CN102457197A - 利用单个变压器在独立功率端口之间的功率传递 - Google Patents

利用单个变压器在独立功率端口之间的功率传递 Download PDF

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Abstract

一种示例性功率输送网络，包括能量传递元件、主功率端口和主端口接口。所述能量传递元件包括多个绕组，其中第一功率转换器在第一功率端口和第一绕组之间传递功率，并且第二功率转换器在第二绕组和第二功率端口之间传递功率。所述主端口接口被连接以循环地反转在所述主功率端口处接收的dc电压，并且以固定占空比向所述能量传递元件的第三绕组提供循环地反转的电压，其中所述第一功率端口和所述第一绕组之间的功率传递独立于所述第二绕组和所述第二功率端口之间的功率传递。此外，所述主功率端口的有效阻抗小于所述第一功率端口和所述第二功率端口的有效阻抗。

Description

利用单个变压器在独立功率端口之间的功率传递
技术领域
本发明总体涉及功率端口，更具体地涉及多个功率端口之间的功率传递。
背景技术
功率输送系统通常向多个位置以及从多个位置传递功率。这样的示例系统是太阳能输送系统和汽车功率处理系统。太阳能输送系统的一个实例是用于家庭消费的太阳能输送系统。光伏(PV)电池将来自所接收的太阳光的能量转变为电能。然后所述功率输送系统将该电能传递至家中的各个位置。功率可从PV电池(PV cell)传递至用于功率存储的蓄电池(battery)。此外，功率可被转换为用于常规壁式插座的高压ac，以向电子设备供电。通常，电流系统使用至少两个独立的设备，它们用于在太阳能输送系统中传递功率。一个设备——其被称为最大功率点跟踪器(MPPT)——将功率从PV电池传递至蓄电池。MPPT是一种dc至dc功率转换器，其从所述PV电池中提取最佳功率。所述太阳能输送系统还利用另一设备，即功率逆变器(inverter)，其将来自所述蓄电池的能量转换为用于电网的高压ac。功率逆变器是一种dc至ac功率转换器，并且通常也是双向功率转换器。
所述功率逆变器可具有多个高压ac或dc输出和输入，它们每个可具有一个不同的相位、幅度和/或频率(50Hz、60Hz、100Hz，单相、双相(slit-phase)或三相(tri-phase))。所述功率逆变器在内部对于每个高压隔离ac输出使用独个变压器。上面提及的MPPT也在内部使用能量传递元件，例如电感器或变压器。对于一个典型的具有PV电池、独个蓄电池和独个高压ac输出的太阳能输送系统，将使用两个分立的产品，每个产品都具有它自己的变压器。此外，对于所述功率逆变器的每个附加的(additional)输出，将使用另一个变压器。两个分立的产品增加了附加的成本，并且导致所述功率输送系统的尺寸和重量更大。附加的变压器也使所述功率输送系统增加了附加的成本、尺寸和重量。
其他人已经试图将MPPT、多个功率逆变器或其他功率转换系统组合为具有单个能量传递元件——例如变压器——的单个产品，以降低设备的成本和尺寸。具有向多个位置以及从多个位置传递能量的单个能量传递元件的功率输送系统在此被称作多功率端口转换(MPPC)。然而，针对功率输送系统实施MPPC具有许多挑战和阻碍，比如，针对连接至所述单个能量传递元件的不同位置实施控制环(controlloops)。例如，具有3个位置(也称为端口)的在第一位置和第二位置之间传递功率的一个MPPC系统将需要考虑该功率传递对第三位置的影响，因为这些位置共享通过所述能量传递元件的共同路径。这样，控制着去往或来自所述第三位置的功率的控制信号将偏置(offset)所述第一位置和所述第二位置之间的功率传递的作用。对于所述第一位置和所述第三位置之间的功率传递以及对所述第二位置的作用，也是如此。这样，当更多个功率端口被连接至该能量传递元件时，针对每个个体(individual)功率端口的控制技术可以变得非常复杂。这样，由于针对每个端口形成的复杂控制环，可连接至该能量传递元件的功率端口的数目是有限的。因此，一个典型的MPPC系统限于不多于三个功率端口。
发明内容
本发明的一个方面提供了一种用于在多个功率端口之间传递功率的功率输送网络，所述功率输送网络包括：
能量传递元件，其具有第一绕组、第二绕组和第三绕组，其中第一功率转换器待被连接以在第一功率端口和所述第一绕组之间传递功率，并且其中第二功率转换器待被连接以在所述第二绕组和第二功率端口之间传递功率；
主功率端口，其待被连接至dc电压；以及
主端口接口，其被连接在所述主功率端口和所述第三绕组之间，以循环地反转所述dc电压，并且以固定占空比向所述第三绕组提供循环地反转的电压，其中所述第一功率转换器独立于所述第二绕组和所述第二功率端口之间的功率传递来控制所述第一功率端口和所述第一绕组之间的功率传递，并且其中所述主功率端口的有效阻抗小于所述第一功率端口的有效阻抗且小于所述第二功率端口的有效阻抗。
在一个实施方案中，所述主功率端口是双向功率端口，并且其中所述主功率端口被连接以从所述第三绕组接收功率并向所述第三绕组传递功率。
在一个实施方案中，所述主端口接口包括桥，所述桥具有连接在所述主功率端口和所述第三绕组之间的多个开关，以响应于主控制信号来循环地反转所述dc电压，其中所述主控制信号具有所述固定占空比。
在一个实施方案中，所述能量传递元件包括单个磁芯，并且其中所述第一绕组、所述第二绕组以及所述第三绕组经由所述单个磁芯相互磁连接。
本发明的另一个方面提供了一种用于在多个功率端口之间传递功率的功率输送网络，所述功率输送网络包括：
能量传递元件，其具有第一绕组、第二绕组和第三绕组；
第一功率转换器，其被连接以在第一功率端口和所述第一绕组之间传递功率；
第二功率转换器，其被连接以在所述第二绕组和第二功率端口之间传递功率；
主功率端口，其被连接至电压；以及
主端口接口，其被连接在所述主功率端口和所述第三绕组之间，以以固定占空比向所述第三绕组提供循环地反转的电压，其中所述第一功率转换器独立于所述第二绕组和所述第二功率端口之间的功率传递来控制所述第一功率端口和所述第一绕组之间的功率传递，并且其中所述主功率端口的有效阻抗小于所述第一功率端口的有效阻抗且小于所述第二功率端口的有效阻抗。
在一个实施方案中，所述第一绕组两端的电压和所述第二绕组两端的电压都基本成比例于所述第三绕组的所述循环地反转的电压。
在一个实施方案中，所述第二功率转换器独立于所述第一功率端口和所述第一绕组之间的功率传递来控制所述第二绕组和所述第二功率端口之间的功率传递。
在一个实施方案中，所述第一功率转换器包括：
开关，其被连接以响应于驱动信号来控制所述第一功率端口和所述第一绕组之间的功率传递；以及
控制器，其被连接以生成所述驱动信号，以独立于所述第二绕组、独立于所述第二功率端口以及独立于所述第二功率转换器来调整所述第一功率转换器的输出。
在一个实施方案中，所述控制器不接收关于所述第二绕组、所述第二功率端口和所述第二功率转换器的反馈信息。
在一个实施方案中，所述第一功率端口是单向功率端口，并且其中所述第一功率转换器被连接以仅在从所述第一功率端口至所述第一绕组的方向上传递功率。
在一个实施方案中，所述第二功率端口是单向功率端口，并且其中所述第二功率转换器被连接以仅在从所述第二绕组至所述第二功率端口的方向上传递功率。
在一个实施方案中，所述第二功率端口是双向功率端口，并且其中所述第二功率转换器是双向功率转换器，所述第二功率转换器被连接以在从所述第二绕组至所述第二功率端口的第一方向上以及在从所述第二功率端口至所述第二绕组的第二方向上传递功率。
在一个实施方案中，所述第二功率转换器是ac至ac功率转换器，并且其中所述第二功率端口提供ac输出电压。
在一个实施方案中，所述第一功率转换器是dc至ac功率转换器，并且其中所述第一功率端口待被连接以接收dc电压。
在一个实施方案中，所述主功率端口是双向功率端口，并且其中所述主功率端口被连接以从所述第三绕组接收功率并向所述第三绕组传递功率。
在一个实施方案中，所述主端口接口包括桥，所述桥具有连接在所述主功率端口和所述第三绕组之间的多个开关，以响应于主控制信号来循环地反转在所述主功率端口处接收的电压，其中所述电压是dc电压。
在一个实施方案中，所述主端口接口进一步包括控制器，所述控制器被连接以提供具有所述固定占空比的所述主控制信号。
在一个实施方案中，所述控制器被连接以以所述固定占空比和固定频率提供所述主控制信号。
在一个实施方案中，所述主功率端口待被连接至能量存储元件，以存储从所述能量传递元件接收的功率并向所述能量传递元件提供所存储的功率。
在一个实施方案中，所述第二功率转换器包括：
脉冲宽度调制器(PWM)，其被连接以接收代表所述第二功率端口的输出的反馈信号，其中所述PWM进一步被连接以生成调制信号；以及
异或(XOR)逻辑电路，其被连接以接收所述调制信号，并且被连接以接收具有所述固定占空比的信号，其中所述XOR逻辑电路进一步被连接以输出驱动信号，以响应于所述调制信号和所述具有所述固定占空比的信号来控制所述第二绕组和所述第二功率端口之间的功率传递。
在一个实施方案中，所述能量传递元件包括单个磁芯，并且其中所述第一绕组、所述第二绕组以及所述第三绕组经由所述单个磁芯相互磁连接。
本发明的又一个方面提供了一种功率输送系统，包括：
第一功率端口、第二功率端口和主功率端口；
电能生成器，其被连接以向所述第一功率端口提供功率；
能量存储元件，其被连接以向所述主功率端口提供dc电压；
能量输送网络，其用于在所述第一功率端口、所述第二功率端口和所述第三功率端口之间传递功率，所述网络包括：
能量传递元件，其具有第一绕组、第二绕组和第三绕组；
第一功率转换器，其被连接以在所述第一功率端口和所述第一绕组之间传递功率；
第二功率转换器，其被连接以在所述第二绕组和所述第二功率端口之间传递功率；以及
主端口接口，其被连接在所述主功率端口和所述第三绕组之间，以循环地反转所述dc电压，并且以固定占空比向所述第三绕组提供循环地反转的电压，其中所述第一功率转换器独立于所述第二绕组和所述第二功率端口之间的功率传递来控制所述第一功率端口和所述第一绕组之间的功率传递，并且其中所述主功率端口的有效阻抗小于所述第一功率端口的有效阻抗且小于所述第二功率端口的有效阻抗。
在一个实施方案中，所述第一绕组两端的电压以及所述第二绕组两端的电压都基本成比例于所述第三绕组的所述循环地反转的电压。
在一个实施方案中，所述第二功率转换器独立于所述第一功率端口和所述第一绕组之间的功率传递来控制所述第二绕组和所述第二功率端口之间的功率传递。
在一个实施方案中，所述第二功率端口是双向功率端口，并且其中所述第二功率转换器是双向功率转换器，所述第二功率转换器被连接以在从所述第二绕组至所述第二功率端口的第一方向上以及在从所述第二功率端口至所述第二绕组的第二方向上传递功率。
在一个实施方案中，所述主功率端口是双向功率端口，并且其中所述主功率端口被连接以从所述第三绕组接收功率并向所述第三绕组传递功率。
在一个实施方案中，所述主端口接口包括桥，所述桥具有连接在所述主功率端口和所述第三绕组之间的多个开关，以响应于主控制信号来循环地反转所述dc电压，其中所述主控制信号具有所述固定占空比。
在一个实施方案中，所述能量存储元件包括蓄电池，以存储从所述能量传递元件接收的功率并向所述能量传递元件提供所存储的功率。
在一个实施方案中，所述第二功率转换器包括：
脉冲宽度调制器(PWM)，其被连接以响应于代表所述第二功率端口的输出的反馈信号来生成调制信号；以及
异或(XOR)逻辑电路，其被连接以接收所述调制信号，并且被连接以接收具有所述固定占空比的信号，其中所述XOR逻辑电路进一步被连接以输出驱动信号，以响应于所述调制信号以及所述具有所述固定占空比的信号来控制所述第二绕组和所述第二功率端口之间的功率传递。
在一个实施方案中，所述能量传递元件包括单个磁芯，并且其中所述第一绕组、所述第二绕组以及所述第三绕组经由所述单个磁芯相互磁连接。
在一个实施方案中，所述电能生成器包括光伏电池。
附图说明
从下文结合以下附图给出的对本发明更具体的描述中，本发明的几个实施方案的上述以及其他方面、特征和优势将更加明了。
图1是示出了根据本发明的一个实施方案的功率输送系统的功能性框图。
图2是示出了根据本发明的一个实施方案的示例性功率输送系统的电路图。
图3是示出了根据本发明的一个实施方案的用于图2的功率输送系统的示例性主驱动信号的波形。
图4是示出了根据本发明的一个实施方案的控制器的示图。
图5是示出了根据本发明的一个实施方案的使用XOR调制的控制器的示图。
图6是示出了根据本发明的一个实施方案的功率输送系统的各种波形的时序图。
在附图的这些视图中，对应的参考字符指示对应的部件。技术人员应理解，附图中的元件是为了简单和清楚而示出的，未必按比例绘制。例如，附图中的一些元件的尺寸相对于另一些元件可以被夸大，以帮助增进对本发明的各个实施方案的理解。而且，在商业可行的实施方案中有用或必要的普通但公知的元件常常未被描绘，以避免模糊本发明的各个实施方案。
具体实施方式
在此描述了用于独立功率端口之间的功率传递的实施方案。在下面的描述中阐述了许多具体细节，以提供对所述实施方案的透彻理解。然而，相关领域普通技术人员应意识到，可以不使用这些具体细节中的一个或多个，或者可以使用其他方法、部件、材料等，来实践在此描述的技术。在其他情况下，公知的结构、材料或操作并未被详细示出或说明，以避免模糊特定方面。
在本说明书中，“一个实施方案”“一实施方案”“一个实施例”或“一实施例”意味着，关乎该实施方案或实施例而描述的具体特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施方案中。因此，在本说明书多处出现的措辞“在一个实施方案中”“在一实施方案中”“一个实施例”或“一实施例”未必指的全都是同一实施方案或实施例。此外，在一个或多个实施方案或实施例中，所述具体特征、结构或特性可以以任何合适的组合和/或于组合来组合。另外，应理解，随此提供的附图出于向本领域普通技术人员进行解释的目的，并且这些图未必按比例绘制。
常规的功率输送系统通常使用分立的设备(因此使用分立的能量传递元件)来向和从多个位置/端口传递功率。多个功率端口可被连接在一起，以在几个功率端口之间传递能量，在这里也称作多端口功率转换(MPPC)。功率端口是功率输送(power delivery)和/或功率获取(power retrieval)的输入和/或输出位置。换言之，功率端口是可以接收、供应或者既接收又供应功率的位置。功率端口可通过功率转换器连接至能量传递元件，所述功率转换器控制功率端口和变压器之间的功率传递。单个变压器可被用于将功率从一个功率端口传递至另一个功率端口。当前，实施MPPC的一个阻碍是，用于不同功率端口的控制回路通过同一磁路(即变压器)共享共同路径。由于该变压器被这两个功率端口共享，调整一个功率路径(从一个功率端口至另一个功率端口的路径)的控制信号将影响另一个功率路径。当更多个功率端口被连接至该同一磁路时，存在更多个功率路径，这增加了调整单个功率路径的复杂性。结果，许多MPPC系统限于3个功率端口，以避免进一步的复杂性。
功率端口和能量传递元件之间的功率传递可以是单向的或者双向的。换言之，功率转换器可以是单向的或者双向的。单向功率端口可以要么供应功率要么接收功率。另一方面，双向功率端口可以既供应功率又接收功率。在一个功率输送系统中，几个功率端口可被连接在一起，以将功率从一个功率端口传递至另一个功率端口。
本发明的实施方案提供了一种MPPC系统，所述MPPC系统实现了N个功率端口，所述N个功率端口连接至使用一个低阻抗功率端口的单个磁设备——例如变压器。本发明的实施方案还可使用独特的调制方案，用于简化至少一个双向功率端口。本发明的一个方面是这样的空间拓扑，其允许每个功率端口独立于另一个功率端口起作用。结果，该功率端口和该变压器之间的功率传递独立于其他端口和该变压器之间的功率传递。该低阻抗功率端口可称作主功率端口。低阻抗功率端口的一个实例是连接至能量传递元件——即该变压器——的蓄电池，且该蓄电池和该能量传递元件之间未连接电感器。此外，其他功率端口可通过相应的功率转换器连接至该能量传递元件，所述相应的功率转换器包括电感器且具有比该主功率端口更高的阻抗。结果，即使有多个功率端口连接至该能量传递元件，也显现为每个功率端口被连接至仅单个空间切换蓄电池(spatially switched battery)。这允许一个功率端口和该能量传递元件之间的功率传递独立于其他功率端口和该能量传递元件之间的功率传递。
首先参考图1，示例性功率输送系统100的原理框图被示为具有一个功率输送网络，所述功率输送网络包括：能量传递元件102；主功率端口104；主端口接口106；第一功率端口108；第一功率转换器110；第二功率端口112；第二功率转换器114；第三功率端口116；以及，第三功率转换器118。
功率输送系统100便于向和从各个功率端口传递功率。如所示出的，能量传递元件102通过主端口接口106连接至主功率端口104。此外，第一功率端口108可通过第一功率转换器110连接至能量传递元件102。第二功率端口112可通过第二功率转换器114连接至能量传递元件102，并且第三功率端口116可通过第三功率转换器118连接至能量传递元件102。
图1中示出的功率转换器便于功率端口和能量传递元件之间的功率传递。第一功率端口108是单向功率端口的一个实例。功率由第一功率端口108供应，并且被传递至能量传递元件102(如方向箭头120所示)。这样，第一功率转换器110是单向功率转换器，其中第一功率端口108连接至功率转换器110的输入，并且能量传递元件102连接至功率转换器110的输出。在一个实施例中，第一功率转换器110的输入是dc电压输入，且输出是切换电压(switched voltage)。切换电压可以是极性交替的电压。这样，第一功率转换器110可以是dc至切换电压转换器。在图1中示出的实施例中，第一功率端口108待被连接以从电能生成器——例如光伏(PV)电池128——接收功率。功率转换器110的一个实例可以是上述的功率逆变器。
图1中进一步示出，第二功率端口112是单向功率端口。然而，第二功率端口112从能量传递元件102接收功率(如方向箭头122所示)。第二功率转换器114是单向功率转换器，其中能量传递元件102连接至第二功率转换器114的输入，并且第二功率端口112连接至第二功率转换器114的输出。在图1中示出的实施例中，第二功率端口112待被连接，以通过一个输出——例如具有频率f1的ac电压(AC1)130——为负载提供功率。
第三功率端口116是双向功率端口的一个实例。换言之，第三功率端口116可向能量传递元件102供应功率或从能量传递元件102接收功率(如方向箭头126所示)。第三功率转换器118是双向功率转换器，其一端连接至能量传递元件102且另一端连接至第三功率端口116。在图1中示出的实施例中，第三功率端口116待被连接至一个功率源，例如具有频率f2的ac电压线(voltage line)(AC2)132。
尽管图1的实施例示了三个功率端口(108、112和116)以及一个主功率端口104，但是应理解，可以将任何数目的功率端口连接至能量传递元件102。此外，应理解，所述功率端口可以是单向功率端口或双向功率端口的任何组合。另外，功率输送系统100也可具有多于一个的主功率端口和主端口接口。如上面所提及的，功率端口是可以接收或供应功率的位置。在一个实施方案中，功率端口108、112、116和104中的至少一个可包括导电元件，用于连接至该功率输送网络外部的设备。例如，功率端口108可包括用于电气地和/或物理地连接至PV电池128的线缆(wire)、终端(terminal)或连接器。功率端口可以向该功率输送网络外部的多种设备供应功率或从功率输送网络外部的多种设备接收功率。例如，功率端口可连接至高压ac(例如用于常规壁式插座的高压ac)、dc电压源(例如蓄电池)、光伏电池等。功率输送系统的另一个实施例是，具有多个三相ac输出、一个备用蓄电池和一个柴油发电机(diesel generator)的休闲车(RV)ac生成器。此外，图1中示出的功率转换器可以是任何类型的功率转换器，例如ac至dc功率转换器、dc至ac功率转换器、dc至dc功率转换器、ac至ac功率转换器、升压(step-up)转换器、降压(step-down)转换器等。
图1中还示出了主功率端口104。主功率端口104是双向功率端口(如方向箭头124所示)，并且可以向能量传递元件102供应功率或从能量传递元件102接收功率。主功率端口104是低阻抗功率端口。换言之，主功率端口104的有效阻抗ZM低于任何其他功率端口的有效阻抗(即，ZM＜Z1，ZM＜Z2，ZM＜Z3等)。对于一些实施方案，有效阻抗ZM可显著低于任何其他功率端口的有效阻抗。在一个实施例中，主功率端口的有效阻抗ZM基本为零。在功率输送系统100包括多个主功率端口和相应数目的主端口接口的实施方案中，每个主功率端口可具有相似或相等的有效阻抗ZM，其中有效阻抗ZM小于功率输送系统100中所包括的任何其他非主功率端口的有效阻抗。如图1中所示，主功率端口104连接至一个dc电压源，例如能量存储元件(蓄电池134、存储电容器或超级电容器(supercapacitor))。如上面所提及的，常规的多端口功率转换(MPPC)系统难以实施多于三个的功率端口，原因在于，由于能量传递元件共享磁路，控制从功率端口至能量传递元件的功率传递是复杂的。然而，本发明的实施方案使用主功率端口104和主端口接口106，使得任何功率端口和能量传递元件102之间的功率传递都独立于其他功率端口和该能量传递元件之间的功率传递。
如将进一步讨论的，主功率端口104可连接至蓄电池，同时主端口接口106可包括处于全桥转换器拓扑的一组开关，使得能量传递元件T1 102处的电压在正电压和负电压之间反复(toggle)。在一个实施方案中，主端口接口106作为空间切换蓄电池来运转。结果，尽管其他功率端口连接至能量传递元件102，但显现为每个功率端口都仅仅连接至空间切换蓄电池。这允许任何功率端口和能量传递元件102之间的功率传递都独立于其他功率端口和能量传递元件102之间的功率传递。此外，主功率端口104具有从功率端口接收多余(excess)功率或向功率端口供应额外(extra)功率的能力。
例如，第一功率端口108可以向能量传递元件102供应10千瓦(kW)的功率。同时，第二功率端口112希望接收10kW的功率。第二功率端口112通过能量传递元件102从第一功率端口108接收10kW的功率。在本发明的实施方案中，主功率端口104的总功率传递是0kW。这样，这10kW的功率传递可以被认为是从第一功率端口108至第二功率端口112的直接功率传递，其中零功率传递通过主功率端口104。
在另一个实施例中，在向多个功率端口供应功率时，主功率端口104可以同时接收功率。当第二功率转换器112和第三功率转换器116分别希望接收6kW和3kW时，第一功率端口108可以向能量传递元件102供应10kW的功率，并且主功率端口104从能量传递元件102接收1kW的多余功率。在本发明的实施方案中，主功率端口104通过能量传递元件102从第一功率端口108接收1kW，并且第二功率端口112通过能量传递元件102接收6kW。在基本同时，第三功率转换器116通过能量传递元件102直接从第一功率端口108接收3kW。
该主功率端口可以处置(handle)来自任何功率端口的多余功率传递。第一功率端口108可以通过能量传递元件102供应10kW的功率，并且第二功率端口112希望接收2kW的功率。第二功率端口112通过能量传递元件102从第一功率端口108接收2kW的功率，而主功率端口104通过能量传递元件102从第一功率端口108接收多余的8kW。蓄电池134可连接至主功率端口104以存储这多余的8kW，其可以稍后被供应至任何功率端口。
如上面所提及的，当需要时，主功率端口104也可以供应能量。例如，在第一功率端口108能够供应8kW的功率时，第二功率端口112可能希望接收10kW的功率。如果主功率端口104已存储了足够的能量，则主功率端口104可以将其余2kW功率供应至第二功率端口112。第二功率端口112将通过能量传递元件102从第一功率端口108接收8kW的功率，并且通过能量传递元件102从主功率端口104接收2kW。
图2示出了具有如下功率输送网络的功率输送系统200的示例性电路图，所述功率输送网络包括：能量传递元件T1 202；主功率端口204；主端口接口206；第一功率端口208；第一功率转换器210；第二功率端口212；第二功率转换器214；第三功率端口216；以及，第三功率转换器218。能量传递元件T1 202包括：单个磁芯201；主绕组220；第一绕组222；第二绕组224；以及，第三绕组226。主端口接口206包括：控制器205；开关S1 228；开关S2 230；开关S3 232；以及，开关S4 234。第一功率转换器210包括：控制器209；电感器236；开关S5 238；开关S6 240；开关S7 242；以及，开关S8 244。第二功率转换器214包括：控制器213；整流器246；开关S9 248；开关S10 250；开关S11 252；开关S12 254；电感器256；以及，电容器258。第三功率转换器218包括：控制器217；开关S13 260；开关S14 262；开关S15 264；开关S16 266；电感器268；以及，电容器270。图2中还示出了：主驱动信号UMAIN 272；倒相(inverted)主驱动信号
Figure BDA0000099394770000131
274；第一驱动信号UA 276；倒相第一驱动信号
Figure BDA0000099394770000132
278；第二驱动信号UB 280；倒相第二驱动信号
Figure BDA0000099394770000133
282；第三驱动信号UXOR 284；以及，倒相第三驱动信号
Figure BDA0000099394770000134
286。
图2中示出的功率输送系统200向或从连接到能量传递元件T1202的多个功率端口传递功率。如所示出的，主功率端口204连接至蓄电池134，蓄电池134提供dc电压——主电压VMAIN。主功率端口204通过主端口接口206连接至能量传递元件T1 202。在一个实施例中，能量传递元件T1 202是具有几个绕组的变压器。如图1中示出的，能量传递元件T1 202具有四个绕组220、222、224和226，它们经由单个磁芯201相互磁连接。尽管图2将能量传递元件T1 202示为具有四个绕组，但应理解，可使用任何数目的绕组。主端口接口206包括以半桥(H-bridge)形式连接在一起的开关S1 228、S2 230、S3 232和S4 234。如所示出的，主功率端口204的正端(positive end)连接至开关S1 228和S2 230的一端。主功率端口204的负端(negativeend)连接至开关S3 232和S4 234的一端。此外，主绕组220的一端连接至开关S2230的另一端，而主绕组220的另一端连接至开关S3232的另一端。换言之，主绕组220的一端连接至开关S2 230和S4 234之间的节点。主绕组220的另一端连接至开关S1 228和S3 232之间的节点。
开关S1 228和开关S4 234被连接以接收由控制器205生成的主驱动信号UMAIN 272。提供主驱动信号UMAIN 272的控制器205的一个实例被关于图3示出。开关S1 228和S4 234响应于主驱动信号UMAIN272而打开(open)和闭合(close)。通常理解，闭合的开关可以传导电流从而被认为是接通的(on)，而打开的开关不能传导电流从而被认为是断开的(off)。主驱动信号UMAIN 272是具有逻辑高段和逻辑低段的矩形脉冲波形。
在一个实施方案中，主功率端口204和能量传递元件202的绕组220之间的功率传递独立于任何其他功率端口和能量传递元件202之间的个体功率传递。然而，应理解，主功率端口204处置功率的不足或多余。换言之，主功率端口204输送或存储额外功率。由能量传递元件202接收的功率的总和等于由能量传递元件202供应的功率的和。例如，控制器205可以被包括在功率转换器206中，使得在控制器205处不接收关于任何其他端口(即，208、212、216)、功率转换器(210、214、218)或绕组电压(即，V1、V2、V3)的反馈信息。而是，控制器205可以生成具有固定占空比的主驱动信号UMAIN 272。例如，主驱动信号UMAIN 272可具有固定至基本50％的占空比。换言之，所述逻辑高段和所述逻辑低段具有基本相等的长度。主驱动信号UMAIN 272也可具有固定的频率。对于图2中示出的实施例，当主驱动信号UMAIN 272为逻辑高时，开关S1228和S4234是闭合的。当主驱动信号UMAIN 272为逻辑低时，开关S1228和S4234是打开的。尽管图2将开关S1 228和S4 234示为从单个控制器205接收主驱动信号UMAIN 272，但每个开关也可以从分立的驱动器接收UMAIN 272。
在图2所示的实施例中，开关S2 230和开关S3 232接收由控制器205生成的倒相主驱动信号
Figure BDA0000099394770000141
274。开关S2 230和S3 232响应于倒相主驱动信号274而打开和闭合。当主驱动信号UMAIN 272为逻辑高时，倒相主驱动信号
Figure BDA0000099394770000143
274为逻辑低，反之亦然。尽管图2将开关S2 230和开关S3 232示为从单个控制器205接收倒相主驱动信号
Figure BDA0000099394770000144
274，但替代地，也可以用一个驱动器生成信号UMAIN 272而用另一个驱动器生成274。甚至，可以用四个分立的驱动器为每个开关生成相应的驱动信号。如上面所提及的，开关S1 228、S2 230、S3 232和S4 234以半桥配置连接在一起。这样，开关S1 228和S4 234成对地打开和闭合，并且开关S2230和S3232也成对地打开和闭合。此外，当开关S1 228和S4 234是打开的时，开关S2 230和S3 232是闭合的，反之亦然。
在运转中，当开关S1 228和S4 234是闭合的时，第二功率端口204被连接为使得负主电压VMAIN 204被施加至主绕组220。当开关S2230和S3 232是闭合的时，第二功率端口204被连接为使得正主电压VMAIN 204被施加至主绕组220。这样，主绕组220上的电压VM是循环地反转的(cyclically reversed)主电压VMAIN 204。例如：当开关S2 230和S3 232是闭合的且开关S1 228和S4 234是打开的时，
VM＝+VMAIN    (1)
当开关S1 228和S4 234是闭合的且开关S2 230和S3 232是打开的时，
VM＝-VMAIN    (2)
主驱动信号UMAIN 272的占空比确定了主绕组220上的电压VM有多长是正主电压+VMAIN 204，以及主绕组220上的电压VM有多长是负主电压-VMAIN 204。当主驱动信号UMAIN 272的占空比为基本50％时，该占空比确定了主绕组220上的电压VM从正主电压+VMAIN 204和负主电压-VMAIN 204的均等转变(equal transitions)。如图2中所示，主功率端口204是最低阻抗端口，因为主端口接口206不包括电感器，而功率转换器210、214和218都包括电感器。如将进一步讨论的，在第一绕组222、第二绕组224和第三绕组226上出现了与主绕组220上的电压VM成比例的电压。由于主功率端口204是最低阻抗功率端口，第一绕组222上的电压是由主端口接口206和主功率端口204的操作确定的。此外，第二绕组224上的电压以及第三绕组226上的电压是由主端口接口206和主功率端口204的操作确定的。
图2中还示出了第一功率端口208。在一个实施例中，第一功率端口208连接至具有dc电压——PV电压VPV——的光伏(PV)电池128。第一功率端口208通过第一功率转换器210连接至能量传递元件T1的第一绕组222。第一功率端口208是单向功率端口，且向能量传递元件T1 202供应功率。第一功率转换器210包括以半桥形式连接在一起的开关S5 238、S6 240、S7 242和S8 244。第一功率转换器210中还包括电感器236。
如所示出的，第一功率端口208的正端连接至电感器236的一端，而第一功率端口208的负端连接至开关S7 242和S8 244的一端。电感器236的另一端则连接至开关S5 238和S6 240的一端。在所示出的实施例中，第一绕组222的一端连接至开关S6240的另一端，且第一绕组222的另一端连接至开关S7 242的另一端。换言之，第一绕组222的一端连接至开关S6 240和开关S8 244之间的节点。第一绕组222的另一端连接至开关S7 242和开关S5 238之间的节点。
开关S5238和开关S8244被连接以接收由控制器209生成的第一驱动信号UA 276。开关S5 238和S8 244响应于第一驱动信号UA 276而打开和闭合。第一驱动信号UA 276是具有逻辑高段和逻辑低段的矩形脉冲波形。在一个实施方案中，当第一驱动信号UA 276为逻辑高时，开关S5 238和S8 244是闭合的。当第一驱动信号UA 276为逻辑低时，开关S5 238和S8 244是打开的。尽管图2将开关S5 238和S8 244示为从单个控制器209接收第一驱动信号UA 276，但每个开关也可以替代地从分立的驱动器接收第一驱动信号UA 276。
开关S6 240和开关S7 242接收由控制器209生成的倒相第一驱动信号
Figure BDA0000099394770000161
278。开关S6 240和S7 242响应于倒相第一驱动信号278而打开和闭合。当第一驱动信号UA 276为逻辑高时，倒相第一驱动信号
Figure BDA0000099394770000163
278为逻辑低，反之亦然。尽管图2将开关S6 240和S7 242示为都从控制器209接收倒相第一驱动信号
Figure BDA0000099394770000164
278，但替代地，可以用一个驱动器生成第一驱动信号UA 276，而用另一个驱动器生成倒相驱动信号
Figure BDA0000099394770000165
278。甚至，可以针对每个开关使用一个分立的驱动器。在一个实施方案中，第一驱动信号UA 276和倒相驱动信号278的占空比是脉冲宽度调制(PWM)信号。在另一个实施方案中，第一驱动信号UA 276和倒相驱动信号278的占空比是固定的，且进一步，第一驱动信号UA 276和倒相驱动信号
Figure BDA0000099394770000168
278的频率也可以是固定的。在另一个实施方案中，第一驱动信号UA 276的占空比与主驱动信号UMAIN 272的占空比基本相同。如上面所提及的，开关S5 238、S6 240、S7 242和S8 244以半桥形式连接在一起。这样，对于PWM控制，开关S5 238和S8 244成对地打开和闭合，并且开关S6 240和S7 242成对地打开和闭合。此外，当开关S5 238和S8 244是打开的时，开关S6 240和S7 242是闭合的，反之亦然。根据本发明的实施方案，所述开关可被控制以实现从PV电池128和第一功率端口208至能量传递元件202的降压(buck)或升压(boost)功能。尽管该实施例示出了PWM控制技术，但应理解，可使用其他调制技术，例如相移调制(phase shift modulation)。此外，控制器209和第一功率转换器210可组合多个功能，例如电压或电流模式控制与MPPT功能组合。
如上面所提及的，第一绕组222上的电压成比例于主绕组220的电压VM。如上面所讨论的，主绕组220在正主电压+VMAIN和负主电压-VMAIN之间反转极性。由于有效阻抗ZM低于任何其他功率端口的有效阻抗，第一阻抗222上的电压在与正主电压+VMAIN成比例的电压和与负主电压-VMAIN成比例的电压之间反转极性。所述比例归因于第一绕组222的匝数和主绕组220的匝数之间的比率：
V 1 = N 1 N M V M - - - ( 3 )
其中，V1是第一绕组222上的电压，N1是第一绕组222的匝数，NM是主绕组220的匝数，且VM是主绕组220上的电压。
在一个实施方案中，第一功率端口208和能量传递元件202的绕组222之间的功率传递独立于任何其他功率端口和能量传递元件202之间的功率传递。例如，控制器209可被包括在功率转换器210中，使得在控制器209处不接收关于任何其他端口(即，204、212、216)、功率转换器(206、214、218)或绕组电压(即，VM、V2、V3)的瞬时状态的反馈信息。在运转中，第一功率转换器210将第一功率端口的PV电压VPV 208转换为被直接注入主绕组220的低阻抗(如等式3中所示)的电流。在一个实施例中，第一功率转换器210运转，使得来自PV电池128的dc电流被包括开关S5 238、S6 240、S7 242和S8 248的半桥注入。与主端口接口206中的半桥相似，开关S5 238、S6 240、S7 242和S8 248被打开和闭合，使得切换电流(switched current)被注入第一绕组222。在一个实施方案中，第一功率转换器210作为最大功率点跟踪器(MPPT)与降压-升压功率转换器的组合来运转。
图2中进一步示出了第二功率端口212。如所示出的，第二功率端口212正在向负载(未示出)生成具有频率f1的ac电压VAC1 130。在一个实施例中，第二功率端口212可输送通常用在常规壁式插座中的高压ac。第二功率端口212通过第二功率转换器214连接至能量传递元件T1 202的第二绕组224。第二功率端口212是单向功率端口，且从能量传递元件T1202接收能量。第二功率转换器214包括整流器246和以半桥形式连接在一起的开关S9 248、S10 250、S11 252和S12254。第二功率转换器214中还包括电感器256和电容器258。
如所示出的，整流器246连接至能量传递元件T1 202的第二绕组224。整流器246接收第二绕组224上的电压，并且输出已整流的dc电压。整流器246进一步连接至由开关S9 248、S10 250、S11 252和S12 254组成的半桥。电感器256连接至开关S9 248和开关S11 252之间的节点。电感器256进一步连接至电容器258。第二功率端口212连接在电容器258两端。电容器258和第二功率端口212连接至开关S10250和开关S12254之间的节点。如所示出的，第二功率转换器214是单向ac功率转换器。
S9 248和开关S12 254接收由控制器213生成的第二驱动信号UB280。在一个实施方案中，控制器213响应于代表ac电压VAC1 130的反馈信号而生成第二驱动信号UB 280，以调节由功率转换器214输出的ac电压VAC1 130。开关S9 248和S12 254响应于第二驱动信号UB280而打开和闭合。第二驱动信号UB 280也是具有逻辑高段和逻辑低段的矩形脉冲波形。在一个实施方案中，当第二驱动信号UB 280为逻辑高时，开关S9 248和S12 254是闭合的。当第二驱动信号UB 280为逻辑低时，开关S9 248和S12 254是打开的。尽管图2将开关S9 248和S12 254示为都从控制器213接收第二驱动信号UB 280，但每个开关可以替代地从分立的驱动器接收第二驱动信号UB 280。
开关S10 250和S11 252接收由控制器213生成的倒相第二驱动信号
Figure BDA0000099394770000181
282。开关S10 250和S11 252响应于倒相第二驱动信号282而打开和闭合。当第二驱动信号UB 280为逻辑高时，倒相第二驱动信号
Figure BDA0000099394770000183
282为逻辑低，反之亦然。尽管图2将开关S10 250和S11 252示为都从控制器209接收倒相第二驱动信号
Figure BDA0000099394770000184
282，但替代地，可以用一个驱动器生成第二驱动信号UB 280，而用另一个驱动器生成倒相第二驱动信号
Figure BDA0000099394770000191
282。甚至，可以针对每个开关使用一个分立的驱动器。如上面所提及的，开关S9 248、S10 250、S11 252和S12 254以半桥形式连接在一起。这样，在一个实施方案中，S9 248和S12 254成对地打开和闭合，并且开关S10 250和S11 252成对地打开和闭合。此外，当开关S9 249和S12 254是打开的时，开关S10 250和S11 252是闭合的，反之亦然。
在一个实施方案中，第二功率端口212和能量传递元件202的绕组224之间的功率传递独立于任何其他功率端口和能量传递元件202之间的功率传递。例如，控制器213可被包括在功率转换器214中，使得在控制器213处不接收关于任何其他端口(即，204、208、216)、功率转换器(206、210、218)或绕组电压(即，VM、V1、V3)的瞬时状态的反馈信息。在运转中，第二绕组224上的电压V2成比例于主绕组220的电压VM。如上面所讨论的，主绕组220在正主电压+VMAIN和负主电压-VMAIN之间反转极性。由于主功率端口204的较低阻抗ZM，第二绕组224上的电压V2也在与正主电压+VMAIN成比例的电压和与负主电压-VMAIN成比例的电压之间反转极性。所述比例归因于第二绕组224的匝数和主绕组220的匝数之间的比率：
V 2 = N 2 N M V M - - - ( 4 )
其中，V2是第二绕组224上的电压，N2是第二绕组的匝数。在运转中，第二功率转换器214将第二绕组224上的电压V2转换为第二功率端口212的高压ac——VAC1 130。
图2还示出了第三功率端口216。在一个实施例中，第三功率端口216连接至具有ac电压VAC2和频率f2的ac电压线132。高压ac线132——其连接至第三功率端口216——可以是电网(power grid)的一个实例。第三功率端口216还通过第三功率转换器218连接至能量传递元件T1 202的第三绕组226。第三功率端口216是双向功率端口，并且可以既向能量传递元件T1 202供应能量又从能量传递元件T1 202接收能量。第三功率转换器218包括以半桥形式连接在一起的开关S13 260、S14 262、S15 264和S16 266。开关S13 260、S14 262、S15 264和S16 266可以是四象限开关(four quadrant switches)。第三功率转换器218中还包括电感器268和电容器270。如图2中示出的，第三功率转换器218是双向ac功率转换器。
典型的双向ac功率转换器可被分为四级。在第一级中，ac电压被转换为dc电压。在第二级中，该dc电压则被转换为驱动能量传递元件(例如隔离变压器)的切换电压。通常，第一级连接至ac线，第二级连接至能量传递元件(隔离变压器)。在该能量传递元件的另一侧还存在两个级，这两个级具有相等数目的开关、大容量电容器(bulkcapacitor)、电感器、驱动器、控制器等，其与前两个级成镜像。尽管每个级的部件的数目因该级的实现方式而异，但是每个级可以用多达八个开关来实现四个等效转换器：双向ac-dc转换器、双向dc-dc转换器和/或dc-ac转换器。在典型的双向功率转换器中，这将等于多达16或32个开关。每个开关通常具有其自身的驱动器来控制该开关的切换，这相当于常规的隔离双向功率端口的16或32个驱动器。常规的双向功率转换器中使用的开关可以是四象限开关(four-quadrantswitches)。通常，四象限开关允许电流在两个方向上通过该开关，并且该开关两端的电压的极性可以是正极性或负极性。四象限开关可以每个开关都包括一个n型金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，其与另一个n型MOSFET串联连接。
在一个典型的隔离双向功率转换器中，控制第二级中的开关的信号可被称为ac调制信号，因为输出连接至ac电压线。本发明的实施方案使用空间调制，以简化具有ac电压线的典型的隔离双向功率转换器。如进一步讨论的，在双向功率端口218中使用单个半桥。然而，控制该半桥的开关的驱动信号是主驱动信号UMAIN和ac调制信号的组合。在本发明的实施方案中，异或(XOR)的输出控制了双向第三功率转换器218的桥整流器中的开关的切换。该XOR的一个输入是该ac调制信号，而该XOR的另一个输入是主驱动信号UMAIN。所讨论的实施方案用XOR调制方案来使用主驱动信号UMAIN 272，以将该双向功率转换器简化至能量传递元件的每一侧上存在单个级，而不是像常规的双向功率转换器那样能量传递元件的每一侧上存在两个级。使用较少的开关还使得用于功率转换器的控制器、驱动器、滤波器等的数目最小化，并且降低了功率输送系统的成本、尺寸和重量，以及提高了功率输送系统的效率。
如所示出的，第三绕组226连接至由S13 260、S14 262、S15 264和S16 266组成的半桥。第三绕组226的一端连接至开关S13 260和S14 262的一端。第三绕组226的另一端进一步连接至S15 264和S16266的一端。电感器268连接至开关S13 260和S15 264之间的节点。该电感器进一步连接至电容器270。第三功率端口VAC2 216也连接至电容器270两端。电容器270和第三功率端口216进一步连接至开关S14 262和开关S16 266之间的节点。在所示出的实施例中，第三功率转换器218是双向且隔离的ac功率转换器的一部分。
开关S13 260和开关S16 266接收由控制器217生成的第三驱动信号UXOR 284。在一个实施方案中，开关S13 260和S16 266响应于第三驱动信号UXOR 284而打开和闭合。在一个实施方案中，控制器217响应于代表ac电压VAC2 132的信号而生成第三驱动信号UXOR，以控制该ac电压源和第三绕组226之间的功率传递。第三驱动信号UXOR 284是具有逻辑高段和逻辑低段的矩形脉冲波形。在一个实施例中，当第三驱动信号UXOR 284为逻辑高时，开关S13 260和S16 266是闭合的。当第三驱动信号UXOR 284为逻辑低时，开关S13 260和S16 266是打开的。尽管图2将开关S13 260和S16 266示为都从控制器217接收第三驱动信号UXOR 284，但每个开关可以替代地从分立的驱动器接收第三驱动信号UXOR 284。
在一个实施方案中，开关S14 262和开关S15 264接收由控制器217生成的倒相第三驱动信号
Figure BDA0000099394770000211
286。开关S14 262和开关S15 264响应于倒相第三驱动信号
Figure BDA0000099394770000212
286而打开和闭合。当第三驱动信号UXOR 284为逻辑高时，倒相第三驱动信号286为逻辑低，反之亦然。尽管图2将开关S14 262和开关S15 264示为都从控制器217接收倒相第三驱动信号
Figure BDA0000099394770000214
286，但替代地，可以用一个驱动器生成第三驱动信号UXOR 284，而用另一个驱动器生成倒相第三驱动信号
Figure BDA0000099394770000215
286。甚至，针对每个开关可以使用一个分立的驱动器。如上面所提及的，开关S13 260、S14 262、S15 264和S16 266以半桥形式连接在一起。在一个实施方案中，开关S13 260和S16 266成对地打开和闭合，并且开关S14 262和S15 264成对地打开和闭合。此外，当开关S13 260和S16 266是打开的时，开关S14 262和S15 264是闭合的，反之亦然。
如下面将关于图5进一步讨论的，第三功率转换器218可以使用用这样的XOR调制方案，其用一个与主驱动信号UMAIN 272具有相同占空比的信号，以将该双向功率转换器从两个级简化至单个级。在本发明的实施方案中，用于第三功率转换器218的原始驱动信号被一个与主驱动信号UMAIN 272具有相同占空比的信号调制，以产生第三驱动信号UXOR 284。
在一个实施方案中，第三功率端口216和能量传递元件202的绕组226之间的功率传递独立于第一功率端口208和能量传递元件202之间的功率传递，并且也独立于第二功率端口212和能量传递元件202之间的功率传递。主功率端口204和主端口接口206用作能量仲裁器(energy arbiter)，其接收任何多余功率，或者当存在功率不足时供应额外功率。例如，控制器217可被包括在功率转换器218中，使得在控制器217处不接收关于任何端口204、208和212、功率转换器210和214或者主端口接口206的瞬时状态的反馈信息。第三绕组226上的电压V3成比例于主绕组220的电压VM。主绕组220在正主电压+VMAIN和负主电压-VMAIN之间反转极性。由于主功率端口204的较低阻抗ZM，第三绕组226上的电压V3也在与正主电压+VMAIN成比例的电压和与负主电压-VMAIN成比例的电压之间反转极性。该比例归因于第三绕组226的匝数和主绕组220的匝数之间的比率：
V 3 = N 3 N M V M - - - ( 5 )
其中，V3是第三绕组226上的电压，N3是第三绕组226的匝数。在运转中，第三功率转换器218将第三绕组226上的电压(V3)转换为第三功率端口216的ac电压VAC2。
图3是示出了用于图2的功率输送系统的示例性主驱动信号UMAIN272的波形，包括：主驱动信号UMAIN 272；倒相主驱动信号
Figure BDA0000099394770000222
274；控制器302；接通时间tON 304；断开时间tOFF 306；以及，切换周期TS 308。如所示出的，控制器302向图2中示出的开关提供主驱动信号UMAIN 272和倒相主驱动信号
Figure BDA0000099394770000223
274二者。然而，应理解，可以用两个分立的驱动器供应主驱动信号UMAIN 272和倒相主驱动信号274。
如图3中所示，主驱动信号UMAIN 272是具有逻辑高段和逻辑低段的矩形脉冲波形。所述逻辑高段具有标记为接通时间tON 304的长度，并且所述逻辑低段具有标记为断开时间tOFF 306的长度。在接通时间tON 304的开始处，主驱动信号UMAIN 272跳至逻辑高值，并在接通时间tON 304的剩余时间保持在该逻辑高值，并且接收主驱动信号UMAIN 272的开关是闭合的。在断开时间tOFF 306的开始处，主驱动信号UMAIN 272转变至逻辑低值，并在断开时间tOFF 306的剩余时间保持在该逻辑低值，并且接收主驱动信号UMAIN 272的开关是打开的。切换周期TS 308是接通时间tON 304和断开时间tOFF 306的和。在本发明的实施方案中，主驱动信号UMAIN 272具有基本固定的接通时间tON 304、断开时间tOFF 306和切换周期TS 308。这样，该占空比(接通时间tON 304与切换周期TS 308的比率)也是基本固定的。在本发明的一个实施方案中，该占空比被固定在基本50％。在另一个实施方案中，该占空比被基本固定在小于50％，以考虑到开关从ON状态转到OFF状态所花费的时间。换言之，接通时间tON 304被设置为：切换周期TS 308的50％减去该开关从ON状态转到OFF状态所花费的转变时间。相似地，可从断开时间tOFF 306中减去相同的转变时间。
图4是示出了控制器400的示意图，该控制器使用脉冲宽度调制器(PWM)402且包括三角波形生成器404和比较器406。尽管未示出，但控制器400中还包括其他部件。图4中进一步示出了反馈电路408、三角波形信号UTRI 410、输出量(output quantity)UO 412、反馈信号UFB 414和驱动信号416。控制器400是可提供第二驱动信号UB 280的控制器的一个实例。
在图4的实施例中，PWM 402包括三角波形生成器404和比较器406。三角波形410被连接至比较器406的倒相输入(invertinginput)，并且产生三角波形信号UTRI 410。在一个实施方案中，三角波形信号UTRI 410是电压信号。在另一个实施方案中，可以用锯齿波形生成器来替代三角波形生成器。反馈电路408连接至比较器406的非倒相输入(non-inverting input)。应理解，反馈电路408可以被包括或不被包括在控制器400中。反馈电路408接收输出量UO 412，并且输出量UO 412可以是电流信号或电压信号。输出量UO 412与输出电压、输出电流或这二者成比例。反馈电路408被连接，以感测来自功率转换器的输出量UO 412，并且产生反馈信号UFB 414。反馈信号UFB 414可以是电压信号或电流信号。反馈信号UFB 414代表输出量UO 412，并且在比较器406的非倒相输入处被接收。然后比较器406输出驱动信号416，以控制开关的切换。
在运转中，当反馈信号UFB 414和三角波形410都是电压信号时，当反馈信号UFB 414大于三角波形410时，比较器406输出逻辑高值。另一方面，当三角波形410大于反馈信号UFB 414时，比较器406输出逻辑低值。驱动信号416可以是第二驱动信号UB 280的一个实例。此外，输出量UO 412可以代表第二功率端口212的ac电压VAC1 132。
图5是示出了使用XOR调制的控制器500的示图，包括脉冲宽度调制(PWM)502和XOR门504。尽管未示出，但控制器500中还包括其他部件。PWM 502进一步包括三角波形生成器506和比较器508。图5中还示出了反馈电路510、倒相器512、三角波形信号UTRI 514、AC2量UAC2 516、反馈信号UFB 518、ac调制信号520、主量(main quantity)UMAIN’522、第三驱动信号UXOR 284和倒相第三驱动信号
Figure BDA0000099394770000241
286。控制器500是可提供如关于图2所示的第三驱动信号UXOR 284和倒相第三驱动信号
Figure BDA0000099394770000242
286的控制器的一个实例。应理解，反馈电路510和倒相器512可以被包括或不被包括在控制器500中。
控制器500是关于图2涉及的空间调制和第三功率转换器218的的一个实例。如上面所提及的，常规的双向ac至ac功率转换器使用两级功率转换器：ac-dc功率转换器之后是dc-ac功率转换器。对于第二级，用于控制开关切换的控制方案可称作ac调制信号，因为第三功率端口216是ac电压线。本发明的实施方案通过将XOR调制与单级桥整流器一起使用来简化常规的双向ac至ac功率转换器。控制器500是使用代表主驱动信号UMAIN 272的信号来调制ac调制信号的一个实例。如图5中所示，通过一个代表主驱动信号UMAIN 272的信号(主量UMAIN’522)来调制ac调制信号520。该代表主驱动信号UMAIN 272的信号(主量UMAIN’522)可以通过控制器500内的主量信号UMAIN’生成器524来生成。此外，该代表主驱动信号UMAIN 272的信号(主量UMAIN’522)可以与或可以不与主驱动信号UMAIN 272同步。对于简单的功率输送系统，主量UMAIN’522可以与主驱动信号UMAIN 272同步。对于更复杂的具有多个主功率端口和主端口接口的的功率输送系统，主量UMAIN’522可以不与主驱动信号UMAIN 272同步。因此，在一个实施方案中，第三功率端口216和能量传递元件202的绕组226之间的功率传递可以独立于主功率端口204和能量传递元件202之间的功率传递，而且独立于第一功率端口208和第二功率端口212的功率传递。
PWM 502、三角波形生成器506、比较器508和反馈电路510以与图4中示出的相应部件类似的方式连接和起作用。反馈电路510接收AC2量UAC2 516。AC2量UAC2 516可以是电压信号或电流信号，并且在一个实施例中代表第三功率端口216的ac电压VAC2 132。反馈电路510被连接，以感测来自第三功率端口216的AC2量UAC2 516，并且产生反馈信号UFB 518。反馈信号UFB 518可以是电压信号或电流信号。反馈信号UFB 518代表AC2量UAC2 516，并且在比较器508非倒相输入处被接收。比较器508在其倒相输入处接收来自三角波形生成器506的三角波形UTRI 514。比较器508输出ac调制信号520。在其他应用中，ac调制信号520等效于控制开关切换的驱动信号。然而，在本发明的实施方案中，进一步用主量UMAIN’522来调制ac调制信号520，以产生第三驱动信号UXOR 284。通过用主量UMAIN’522来调制ac调制信号520，常规的双向功率转换器可以被简化至仅一个半桥级。
比较器508的输出连接至XOR门504的一个输入，并且接收ac调制信号520。XOR门504的另一个输入被连接，以接收代表主驱动信号UMAIN 272的信号——主量UMAIN’522。如所示出的，XOR门504的输出是第三驱动信号UXOR 284。在一个实施例中，进一步连接至XOR门504的输出的，是倒相器512。倒相器512接收第三驱动信号UXOR 284，并且输出倒相第三驱动信号
Figure BDA0000099394770000251
286。
图6是示出了控制器500的各种波形的时序图600。时序图600示出了三角波形UTRI 514、反馈信号UFB 518、ac调制信号520、主量UMAIN’522和第三驱动信号UXOR 284的实例。
如所示出的，三角波形UTRI 514是在正电压和负电压之间振荡的波形，并且反馈信号UFB 518是正弦波形。图6示出了反馈信号UFB 518的一个周期。如上面所提及的，反馈信号UFB 518代表第三功率端口216的ac电压VAC2。在时刻t1 602和时刻t2 604之间，三角波形UTRI514的幅度大于反馈信号UFB 518幅度。这样，ac调制信号520(其从比较器508被输出)是逻辑低值。在时刻t1 602和时刻t2 604之间，主量UMAIN’522(代表主驱动信号UMAIN 272)处于逻辑低值。结果，XOR门504和第三驱动信号UXOR 284的输出是逻辑低。
在时刻t2 604和t3 606之间，三角波形UTRI 514的幅度仍大于反馈信号UFB 518的幅度，并且ac调制信号520是逻辑低值。然而，主量UMAIN’522从逻辑低值转变至逻辑高值，这导致XOR门504和第三驱动信号UXOR 284的输出转变至逻辑高值。
尽管在此公开的本发明已通过其具体实施方案、实施例和应用进行了描述，但是在不背离权利要求限定的本发明范围的前提下，本领域技术人员可以对其做出许多改型和变体。

Claims (31)

1.一种用于在多个功率端口之间传递功率的功率输送网络，所述功率输送网络包括：
能量传递元件，其具有第一绕组、第二绕组和第三绕组，其中第一功率转换器待被连接以在第一功率端口和所述第一绕组之间传递功率，并且其中第二功率转换器待被连接以在所述第二绕组和第二功率端口之间传递功率；
主功率端口，其待被连接至dc电压；以及
主端口接口，其被连接在所述主功率端口和所述第三绕组之间，以循环地反转所述dc电压，并且以固定占空比向所述第三绕组提供循环地反转的电压，其中所述第一功率转换器独立于所述第二绕组和所述第二功率端口之间的功率传递来控制所述第一功率端口和所述第一绕组之间的功率传递，并且其中所述主功率端口的有效阻抗小于所述第一功率端口的有效阻抗且小于所述第二功率端口的有效阻抗。
2.根据权利要求1所述的功率输送网络，其中所述主功率端口是双向功率端口，并且其中所述主功率端口被连接以从所述第三绕组接收功率并向所述第三绕组传递功率。
3.根据权利要求1所述的功率输送网络，其中所述主端口接口包括桥，所述桥具有连接在所述主功率端口和所述第三绕组之间的多个开关，以响应于主控制信号来循环地反转所述dc电压，其中所述主控制信号具有所述固定占空比。
4.根据权利要求1所述的功率输送网络，其中所述能量传递元件包括单个磁芯，并且其中所述第一绕组、所述第二绕组以及所述第三绕组经由所述单个磁芯相互磁连接。
5.一种用于在多个功率端口之间传递功率的功率输送网络，所述功率输送网络包括：
能量传递元件，其具有第一绕组、第二绕组和第三绕组；
第一功率转换器，其被连接以在第一功率端口和所述第一绕组之间传递功率；
第二功率转换器，其被连接以在所述第二绕组和第二功率端口之间传递功率；
主功率端口，其被连接至电压；以及
主端口接口，其被连接在所述主功率端口和所述第三绕组之间，以以固定占空比向所述第三绕组提供循环地反转的电压，其中所述第一功率转换器独立于所述第二绕组和所述第二功率端口之间的功率传递来控制所述第一功率端口和所述第一绕组之间的功率传递，并且其中所述主功率端口的有效阻抗小于所述第一功率端口的有效阻抗且小于所述第二功率端口的有效阻抗。
6.根据权利要求5所述的功率输送网络，其中所述第一绕组两端的电压和所述第二绕组两端的电压都基本成比例于所述第三绕组的所述循环地反转的电压。
7.根据权利要求5所述的功率输送网络，其中所述第二功率转换器独立于所述第一功率端口和所述第一绕组之间的功率传递来控制所述第二绕组和所述第二功率端口之间的功率传递。
8.根据权利要求5所述的功率输送网络，其中所述第一功率转换器包括：
开关，其被连接以响应于驱动信号来控制所述第一功率端口和所述第一绕组之间的功率传递；以及
控制器，其被连接以生成所述驱动信号，以独立于所述第二绕组、独立于所述第二功率端口以及独立于所述第二功率转换器来调整所述第一功率转换器的输出。
9.根据权利要求8所述的功率输送网络，其中所述控制器不接收关于所述第二绕组、所述第二功率端口和所述第二功率转换器的反馈信息。
10.根据权利要求5所述的功率输送网络，其中所述第一功率端口是单向功率端口，并且其中所述第一功率转换器被连接以仅在从所述第一功率端口至所述第一绕组的方向上传递功率。
11.根据权利要求5所述的功率输送网络，其中所述第二功率端口是单向功率端口，并且其中所述第二功率转换器被连接以仅在从所述第二绕组至所述第二功率端口的方向上传递功率。
12.根据权利要求5所述的功率输送网络，其中所述第二功率端口是双向功率端口，并且其中所述第二功率转换器是双向功率转换器，所述第二功率转换器被连接以在从所述第二绕组至所述第二功率端口的第一方向上以及在从所述第二功率端口至所述第二绕组的第二方向上传递功率。
13.根据权利要求5所述的功率输送网络，其中所述第二功率转换器是ac至ac功率转换器，并且其中所述第二功率端口提供ac输出电压。
14.根据权利要求5所述的功率输送网络，其中所述第一功率转换器是dc至ac功率转换器，并且其中所述第一功率端口待被连接以接收dc电压。
15.根据权利要求5所述的功率输送网络，其中所述主功率端口是双向功率端口，并且其中所述主功率端口被连接以从所述第三绕组接收功率并向所述第三绕组传递功率。
16.根据权利要求5所述的功率输送网络，其中所述主端口接口包括桥，所述桥具有连接在所述主功率端口和所述第三绕组之间的多个开关，以响应于主控制信号来循环地反转在所述主功率端口处接收的电压，其中所述电压是dc电压。
17.根据权利要求16所述的功率输送网络，其中所述主端口接口进一步包括控制器，所述控制器被连接以提供具有所述固定占空比的所述主控制信号。
18.根据权利要求17所述的功率输送网络，其中所述控制器被连接以以所述固定占空比和固定频率提供所述主控制信号。
19.根据权利要求5所述的功率输送网络，其中所述主功率端口待被连接至能量存储元件，以存储从所述能量传递元件接收的功率并向所述能量传递元件提供所存储的功率。
20.根据权利要求5所述的功率输送网络，其中所述第二功率转换器包括：
脉冲宽度调制器(PWM)，其被连接以接收代表所述第二功率端口的输出的反馈信号，其中所述PWM进一步被连接以生成调制信号；以及
异或(XOR)逻辑电路，其被连接以接收所述调制信号，并且被连接以接收具有所述固定占空比的信号，其中所述XOR逻辑电路进一步被连接以输出驱动信号，以响应于所述调制信号和所述具有所述固定占空比的信号来控制所述第二绕组和所述第二功率端口之间的功率传递。
21.根据权利要求5所述的功率输送网络，其中所述能量传递元件包括单个磁芯，并且其中所述第一绕组、所述第二绕组以及所述第三绕组经由所述单个磁芯相互磁连接。
22.一种功率输送系统，包括：
第一功率端口、第二功率端口和主功率端口；
电能生成器，其被连接以向所述第一功率端口提供功率；
能量存储元件，其被连接以向所述主功率端口提供dc电压；
能量输送网络，其用于在所述第一功率端口、所述第二功率端口和所述第三功率端口之间传递功率，所述网络包括：
能量传递元件，其具有第一绕组、第二绕组和第三绕组；
第一功率转换器，其被连接以在所述第一功率端口和所述第一绕组之间传递功率；
第二功率转换器，其被连接以在所述第二绕组和所述第二功率端口之间传递功率；以及
主端口接口，其被连接在所述主功率端口和所述第三绕组之间，以循环地反转所述dc电压，并且以固定占空比向所述第三绕组提供循环地反转的电压，其中所述第一功率转换器独立于所述第二绕组和所述第二功率端口之间的功率传递来控制所述第一功率端口和所述第一绕组之间的功率传递，并且其中所述主功率端口的有效阻抗小于所述第一功率端口的有效阻抗且小于所述第二功率端口的有效阻抗。
23.根据权利要求22所述的功率输送系统，其中所述第一绕组两端的电压以及所述第二绕组两端的电压都基本成比例于所述第三绕组的所述循环地反转的电压。
24.根据权利要求22所述的功率输送系统，其中所述第二功率转换器独立于所述第一功率端口和所述第一绕组之间的功率传递来控制所述第二绕组和所述第二功率端口之间的功率传递。
25.根据权利要求22所述的功率输送系统，其中所述第二功率端口是双向功率端口，并且其中所述第二功率转换器是双向功率转换器，所述第二功率转换器被连接以在从所述第二绕组至所述第二功率端口的第一方向上以及在从所述第二功率端口至所述第二绕组的第二方向上传递功率。
26.根据权利要求22所述的功率输送系统，其中所述主功率端口是双向功率端口，并且其中所述主功率端口被连接以从所述第三绕组接收功率并向所述第三绕组传递功率。
27.根据权利要求22所述的功率输送系统，其中所述主端口接口包括桥，所述桥具有连接在所述主功率端口和所述第三绕组之间的多个开关，以响应于主控制信号来循环地反转所述dc电压，其中所述主控制信号具有所述固定占空比。
28.根据权利要求22所述的功率输送系统，其中所述能量存储元件包括蓄电池，以存储从所述能量传递元件接收的功率并向所述能量传递元件提供所存储的功率。
29.根据权利要求22所述的功率输送系统，其中所述第二功率转换器包括：
脉冲宽度调制器(PWM)，其被连接以响应于代表所述第二功率端口的输出的反馈信号来生成调制信号；以及
异或(XOR)逻辑电路，其被连接以接收所述调制信号，并且被连接以接收具有所述固定占空比的信号，其中所述XOR逻辑电路进一步被连接以输出驱动信号，以响应于所述调制信号以及所述具有所述固定占空比的信号来控制所述第二绕组和所述第二功率端口之间的功率传递。
30.根据权利要求22所述的功率输送系统，其中所述能量传递元件包括单个磁芯，并且其中所述第一绕组、所述第二绕组以及所述第三绕组经由所述单个磁芯相互磁连接。
31.根据权利要求22所述的功率输送系统，其中所述电能生成器包括光伏电池。
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Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20120516