[發(fā)明專利]用于內(nèi)在功率因數(shù)校正的方法和設(shè)備

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201580056611.0
• 申請(qǐng)日: 2015-10-19
• 公開（公告）號(hào): CN107112912A
• 公開（公告）日: 2017-08-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 布魯斯·理查德·朗;安德魯·W·達(dá)加
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 動(dòng)量動(dòng)力學(xué)公司
• 主分類號(hào): H02M7/00
• 分類號(hào): H02M7/00
• 代理公司: 北京集佳知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11227
• 代理人: 李春暉,李德山

相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)要求于2014年10月20日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)62/065,889號(hào)的優(yōu)先權(quán)。該申請(qǐng)的內(nèi)容通過引用并入本文中。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及借助于諧振感應(yīng)的電能傳輸。更特別地，本發(fā)明涉及在不采用特定功率因數(shù)校正電路的情況下在線連接點(diǎn)處提供接近一的功率因數(shù)的低諧波失真負(fù)載的無線傳輸方法。作為替代，本文中描述的設(shè)備提供低諧波失真、接近一的功率因數(shù)，而無需特定功率因數(shù)校正級(jí)，從而降低了部件成本、設(shè)備尺寸和電力轉(zhuǎn)換損耗。

背景技術(shù)

感應(yīng)式電力傳輸具有跨許多行業(yè)和市場(chǎng)的許多重要應(yīng)用。雖然文中包含的公開內(nèi)容考慮將本發(fā)明用于需要相對(duì)較高功率(超過100瓦)的應(yīng)用，但是電力應(yīng)用的潛在名單不受限制，并且本發(fā)明可以應(yīng)用于廣泛的電力需求。

圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)諧振感應(yīng)電力傳輸系統(tǒng)10的概念表示。如所示出的，在AC線12上提供交流源線頻率電能，并且利用線頻率整流器14和并聯(lián)電容器紋波濾波器16將所述交流源線頻率電能轉(zhuǎn)換成直流電。DC-AC轉(zhuǎn)換器18將直流能量轉(zhuǎn)換成高頻交流電，高頻交流電借助于諧振網(wǎng)絡(luò)20被施加至初級(jí)側(cè)感應(yīng)線圈22。典型的工作頻率在15-50kHz的范圍內(nèi)。

初級(jí)側(cè)感應(yīng)線圈22與次級(jí)側(cè)感應(yīng)線圈24之間的磁耦合將初級(jí)側(cè)能量傳輸至次級(jí)側(cè)，在次級(jí)側(cè)，能量被高頻整流器26整流、被紋波濾波器28進(jìn)行紋波濾波并被用于對(duì)遠(yuǎn)端定位的電池30充電。諧振網(wǎng)絡(luò)32使次級(jí)側(cè)感應(yīng)線圈24諧振，從而實(shí)現(xiàn)最大電流流動(dòng)和最大能量傳輸。

呈現(xiàn)給圖1的電路中的AC線連接的負(fù)載的性質(zhì)由線整流器-并聯(lián)紋波濾波電容器組合來確定。在操作中，除非瞬時(shí)整流線電壓超過并聯(lián)電容器電壓，否則線整流器電流為零。這意味著整流器電流不是正弦的，而作為替代是正好在線電壓正弦曲線達(dá)到其最大值之前發(fā)生的窄脈沖。因?yàn)檎髌麟娏魇钦}沖而不是正弦曲線，因此整流器電流包含相當(dāng)多的諧波含量。關(guān)聯(lián)的線頻率諧波電流對(duì)電力配電部件有害并且也對(duì)連接至配電系統(tǒng)的其他負(fù)載有害，因此由于實(shí)用性或政府監(jiān)管而被限制在低幅度。

另一難點(diǎn)在于線頻率整流器電流峰值發(fā)生在線頻率電壓最大之前的事實(shí)。這意味著線頻率整流器電流脈沖的基本諧波分量超前于線頻率電壓正弦曲線，從而產(chǎn)生也受到監(jiān)管限制的不期望的超前電流因數(shù)。增加并聯(lián)線頻率紋波濾波電容器16的電容降低了直流線頻率紋波的幅度，但是也不利地增加了整流器電流脈沖的幅度并且減小了整流器電流脈沖的寬度，從而增加了不期望的線頻率諧波失真和不能接受的線功率因數(shù)。

問題則在于如何在將線頻率交流電轉(zhuǎn)換成直流電的同時(shí)從線電壓源汲取同相正弦電流。圖2示出了該問題的常規(guī)解決方案，即添加功率因數(shù)校正級(jí)34。注意，該使用中的功率因數(shù)校正意味著整流器產(chǎn)生的線頻率諧波失真的消除以及線頻率電壓和電流正弦曲線的對(duì)準(zhǔn)。

圖2所示的功率因數(shù)校正級(jí)34包括DC至DC升壓轉(zhuǎn)換器，但是也可以采用降壓轉(zhuǎn)換器和升壓-降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)洹Ｔ趫D2中被描述為并聯(lián)場(chǎng)效應(yīng)晶體管36的并聯(lián)開關(guān)器件借助于脈沖持續(xù)時(shí)間來控制電感器電流，并因此控制AC線電流。當(dāng)并聯(lián)晶體管36導(dǎo)通時(shí)，電感器電流以與瞬時(shí)整流線電壓成比例的速率斜升。當(dāng)并聯(lián)晶體管36關(guān)斷時(shí)，存儲(chǔ)在電感器38中的能量通過串聯(lián)二極管40被轉(zhuǎn)儲(chǔ)在并聯(lián)濾波電容器16中。控制電路42監(jiān)測(cè)整流的線電流并且不斷地調(diào)節(jié)晶體管導(dǎo)通間隔，使得整流的線電流保持與線電壓成比例。以這種方式，使得線頻率整流器電流為半周期正弦并且與線電壓幅值成比例、促使諧波失真為零、促使功率因數(shù)為一以及保持DC-AC轉(zhuǎn)換器供應(yīng)電壓基本恒定。

然而，圖2描述的功率因數(shù)校正的常規(guī)方法存在至少兩個(gè)明顯的缺點(diǎn)。即添加的電力轉(zhuǎn)換級(jí)增加了設(shè)備的成本和體積，并且還引入了不期望的能量轉(zhuǎn)換損耗。期望在不采用這樣的特定功率因數(shù)校正電路的情況下在諧振感應(yīng)電力傳輸系統(tǒng)中的線連接點(diǎn)處提供接近一的功率因數(shù)的低諧波失真負(fù)載。本發(fā)明解決了本領(lǐng)域的該需求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明通過改變諧振感應(yīng)無線電力設(shè)備的操作參數(shù)來解決現(xiàn)有技術(shù)的上述限制，使得所述設(shè)備內(nèi)在地提供低諧波失真的具有接近一的功率因數(shù)的線負(fù)載，而不需要另外的能量轉(zhuǎn)換功率因數(shù)校正。去除了常規(guī)電路的后整流器、線頻率紋波濾波器和并聯(lián)電容器，并且DC至AC轉(zhuǎn)換器不是由平滑的恒定值DC電壓供電，而是由根據(jù)對(duì)線正弦曲線的全波整流得到的半正弦電壓來供電。