用于控制轉(zhuǎn)換器的方法
【專利摘要】一種用于控制轉(zhuǎn)換器的方法，所述轉(zhuǎn)換器包括諧振電路，其中，轉(zhuǎn)換器被控制使得控制開關(guān)在與轉(zhuǎn)換器的因變量相關(guān)的情況發(fā)生時(shí)被轉(zhuǎn)換成第一狀態(tài)，而在與轉(zhuǎn)換器的因變量不相關(guān)的情況發(fā)生時(shí)被轉(zhuǎn)換成第二狀態(tài)。所述方法可以用于轉(zhuǎn)換器或者感應(yīng)電能傳輸發(fā)射器。
【專利說明】用于控制轉(zhuǎn)換器的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體而言涉及用于控制轉(zhuǎn)換器的方法，更具體而言，非排他地，本發(fā)明涉及具有適用于用在感應(yīng)電能傳輸系統(tǒng)中的新穎配置的轉(zhuǎn)換器。
【背景技術(shù)】
[0002]電轉(zhuǎn)換器在本領(lǐng)域中周知，并且適用于用于各種應(yīng)用的許多配置中。一般而言，轉(zhuǎn)換器將一種類型的電源轉(zhuǎn)換成不同類型的輸出。這種轉(zhuǎn)換可以包括DC-DC、AC-AC和DC-AC電轉(zhuǎn)換。在一些配置中，轉(zhuǎn)換器可以具有任意數(shù)目個(gè)DC和AC ‘部件’，例如，DC-DC轉(zhuǎn)換器可以包含AC-AC變壓器轉(zhuǎn)換器部分。
[0003]更具體地，‘逆變器’是可以用于描述DC-AC轉(zhuǎn)換器的術(shù)語。逆變器可以孤立存在，或者作為更大的轉(zhuǎn)換器的部件存在(如以上實(shí)例中，其必需先于交流-交流(AC-AC)變壓器而將直流(DC)轉(zhuǎn)換成交流(AC))。因此，‘轉(zhuǎn)換器’應(yīng)當(dāng)被解釋成包括逆變器本身、和包括逆變器的轉(zhuǎn)換器。為了清楚起見，本說明書的其余部分將僅涉及‘轉(zhuǎn)換器’，而不排除‘逆變器’在某些情況下可以是適當(dāng)?shù)奶娲g(shù)語的可能。
[0004]存在實(shí)現(xiàn)DC-AC轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換器的許多配置。主要地，這通過適當(dāng)布置的開關(guān)，這些開關(guān)通過協(xié)調(diào)切換使電流以交替的方向流經(jīng)部件。這些開關(guān)可以通過控制電路來控制，以實(shí)現(xiàn)期望的AC輸出波形。還可以包括另外的電路部件，以塑造輸出波形。受特定電路拓?fù)涞墓苤?，輸出波形將依賴于開關(guān)的頻率、占空比(duty-cycles)和工作相互關(guān)系。
[0005]使用轉(zhuǎn)換器的一個(gè)實(shí)例是在感應(yīng)電能傳輸(inductive power transfer, IPT)系統(tǒng)的情況下。這些系統(tǒng)是已建立的技術(shù)(例如，電動(dòng)牙刷的無線充電)和正發(fā)展的技術(shù)(例如，在“充電墊”上的手持設(shè)備的無線充電)的熟知領(lǐng)域。典型地，原邊產(chǎn)生來自一個(gè)發(fā)射線圈或多個(gè)發(fā)射線圈的隨著時(shí)間變化的磁場(chǎng)。這種磁場(chǎng)在合適的接收線圈中感應(yīng)交流電，然后可以用于對(duì)電池充電、或者對(duì)設(shè)備或其他的負(fù)載供電。在一些情況下，可以在發(fā)射器線圈周圍添加電容器以產(chǎn)生諧振電路。類似地，電容器可以被添加到接收器線圈周圍以產(chǎn)生諧振電路。使用諧振電路可以在相應(yīng)的諧振頻率下增加功率吞吐量和效率。
[0006]通常地，發(fā)射線圈通過轉(zhuǎn)換器來驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電流的特性(諸如頻率、相位和幅值)將與特定的IPT系統(tǒng)相關(guān)。在一些情況下，轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動(dòng)頻率與諧振發(fā)射線圈和/或諧振接收線圈的諧振頻率匹配會(huì)令人期待。幅值可以被改變成與副邊上的負(fù)載要求相對(duì)應(yīng)。在一些系統(tǒng)中，負(fù)載要求可以通過適合的工具傳遞至原邊。
[0007]全部的這些層的控制增加IPT系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜性和成本。因此，期望具有控制轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)化方法。
[0008]如US2008/0211478A1 (Hussman等人)所概述的與IPT系統(tǒng)相關(guān)的另一個(gè)問題在于，對(duì)于諧振系統(tǒng)，發(fā)射器的諧振頻率未固定，而是根據(jù)接收器上的負(fù)載而變化。負(fù)載的變化經(jīng)由相互的感應(yīng)耦合反饋至發(fā)射器，這反過來影響發(fā)射器的諧振頻率。因而，如果轉(zhuǎn)換器以不再與發(fā)射器的諧振頻率相等的頻率將輸出供應(yīng)至發(fā)射器線圈，則功率吞吐量減少，并且系統(tǒng)變得低效。[0009]與IPT系統(tǒng)相關(guān)的另外的問題在于，諸如發(fā)射器線圈或接收器線圈以及諧振電容器的諧振部件的值可由于其他因素之中的制造公差、壽命、溫度、電力傳輸距離變化以及附近的金屬或磁性材料的存在而變化。這些變量影響發(fā)射器的諧振頻率，可能脫離與接收器的諧振，使得功率吞吐量減少，并且系統(tǒng)變得效率低。
[0010]可以適應(yīng)諧振頻率的這種變化的一種方式是通過在經(jīng)由發(fā)射線圈的電壓變成零時(shí)使控制開關(guān)適應(yīng)性關(guān)斷和導(dǎo)通。因而，切換頻率將自動(dòng)地與發(fā)射線圈的諧振頻率相對(duì)應(yīng)。這種方案的缺點(diǎn)在于發(fā)射的磁場(chǎng)的頻率將在根據(jù)發(fā)射線圈的諧振頻率在一范圍內(nèi)變化。這個(gè)問題出于兩個(gè)原因:首先，接收器必需應(yīng)對(duì)發(fā)射頻率的變化而自適應(yīng)地重新調(diào)整或否則損失功率；其次，由于可利用的帶寬可能太窄而使系統(tǒng)工作在一定的頻率范圍內(nèi)是不受期望的。
[0011]本發(fā)明的目標(biāo)是提供用于控制轉(zhuǎn)換器的方法，允許更簡(jiǎn)化地控制轉(zhuǎn)換器的輸出的電特性，使得仍可以響應(yīng)于諧振頻率的變化，或者至少向公眾提供一種有用的選擇。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例，提供了一種控制轉(zhuǎn)換器的方法，所述轉(zhuǎn)換器包括具有電感器的諧振電路，在該諧振電路中經(jīng)由電感器的電流方向依賴于相關(guān)聯(lián)的控制開關(guān)的狀態(tài)，其中，每個(gè)控制開關(guān)在發(fā)生與轉(zhuǎn)換器的因變量相關(guān)的第一切換事件時(shí)被切換成第一狀態(tài)；以及在發(fā)生與轉(zhuǎn)換器的因變量不相關(guān)的第二切換事件下被切換成第二狀態(tài)。
[0013]根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施例，提供了一種轉(zhuǎn)換器，所述轉(zhuǎn)換器包括具有電感器的諧振電路，在該諧振電路中經(jīng)由電感器的電流方向依賴于相關(guān)的控制開關(guān)的狀態(tài)，其中，轉(zhuǎn)換器包括控制電路，該控制電路適于控制控制開關(guān)，使得:控制開關(guān)在發(fā)生與轉(zhuǎn)換器的因變量相關(guān)的第一切換事件下切換成第一狀態(tài)；以及控制開關(guān)在發(fā)生與轉(zhuǎn)換器的因變量不相關(guān)的第二切換事件下切換成第二狀態(tài)。
[0014]公認(rèn)的是，術(shù)語“包括”和“包含”在不同的審查權(quán)限范圍下可以歸結(jié)為排他的或包括的意思。針對(duì)本說明書的目的，并且除非另有說明，這些術(shù)語旨在具有包括的含義，即這些術(shù)語將看作意指包括直接引用的所列出的部件，而且還包括其他的未指定的部件或元件。
[0015]本說明書中參考的任何現(xiàn)有技術(shù)不構(gòu)成承認(rèn)這些現(xiàn)有技術(shù)形成公知常識(shí)的一部分。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]被并入并構(gòu)成說明書的部分的附圖，與上面給出的本發(fā)明的一般描述一起說明本發(fā)明的實(shí)施例，以及以下給出的實(shí)施例的詳細(xì)描述用來解釋本發(fā)明的原理。
[0017]圖1示出根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器拓?fù)洌?br> [0018]圖2示出與轉(zhuǎn)換器的典型控制相關(guān)的波形；
[0019]圖3示出與根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器的控制相關(guān)的波形；
[0020]圖4示出與根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器的控制相關(guān)的波形；
[0021]圖5示出與根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器的控制相關(guān)的波形；以及
[0022]圖6示出根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)轉(zhuǎn)換器拓?fù)?。【具體實(shí)施方式】
[0023]參見圖1，示出根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器I的一個(gè)實(shí)施例。轉(zhuǎn)換器包括:DC電源2、DC電感器3、輸出電感器4、諧振電容器5、控制開關(guān)(為了清楚起見，將被稱為開關(guān)一 6和開關(guān)二 7)以及控制電路8。圖1中也示出了是控制開關(guān)特性的寄生電容器9和寄生體二極管10。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的是，這是基本轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞囊粋€(gè)實(shí)施例，并且對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯然的是存在任意數(shù)目個(gè)變體?？梢哉f，本發(fā)明不局限于這個(gè)特定的拓?fù)?，并且本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解如何使本發(fā)明應(yīng)用于其他的轉(zhuǎn)換器拓?fù)?。類似地，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解一些轉(zhuǎn)換器拓?fù)鋾?huì)需要適應(yīng)于與本發(fā)明一起工作。
[0024]在圖1中的轉(zhuǎn)換器的典型操作下，開關(guān)一 6和開關(guān)二 7以50%的占空比交替地導(dǎo)通和關(guān)斷。開關(guān)的頻率例如要匹配輸出電感器4和諧振電容器5的固有諧振頻率。這將產(chǎn)生圖2中所示的波形。這些波形和關(guān)于它們的形成的解釋在本領(lǐng)域周知，且因此在這里不需要解釋它們。為了實(shí)現(xiàn)開關(guān)模式，現(xiàn)有的系統(tǒng)可能使用控制器，該控制器被編程以根據(jù)輸出電感器電壓的過零(zero crossing)來交替地啟動(dòng)開關(guān)。
[0025]根據(jù)本發(fā)明，控制轉(zhuǎn)換器的方法如下:每個(gè)開關(guān)在與轉(zhuǎn)換器的因變量相關(guān)的第一切換事件發(fā)生時(shí)切換成第一狀態(tài)；以及在與轉(zhuǎn)換器的因變量不相關(guān)的第二切換事件發(fā)生時(shí)切換成第二狀態(tài)。
[0026]本發(fā)明的其余討論將基于本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其中，第一狀態(tài)是導(dǎo)通狀態(tài)，而第二狀態(tài)是關(guān)斷狀態(tài)。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，在一些情況下，拓?fù)淇梢栽试S反轉(zhuǎn)，即，第一狀態(tài)是關(guān)斷狀態(tài)，而第二狀態(tài)是導(dǎo)通狀態(tài)，且本發(fā)明旨在包括這一可能性。第一切換事件
[0027]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，第一切換事件是在跨開關(guān)一 6或開關(guān)二 7的電壓達(dá)到零或接近零時(shí)。也就是說，在跨開關(guān)一的電壓達(dá)到零或接近零時(shí)開關(guān)一導(dǎo)通，而在跨開關(guān)二的電壓成為零或接近零時(shí)開關(guān)二導(dǎo)通。由于跨開關(guān)一 6或開關(guān)二 7的電壓依賴于跨輸出電感器4的電壓，所以可以說與轉(zhuǎn)換器的因變量相關(guān)。以這種方式，開關(guān)導(dǎo)通可以適應(yīng)系統(tǒng)的變化，因?yàn)榈谝磺袚Q事件的發(fā)生可隨著系統(tǒng)變化而改變。
[0028]本領(lǐng)域周知如何可以檢測(cè)電壓并且如何隨著觸發(fā)情況使用達(dá)到一定的值的電壓。例如，可以使用比較器電路來在跨諧振發(fā)射器線圈的電壓下降至預(yù)定閾值之下時(shí)觸發(fā)狀態(tài)的變化。然而，本發(fā)明不局限于任何特定的方法。在本發(fā)明中，這種控制可以被包括在控制電路8中。
[0029]參見圖1中的轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，使用跨開關(guān)一 6或開關(guān)二 7的電壓達(dá)到或接近零作為第一切換事件的優(yōu)點(diǎn)在于保證零電壓切換。也就是說，開關(guān)在跨其的電壓為零時(shí)導(dǎo)通，這最小化能耗、改善效率并且防止由于過電流對(duì)開關(guān)的破壞。
[0030]在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，第一切換事件是經(jīng)由開關(guān)一或開關(guān)二的電流的過零。也就是說，開關(guān)一在經(jīng)由開關(guān)一的電流達(dá)到或接近零時(shí)導(dǎo)通，而開關(guān)二在穿過開關(guān)二的電流達(dá)到或接近零時(shí)導(dǎo)通。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解的是，電路中存在可以變化的其他特性，其中一些特性可以適合作為第一切換事件的基礎(chǔ)。
[0031]第二切換事件
[0032]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，存在兩個(gè)開關(guān)，并且第二切換事件是另一開關(guān)關(guān)斷之后的固定時(shí)間間隔(α)的截止。也就是說，開關(guān)一 6在開關(guān)二關(guān)斷之后的固定的時(shí)間間隔(α )關(guān)斷，而開關(guān)二7在開關(guān)一關(guān)斷之后的固定的時(shí)間間隔(α )關(guān)斷。由于開關(guān)一或開關(guān)二的關(guān)斷與系統(tǒng)的因變量不相關(guān)(即，其是被預(yù)設(shè)的且將不會(huì)變化)，所以它們的關(guān)斷保持相同，而不管系統(tǒng)的任何變化。另外，由于開關(guān)在固定的時(shí)間間隔之后持續(xù)關(guān)斷，所以開關(guān)的頻率也與系統(tǒng)的因變量不相關(guān)。轉(zhuǎn)換器(converter)的頻率可以用以下公式來計(jì)算:
[0033]
【權(quán)利要求】
1.一種控制轉(zhuǎn)換器的方法，所述轉(zhuǎn)換器包括具有電感器的諧振電路，在所述諧振電路中通過所述電感器的電流的方向依賴于相關(guān)聯(lián)的控制開關(guān)的狀態(tài)，其中，每個(gè)控制開關(guān): a.在與所述轉(zhuǎn)換器的因變量相關(guān)的第一切換事件發(fā)生時(shí)轉(zhuǎn)換成第一狀態(tài)；以及 b.在與所述轉(zhuǎn)換器的因變量不相關(guān)的第二切換事件發(fā)生時(shí)轉(zhuǎn)換成第二狀態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一狀態(tài)為導(dǎo)通狀態(tài)，而所述第二狀態(tài)為關(guān)斷狀態(tài)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，第一狀態(tài)為關(guān)斷狀態(tài)，而所述第二狀態(tài)為導(dǎo)通狀態(tài)。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述第二切換事件是控制開關(guān)關(guān)斷之后的預(yù)定的時(shí)間間隔的結(jié)束。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述第二切換事件是另一個(gè)控制開關(guān)關(guān)斷之后的所述預(yù)定的時(shí)間間隔的結(jié)束。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述預(yù)定的時(shí)間間隔與所述轉(zhuǎn)換器的期望的操作周期的一半相同。
7.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述第二切換事件是同一控制開關(guān)關(guān)斷之后的所述預(yù)定的時(shí)間間隔的結(jié)束。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述預(yù)定的時(shí)間間隔與所述轉(zhuǎn)換器的期望的操作周期相同。
9.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述第二切換事件是控制開關(guān)被關(guān)斷之后的預(yù)定的時(shí)間間隔的結(jié)束或者另一個(gè)控制開關(guān)導(dǎo)通之中的后者。
10.如前述權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)所述的方法，其中，所述第一切換事件是跨控制開關(guān)的電壓達(dá)到零時(shí)。
11.如前述權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)所述的方法，其中，所述第一切換事件是穿過控制開關(guān)的電流達(dá)到零時(shí)。
12.如前述權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)所述的方法，其中，所述轉(zhuǎn)換器的期望的操作周期被選擇為與所述轉(zhuǎn)換器的無載的固有諧振周期相似。
13.一種轉(zhuǎn)換器，包括具有電感器的諧振電路，在所述諧振電路中通過所述電感器的電流的方向依賴于相關(guān)聯(lián)的控制開關(guān)的狀態(tài)，其中，所述轉(zhuǎn)換器包括控制電路，所述控制電路適于控制所述控制開關(guān)，使得: a.所述控制開關(guān)在與所述轉(zhuǎn)換器的因變量相關(guān)的第一切換事件發(fā)生時(shí)被轉(zhuǎn)換成第一狀態(tài)；以及 b.所述控制開關(guān)在與所述轉(zhuǎn)換器的因變量不相關(guān)的第二切換事件發(fā)生時(shí)被轉(zhuǎn)換成第二狀態(tài)。
14.如權(quán)利要求13所述的轉(zhuǎn)換器，其中，所述第一狀態(tài)為導(dǎo)通狀態(tài)，而所述第二狀態(tài)為關(guān)斷狀態(tài)。
15.如權(quán)利要求13所述的轉(zhuǎn)換器，其中，所述第一狀態(tài)為關(guān)斷狀態(tài)，而所述第二狀態(tài)為導(dǎo)通狀態(tài)。
16.如權(quán)利要求13所述的轉(zhuǎn)換器，其中，所述控制器適于檢測(cè)所述第一切換事件和所述第二切換事件。
17.如權(quán)利要求14所述的轉(zhuǎn)換器，其中，所述第二切換事件是控制開關(guān)關(guān)斷之后的預(yù)定的時(shí)間間隔的結(jié)束。
18.如權(quán)利要求17所述的轉(zhuǎn)換器，其中，所述第二切換事件是另一個(gè)控制開關(guān)關(guān)斷之后的所述預(yù)定的時(shí)間間隔的結(jié)束。
19.如權(quán)利要求18所述的轉(zhuǎn)換器，其中，所述預(yù)定的時(shí)間間隔與所述轉(zhuǎn)換器的期望的操作周期的一半相同。
20.如權(quán)利要求17所述的轉(zhuǎn)換器，其中，所述第二轉(zhuǎn)換事件是同一控制開關(guān)被關(guān)斷之后的所述預(yù)定的時(shí)間間隔的結(jié)束。
21.如權(quán)利要求20所述的轉(zhuǎn)換器，其中，所述預(yù)定的時(shí)間間隔與所述轉(zhuǎn)換器的期望的操作周期相同。
22.如權(quán)利要求14所述的轉(zhuǎn)換器，其中，所述第二切換事件是控制開關(guān)關(guān)斷之后的預(yù)定的時(shí)間間隔的結(jié)束或者另一個(gè)控制開關(guān)導(dǎo)通之中的后者。
23.如權(quán)利要求13所述的轉(zhuǎn)換器，其中，所述第一切換事件是跨控制開關(guān)的電壓達(dá)到零時(shí)。
24.如權(quán)利要求13所述的轉(zhuǎn)換器，其中，所述第一切換事件是穿過控制開關(guān)的電流達(dá)到零時(shí)。
25.—種感應(yīng)電能傳輸發(fā)射器,包括如權(quán)利要求13至24中的任意一項(xiàng)所述的轉(zhuǎn)換器。
【文檔編號(hào)】H02M5/10GK104040863SQ201280055318
【公開日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2012年11月9日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月10日
【發(fā)明者】丹尼爾·詹姆斯·羅伯森, 任賽寧, 歐亨尼奧·小西亞·萊西亞斯 申請(qǐng)人:鮑爾拜普羅克西有限公司