[发明专利]虚拟无限电容器的即插即用实现

说明书

用于控制总线(26)上的DC电压的装置(22，90)包括：开关功率转换器(32)，其包括用于连接在总线和地(28)之间的一对端子(31)；缓冲电容器(48)；以及开关电路(36)，其被配置为当缓冲电容器上的电荷响应于流过端子的电流而在预定范围内变动时控制在端子之间的电压。控制电路(50，98)被耦合以监测在端子之间的电压、电流、和缓冲电容器上的电压，并且被配置为通过响应于监测的电压和电流的变化而控制开关电路来调整端子之间的电压，使得端子电压被保持在参考电压值，该参考电压值可以被自适应地被调整，以便收敛到DC总线的平衡电压。因此，该装置只需要具有两个端子，且因此易于安装。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年10月9日提交的美国临时专利申请62/569,625的利益，该美国临时专利申请通过引用并入本文。

发明领域

本发明总体上涉及电路和设备，且尤其涉及DC电压滤波。

背景

当可变电源向负载提供DC电压时，负载两端的电压往往会波动。抑制这种波动的传统方法是将一个大电容器(通常是电解电容器或超级电容器)与负载并联。例如，在光伏系统、风力发电机、模块化多电平转换器(MMC)的子模块、电动车辆、功率因数补偿器(PFC)、不间断电源、和用于无闪烁LED照明的电源中的DC总线上，通常会遇到这种滤波电容器。然而，这种大电容器体积庞大、价格昂贵、且使用寿命短。

已经提出了不需要大滤波电容器的许多可替代解决方案来抑制电压波动。例如，PCT国际公布WO 2015/019344描述了一种虚拟无限电容器(VIC)——一种包含开关、电感器、和两个小电容器(包括电荷缓冲电容器)的开关功率电路，其公开内容通过引用并入本文。在指定的正常操作范围内，尽管缓冲电容器上的电荷发生了变化，但VIC通过保持恒定电压来模拟非常大的电容器的行为。因此，VIC能够利用更小、更便宜、和更可靠的陶瓷或薄膜电容器以及适当的电子电路来一起模拟大电容器。

概述

本文以下内容所描述的本发明的实施例提供了用于DC电压滤波的改进电路和方法。

因此，根据本发明的实施例，提供了用于控制在总线上的DC电压的装置，该装置包括开关功率转换器，该开关功率转换器包括：一对端子，该一对端子用于在总线和地之间的连接；缓冲电容器；和开关电路，该开关电路被耦合在缓冲电容器和端子之间，并且被配置为当缓冲电容器上的电荷响应于流过端子的电流而在预定范围内变动时控制端子之间的电压。控制电路被耦合以监测端子之间的电压、电流、和在缓冲电容器上的电压，并且被配置为通过响应于所监测的电压和电流的变化而控制开关电路来调整端子之间的电压，使得端子电压被保持在参考电压值。

在所公开的实施例中，开关功率电路包括被耦合在端子之间的滤波电容器，并且开关电路包括二极管和开关，二极管和开关被配置为可逆降压转换器电路(reversiblebuck converter circuit)。

在一些实施例中，控制电路被配置为通过应用状态机模型来控制开关电路，该状态机模型包括：充电状态，在该充电状态中，流过端子的电流在通过功率转换器转换之后对缓冲电容器充电；正常操作状态，在该正常操作状态中，该开关电路被控制以在将端子之间的电压保持处于参考电压值时对缓冲电容器充电和放电；和保护状态，在保护状态中，该开关电路被断开以防止对缓冲电容器的过充电。典型地，状态机模型包括缓冲电容器上的电荷的水平的迟滞，该迟滞导致在状态之间的转变。

在一些实施例中，控制电路被配置成控制开关电路，以便将在缓冲电容器上的电荷保持在预定范围内。在所公开的实施例中，控制电路被配置成响应于缓冲电压的变化来调整参考电压值，以便将缓冲电容器上的电荷保持在预定范围内。在一个实施例中，控制电路包括电压传感器和低通滤波器，该低通滤波器耦合电压传感器以测量在缓冲电容器上的缓冲电压，同时滤除高于预定截止频率的测量的缓冲电压变动，并且控制电路被配置为响应于测量的、经滤波的缓冲电压来调整参考电压值。