包括增加和/或替换的修改。为了避免使本发明不清楚，可以省略具体细节。然而，本公开内容的撰写是为了使本领域技术人员能够在不进行过度实验的情况下实践本文的教导。

图2示出了根据本发明的一个实施例的用于使在具有一个或多个被切换的电抗性负载的电源中的逆变器上的峰值功率需求最小化的设备。该设备包括与逆变器并联连接的AC半导体旁路开关；和旁路控制。AC半导体旁路开关可以是反向的或具有与较慢的机械继电器或接触器的触点并联连接的整流桥的快速开关AC半导体设备(例如TRIACS或SCR)的之一。该AC半导体旁路开关可以包括一个或多个反向IGBT，FET，BJT或结合了IGBT，FET，BJT整流器桥结构中的单极器件，如在PCT/IB2017/055260中公开的那样，其公开内容通过引用并入本文。

该旁路控制可以包括一个或多个滤波器，用于从被切换的电抗性负载中选择具有特定相关频率的一个或多个负载电流信号。该滤波器可以包括用于过滤和选择高频瞬变负载电流信号的高通滤波器和用于过滤和选择低频瞬变负载电流信号的低通滤波器。

该旁路控制还可以包括信号处理器，用于对所选择的负载电流信号进行采样并将其变换到频域中，以识别所选择的负载电流信号的频率分量。优选地，该信号处理器可以使用傅立叶变换方法来对经滤波和所选择的负载电流信号进行采样和变换到频域中。

该旁路控制可以进一步包括幅度检测器，该幅度检测器用于检测所选择的负载电流信号的已识别的频率分量的峰值电流幅度。当检测到的瞬态峰值电流超过预设的保护电流水平时，该电流幅度检测器将驱动旁路驱动器以触发该传统旁路。

该旁路控制还可包括数字或模拟比较器，用于将所选择的负载电流信号的已识别的频率分量的被检测到的峰值电流幅度与一个或多个参考值进行比较，以保护AC-AC串联调节器的逆变器功率半导体器件。

该旁路控制还可以包括旁路驱动器，当所选择的负载电流信号的已识别频率分量的被检测到的峰值电流幅度中的任何一个高于其各自的参考值时，该旁路驱动器用于驱动AC半导体旁路开关以旁路所选择的负载电流。优选地，该旁路驱动器可以包括比例-积分-微分(PID)误差放大器，用于调节AC半导体旁路开关的驱动信号。

如图2所示，该AC半导体旁路开关可以被配置为将瞬态负载电流从逆变器转移以用于过流保护，并且优选地，该AC半导体旁路开关可在其V-I特性曲线的饱和区域中进行功能性操作，以使得该AC半导体旁路开关可响应于来自旁路驱动器的驱动信号提供所需大小的瞬态负载电流。

或者，如图3所示，该AC半导体旁路开关可以被配置为充当有源控制的电流源以提供所需大小的瞬态负载电流，并且优选地，该AC半导体旁路开关可在其VI特性曲线的作用区域中进行功能性操作，以使得该AC半导体旁路开关可响应于来自旁路驱动器的驱动信号提供所需大小的瞬态负载电流。

可选地，该AC半导体旁路开关可以配置为始终旁路一定量的电流，以使逆变器充当电压调节的参考电压。

在一些实施例中，该设备可以进一步包括半导体继电器装置和机电旁路装置，两者均与变压器或磁性结构的初级并联连接。该半导体继电器装置和机电旁路装置由旁路控制触发和控制，以将瞬态负载电流从逆变器转移开来，进行过流保护。

在一些实施例中，该设备可以进一步包括电流互感器(CT)，用于测量要馈送到被切换的电抗性负载的负载电流波形。

在一个实施例中，如图4所示，该设备可以包括用作电流通过的滤波器的无源频率选择旁路。过滤后的瞬态负载电流信号从逆变器移开，以提供过流保护。

利用本发明，由于可以有选择地处理负载电流信号，所以可有选择地旁路不同的瞬时电流峰值，从而AC-AC串联电压调节器可以正常和简单地步进并稳定到平均或RMS负载功率，而不会错误地触发旁路。

图6示出了在实施如图2所示的装置之后的改善的逆变器电流波形，其中AC半导体旁路开关被配置为将瞬态负载电流从逆变器转移开以用于过电保护。该瞬态逆变器电流峰值的幅度被降低到25.6安培。

图7示出了在实施如图3所示的装置之后的改善的逆变器电流波形，其中AC半导体旁路开关被配置为充当有源控制的电流源，以提供所需大小的瞬态负载电流。

尽管前面的描述和附图仅描述了单相AC系统，但是本领域的普通技术人员可以将本文所述的发明原理应用于诸如三相电气系统等任何多相AC系统，而不会脱离本发明的范围和精神。

本文公开的实施例可以使用通用或专用计算设备，计算机处理器，微控制器或电子电路(包括但不限于数字信号处理器(DSP)，专用集成电路(ASIC)，现场可编程门阵列(FPGA))，以及根据本公开的教导而配置或编程的其他可编程逻辑设备来实现。基于本公开的教导，软件或电子领域的技术人员可以容易地开发在通用或专用计算设备，计算机处理器或可编程逻辑设备中运行的计算机指令或软件代码。

本发明的前述描述是以说明和描述为目的而提供的。其并不旨在穷举或将本发明限制为所公开的精确形式。许多修改和变化对于本领域技术人员将是显而易见的。

所选择和描述实施例是为了最好地解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适于预期的特定用途的各种修改。本发明的范围旨在由所附的权利要求及其等同方式限定。