[发明专利]具有自调谐的谐振电源

说明书

本发明涉及用于电力应用的将直流(DC)变成交流(AC)的电流反馈谐振逆变器。本发明的一个应用是用于感应功率传输(IPT)系统的电源。提供了一种谐振逆变器，包括：输入，所述输入用于从DC电源(208)供应电流，包括两个耦合电感元件(205,206)和调谐电容(204)的谐振电路，所述电感元件被配置成将来自所述电源的电流分开；第一开关设备，所述第一开关设备包括以基本相反相位操作以交替地将电流从所述电源投入所述电感元件中的两个开关装置(200,201)；第二开关设备(504A1‑n,504B1‑n)，所述第二开关设备根据所述谐振电路的功率因数选择性将一个或多个控制电容(510A1‑n,510B1‑n)投入或切出所述谐振电路。

技术领域

本发明涉及用于电力应用的将直流(DC)变成交流(AC)的电流反馈谐振逆变器。本发明的一个应用是用于感应功率传输(IPT)系统的电源。

背景技术

逆变器在电力供应中有许多应用，包括交流电源的产生，例如用作将DC电压转换成AC电压供给的逆变器(例如不间断电源)。逆变器还可以用在DC至DC变换器的内部阶段、感应加热、微波产生、表面检测、医学实验、高频无线系统、IPT系统等。

已知的推挽(push-pull)电流反馈谐振逆变器的电路示意图示于图1中。这种逆变器的操作在美国专利说明书5,450,305中讨论，其内容通过引用被并入本文。由于这些谐振逆变器的低开关损耗和低电磁干扰(EMI)，他们得到广泛普及。

在IPT系统中，IPT电源理想情况是产生固定频率的正弦输出电压的固定频率的电源。这种电源示于图1中。图1的电路具有DC电感器L_DC、分相变压器L_PS和并联谐振槽电路C₁L₁。开关S₁和S₂反相操作，在并联谐调槽电路两端产生谐振电压。加入与开关串联的二极管，使得开关不可能同时接通，对C₁放电。

电感器L_DC在稳态操作条件下提供恒定的DC电流源。此电感器通常设计成很大，以克服饱和问题。具有两个紧密耦合绕组L_SP的分相变压器用来将DC电流分成两个支路，开关S₁和S₂被控制为交替“接通”和“关断”，以改变注入到包括线圈L₁和其调谐电容器C₁的谐振槽电路中的电流的方向。电阻器R代表由逆变器供应的负载。

还需要外部控制器(未显示)，以便控制开关S₁和S₂。控制器检测谐振电压(例如感测谐振电容器C₁两端的电压)，并且在电压过零点驱动开关(零电压开关)。这些开关技术有助于降低开关损耗和EMI。为此，通常需要额外的电压互感器或绕组来检测电容器C₁两端的电压过零点。检测到的信息被控制器使用，以驱动开关S₁和S₂，通常需要有特殊的门极驱动电路。这种形式的逆变器的启动相对困难，需要复杂的控制器。

在高频操作时，传统的电源(未显示)是有问题的，原因是随着频率升高，所需的dV/dt和dI/dt暂态很高以致操作电源是有问题的，操作电源变得越发困难。例如，在140kHz频率下，一个完整周期只有7微秒，所以如果开关在半个周期的1％内接通480V总线，则开关上的dV/dt是480/(3.5微秒x 1％)＝13.7kV/微秒，这是非常快的暂态，使高压侧开关的操作变得有挑战。图1的电路借助软开关和低的dI/dt及dV/dt避免了此问题。然而，此电路(图1)的难度是响应于逆变器上的电抗负载的变化保持操作频率，特别是保持所需的功率因数，其原因是此电路可能易于分叉。

发明内容

本发明的目的是提供一种逆变器或电源或操作逆变器或电源的方法，其至少消除一个或多个前述缺点或者至少给公众提供一种有用的选择。