CN103314516A - 用于谐振功率变换的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

用于提供多相功率的方法和设备。在一个实施方式中，该设备包括循环变换器控制器，用于基于参考波形确定电荷比；以及循环变换器，耦合至所述循环变换器控制器并耦合至多相交流线路以基于所述电荷比将交流电流选择性地耦合至所述多相交流线路中的各线路。

Description

用于谐振功率变换的方法和装置
发明背景
技术领域
本公开的实施方式通常涉及功率变换，尤其涉及控制谐振变换器中的功率变换。
背景技术
谐振变换器提供许多超越其他类型的功率变换器的优点。这些优点可包括低噪声、低元件应力、低元件数量、以及可预见的以传导为主的损耗。
因此，本领域需要利用谐振变换器有效地将直流电压变转为交流电压的方法和装置。
发明内容
本发明的实施方式通常涉及用于提供多相功率的方法和设备。在一个实施方式中，该设备包括循环变换器控制器（cycloconvertercontroller），用于基于参考波形确定电荷比；以及循环变换器，耦合至所述循环变换器控制器并耦合至多相交流线路以基于所述电荷比将交流电流选择性地耦合至所述多相交流线路中的各线路。
附图说明
因此上面提到的本发明的特征可被详细理解的方式、上面简要概括的本发明的更具体的描述可参考实施方式，其中一些实施方式在附图中示出。然而，注意，附图示出了本发明的仅典型实施方式，并且因此不被认为限制本发明的范围，对于本发明，可承认其它等效的实施方式。
图1是根据本发明的一个或多个实施方式的谐振变换器的框图；
图2是根据本发明的一个或多个实施方式的桥控制器的框图；
图3是根据本发明的一个或多个实施方式的循环变换器控制器的框图；
图4是描绘根据本发明的一个或多个实施方式的三相参考电流波形的片段的曲线图；
图5是描绘根据本发明的一个或多个实施方式的在一段时间内的三相交流线路中的每个线路上生成的电流的一组曲线图；
图6是循环变换器的可选实施方式的示意图；
图7是根据本发明的一个或多个实施方式的对来自谐振功率变换器的输出功率进行调制的方法的流程图；
图8是根据本发明的一个或多个实施方式的交流电流开关级的操作的方法的流程图；以及
图9是根据本发明的一个或多个实施方式的电网接口控制器156的框图。
具体实施方式
图1是根据本发明的一个或多个实施方式的谐振变换器100的框图。该图仅描绘了无数种可能的系统配置中的一个变型。本发明能够在各种功率生成环境和系统中工作。
谐振变换器100包括输入桥102，桥102耦合在并联的输入电容器130与电容器116、电感器118、变压器106的初级绕组106P、以及电流采样器112的串联组合两端。这些组件形成谐振变换器100的直流电压开关级160。在某些实施方式中，并联的输入电容器130的电容的至少一部分可归因于来自谐振变换器100内的开关设备的寄生电容。
桥102是全H桥，其包括开关120-1、120-2、122-1和122-2（例如，n型金属氧化物半导体场效应晶体管，或MOSFET），开关120-1、120-2、122-1和122-2被布置为使开关120-1/120-2和122-1/122-2分别形成H桥的第一和第二对角。开关120-1、120-2、122-1和122-2中的每一个的栅极端和源极端均耦合至控制器114以可操作地控制开关。在其它实施方式中，开关120-1、120-2、122-1和122-2可以是任何合适的电子开关，诸如绝缘栅双极型晶体管（IGBT）、双极结型晶体管（BJT）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）、门极关断晶闸管（GTO）等。桥102以约100千赫（kHz）的开关速度工作并且能够进行开关，例如根据直流电压源至该桥从60伏切换至600伏；在其它实施方式中，桥102可工作在不同的开关频率下。在某些其它实施方式中，桥102可以是半H桥而不是全H桥。
桥102的第一输出端耦合在开关120-1与122-2之间并且耦合至并联的输入电容器130的第一端和电容器116的第一端。电容器116的第二端耦合至电感器118的第一端，并且电感器118的第一端耦合至初级绕组106P的第一端。电容器116和电感器118形成工作在100kHz下的串联的谐振电路104；可选地，谐振电路104可工作在不同谐振频率下。在某些实施方式中，可在谐振变换器100中利用其它类型的谐振电路（例如，串联的LC、并联的LC、串并联的LLC、串并联的LCC、串并联的LLCC等）作为谐振电路104的替换或补充。
电流采样器112耦合在初级绕组106P的第二端与桥102的第二出处端之间，其中第二输出端耦合在开关122-1与120-2之间。此外，电压采样器138耦合在并联的输入电容器130两端；电压采样器138和电路采样器112均耦合至功率计算器140，并且功率计算器140耦合至桥控制器114。
在变压器106的次级侧，次级绕组106S的第一端耦合至电容器108的第一端。电容器108的第二端耦合至并联的输出电容器132的第一端，并且并联的输出电容器132的第二端耦合至次级绕组106S的第二端。循环变换器110耦合在并联的输出电容器132两端并形成谐振变换器100的交流电流开关级162。通过对并联的输入电容器130和并联的输出电容器132的选择，谐振变换器100能够被设计为通过桥102的开关频率的较小变化在大范围功率内进行调制。
在某些实施方式中，电容器116可以约为25纳法（nF），电感器118可以约为100微亨（μH），并联的输入电容器130可以约为1nF，并联的输出电容器132可以约为5nF，并且变压器106可具有1:1.5的匝数比；这些实施方式可具有150千赫（kHz）到300kHz的频率范围。通常，谐振电路104的串联电容可以约为25nF。例如，电容器116可以约为25nF，并且电容器108可以被制成极大，使得其充当隔直电容器并且不影响电路的谐振。可选地，对于1:1.5的变压器匝数比，电容器116可以约为50nF，并且电容器108可以约为22.2nF（即，作为变压器匝数比的结果，电容器108表现为与电容器116串联的50nF的电容器）。
循环变换器110包括开关150-1、150-2、152-1、152-2、154-1以及154-2。开关150-1、152-1、以及154-1的漏极端耦合至并联的输出电容器132的第一端。各开关对150-1/150-2、152-1/152-2以及154-1/154-2耦合在一起（即，开关150-1/150-2的源极端耦合在一起，开关152-1/152-2的源极端耦合在一起，开关154-1/154-2的源极端耦合在一起）。开关154-2、152-2和150-2的漏极端分别耦合至第一、第二和第三输出端，第一、第二和第三输出端进而分别耦合至三相交流线路的线路L1、L2和L3。此外，输出的并联电容器132的第二端耦合至三相交流线路的中性线N。在某些实施方式中，交流线路可以是商用电网系统。
各开关150-1、150-2、152-1、152-2、154-1以及154-2的栅极端和源极端耦合至循环变换器控制器142，循环变换器控制器142进一步耦合至电流采样器112。循环变换器控制器142操作（即，激活/禁用）循环变换器开关中的每一个以将三相交流功率耦合至交流线路（即，第一相耦合至线路L1，第二相耦合至线路L2，并且第三相耦合至线路L3）。开关对150-1/150-2形成第一四象限开关（即，完全双向开关），开关对152-1/152-2形成第二四象限开关，开关对154-1/154-2形成第三四象限开关。在某些实施方式中，开关150-1、150-2、152-1、152-2、154-1以及154-2可以是n型MOSFET开关；在其它实施方式中，对于第一、第二和第三四象限开关，可采用其它合适的开关/或开关的布置。
线电压采样器144耦合至开关150-2、152-2和154-2的漏极端（即，分别耦合至线路L1、L2和L3），并耦合至输出的并联电容器132的第二端（即，线路N）。线电压采样器144还耦合至电网接口控制器156。电网接口控制器156进一步耦合至循环变换器控制器142、桥控制器114和功率控制器158。
在工作期间，桥102从直流电压源诸如一个或多个可再生能源（即，光伏（PV）模块、风力农场、水电系统等）、电池、或任何合适的直流功率源接收输入电压Vin。桥控制器114可选地激活/禁用H桥对角（即，180°异相）以生成桥输出电压Vbr，桥输出电压Vbr是双极方波；在某些实施方式中，H桥对角被开关的频率（即，开关频率）约为100kHz。桥输出电压Vbr产生通过谐振电路104的（工作在100kHz的频率下）和初级绕组106P的基本正弦的电流Ir，从而在次级绕组106S中引发交流电流。变压器106可以是用于使电压从初级到次级增加的升压变压器（例如，对于由PV模块生成的直流输入，变压器106通常将是升压变压器）或，可选地，降压变压器用于降低电压的。
作为在次级绕组106S中引发的电流的结果，处于100kHz频率的基本正弦的电流波形Ic流入循环变换器110。电流波形Ic的幅值由桥102的开关频率控制并且能够通过合适地调节H桥的开关频率来增加或减小；即，当信号频率远离谐振电路104的谐振频率时，被转移的电流（和功率）变化。功率控制器158确定谐振变换器100所需的输出功率，并且经由由电网接口控制器156生成的三相参考电流波形驱动桥控制器114以调节H桥开关频率以实现所需的输出功率。在谐振变换器100从PV模块接收输入功率的某些实施方式中，功率控制器158可确定谐振变换器所需的输出功率，使得PV模块在最大功率点（MPP）处偏置。在这些实施方式中，功率控制器158可耦合至桥102的输入以确定PV模块所提供的电压和电流。在其它实施方式中，功率控制器158可从外部源接收命令以工作在给定功率和功率因素下。例如，谐振变换器100可接收功率从PV模块，并且功率控制器158可从公共设施接收命令（例如，经由电网接口控制器156或可选装置）以在比MMP低的功率下运行以帮助稳定电网。
电流采样器112对电流Ir进行采样并生成表示被采样的电流的值（“电流样本”），而电压采样器138对电压Vbr进行采样并生成表示被采样的初级侧电压的值（“初级电压样本”）。电流采样器112和电压采样器138可以以50MHz的速率执行这种采样，然而电流采样器112和/或电压采样器138也可以使用其他采样速率。在一些实施方式中，电流采样器112和电压采样器138各自包括用于生成具有数字形式的样本的模数转换器（ADC）。
电流采样器112和电压采样器138分别将电流样本和初级电压样本耦合至功率计算器140。基于电流和电压样本，功率计算器140计算所生成的功率水平并将计算出的功率水平耦合至桥控制器114。桥控制器114随后将计算出的功率水平与所需的输出功率水平进行比较并根据需要调整开关频率以增加或减小所生成的功率。
循环变换器110在循环变换器输出处将所接收的电流波形Ic选择性地耦合至三相交流线路的各相；在某些实施方式中，交流线路可以是工作在60Hz下的商用电网。为了将较高频的电流Ic耦合至低频交流线路的各相，三相参考电流波形（又称为“参考电流波形”）由电网接口控制器156基于来自功率控制器158的所需的谐振变换器输出功率和从线电压采样器144所生成的线电压样本确定的三相交流线电压生成。线电压采样器144例如以30千样本每秒（kSPS）的速率对交流线电压（即，电网电压）进行采样，并且将表示被采样的线电压（“线电压样本”）的一个或多个值耦合至电网接口控制器156。在某些实施方式中，线电压采样器144包括用于生成数字格式的样本的ADC。基于接收到的线电压样本，电网接口控制器156生成与电网电压波形同步的参考电流波形并将参考电流波形耦合至循环变换器控制器142。参考电流波形确保即使电网电压偏离正弦波，所生成的各输出电流也能够被控制以匹配期望输出。在电网电压和/或频率偏离所需工作规格的情况下，监管系统（未示出）将禁用谐振变换器100。
在某些实施方式中，即当工作在功率因素为1的情况下时，参考电流波形被生成为与线电压同相。在谐振变换器100产生无功功率（例如，用于提供伏安无功（VAR）补偿）的其它实施方式中，参考电流波形被生成为与线电压异相。在三相实施方式中，参考电流波形将具有三相形式。在某些其他实施方式中，参考电流波形可以是用于将所生成的电流耦合至单相或分相交流线路的单相或分相交流波形。
参考电流波形的连续时间窗、或“片段（slice）”被循环变换器控制器142单独分析以生成“电荷比（charge ratio）”，所述电荷比用于驱动循环变换器110将所生成的电流耦合至各输出相。在各片段内，由于相对于电流Ic的较低线频率，参考电流波形的各相的电流的水平可由单个“直流”电流值表示（即，每相一个直流电流值）。第一直流电流可代表在该片段内参考电流波形的第一相的值（例如，待注入线路L1的期望电流），第二直流电流可代表在该片段内参考电流波形的第二相的值（例如，待注入线路L2的期望电流），第三直流电流可代表在该片段内参考电流波形的第三相的值（例如，待注入线路L3的期望电流）。假设在开关周期内待注入具体线路的期望电流等于待注入的电荷除以开关周期，并且开关周期相对于线频率恒定，则待注入各线路的期望电流的比等于待注入各线路的电荷的比（即，电荷比）。例如，如果在片段内线路L1/L2/L3上的期望电流的相对值分别为300/-100/-200，即3/-1/-2，则L1应接收电荷的整个正部分，L2应接收电荷的负部分的1/3，并且L3应接收电荷的负部分的2/3。因此电荷比表示在具体片段内待耦合至或“引导”至各输入相的电流的相对水平。对于每个片段，循环变换器控制器142从参考电流波形确定电荷比并操作循环变换器110根据相应的电荷比将所生成的电流选择性地耦合至交流线路的各相。在某些实施方式中，各片段可具有固定宽度，即，持续时间；在其它实施方式中，例如在用于多相应用的示例性实施方式中，一个或多个片段的宽度可以改变（例如，变化可由在相位中的位置确定）。循环变换器110独立于桥102工作；即桥102控制所生成的输出电流的幅值，并且循环变换器110控制被引导至各输出相内的输出电流的比。
如下面更加详细地描述，循环变换器110可被操作为使开关150-1、150-2、152-1、152-2、154-1以及154-2中的一个或多个在整个片段内保持激活（即，“开”）。这种“最小转换（minimal transition）”开关技术减小对循环变换器开关150-1、150-2、152-1、152-2、154-1以及154-2中的一个或多个上的栅极驱动电压要求以及强调，从而改善了谐振变换器110的总体工作效率。此外，桥102和循环变换器110内的开关可以工作在零电压开关（ZVS）模式中以进一步改善效率。在某些实施方式中，对于整个工作范围内的所有谐振变换器开关设备，谐振变换器100可工作在ZVS模式中。
在一个或多个其它实施方式中，谐振变换器100可使两个或更多个功率级交错（interleave），在多个工作模式之间切换，和/或在来自直流输入的能量在一个或多个线电压循环期间被储存并随后在一个或多个线电压循环的爆发周期内耦合（即，“爆发（burst）”）至交流线路的情况下采用爆发技术（burst technique）。在某些可选实施方式中，诸如在图6中所示的实施方式（如下面详细描述）中，循环变换器110生成耦合至单相交流线路的单相交流输出。
图2是根据本发明的一个或多个实施方式的桥控制器114的框图。桥控制器114包括均耦合至中央处理单元（CPU）202的辅助电路204和存储器206。CPU202可包括一个或多个传统的可用微处理器或微控制器；可选地，CPU202可包括一个或多个专用集成电路（ASIC）。辅助电路204是用于提升CPU202的功能的已知电路。这种电路包括但不限于缓存、电源、时钟电路、总线、输入/输出（I/O）电路等。桥控制器114可使用通用计算机实现，通用计算机在执行具体软件时变成用于执行本发明的各个实施方式的专用计算机。
存储器206可包括随机存取存储器、只读存储器、可移动磁盘存储器、闪存和这些类型的存储器的各种组合。存储器206有时被称为主存储器，并且可部分地用作缓存存储器或缓冲存储器。存储器206一般存储可由CPU能力支持的桥控制器114的操作系统（OS）208（如果需要）。
存储器206可存储各种形式的应用软件，诸如用于控制桥102的操作和执行与本发明相关的功能的桥控制模块210。例如，桥控制器114执行模块210以使用所需的输出功率（例如，如从参考电流波形确定）和来自功率计算器140的计算出的功率（即，在桥102的输出处生成的功率）以在标称100kHz频率之上或之下调节桥开关频率。对于PV模块被耦合至谐振变换器100的输入处的实施方式，改变桥102的开关频率改变如由PV模块可见的负载阻抗以实现MPP。由桥控制器114提供的功能的进一步细节在下面参照图7进行描述。
存储器206可附加地储存数据库212以储存与谐振变换器100的操作和/或本发明有关的数据。
在其它实施方式中，CPU202可以是微控制器，该微控制器包括用于储存控制器固件的内部存储器，当被执行时，所述控制器固件提供控制器功能，控制器功能在下面参照图7进行描述。
图3是根据本发明的一个或多个实施方式的循环变换器控制器142的框图。循环变换器控制器142包括均耦合至中央处理单元（CPU）302的辅助电路304和存储器306。CPU302可包括一个或多个传统的可用微处理器或微控制器；可选地，CPU302可包括一个或多个专用集成电路（ASIC）。辅助电路304是用于提升CPU302的功能的已知电路。这种电路包括但不限于缓存、电源、时钟电路、总线、输入/输出（I/O）电路等。循环变换器控制器142可使用通用计算机实现，通用计算机在执行具体软件时变成用于执行本发明的各个实施方式的专用计算机。
存储器306可包括随机存取存储器、只读存储器、可移动磁盘存储器、闪存和这些类型的存储器的各种组合。存储器306有时被称为主存储器，并且可部分地用作缓存存储器或缓冲存储器。存储器306一般存储可由CPU能力支持的循环变换器控制器142的操作系统（OS）308（如果需要）。
存储器306可存储各种形式的应用软件，诸如用于控制循环变换器110的操作和执行与本发明相关的功能的循环变换器控制模块310。例如，循环变换器控制模块310监视高频电流，确定用于各片段的电荷比，比较参数（例如，线电压相位的值）以确定是否存在如下所述的“死区”，并基于电荷比将各个生成的电流脉冲选择性地耦合至交流线路中的合适线路；在某些可选实施方式中，电网接口控制器156可比较相关参数以确定是否存在任何死区。在某些实施方式中，循环变换器控制模块310可基于一个或多个储存的算法计算一个或多个片段宽度。由循环变换器控制模块310提供的功能的进一步细节在下面参照图8进行描述。
存储器306可附加地储存数据库312以储存与循环变换器110的操作和/或本发明有关的数据，诸如一个或多个死区阈值、一个或多个直流电压、一个或多个预定片段宽度、用于确定片段宽度的一个或多个算法，等等。
在其它实施方式中，CPU302可以是微控制器，微控制器包括内部存储器，内部存储器用于储存当被执行时提供控制器功能的控制器固件，控制器功能在下面参照图8进行描述。
在某些实施方式中，桥控制器114和循环变换器控制器142可以是由同一个CPU控制的单个控制器；即，单个控制器可以既执行桥控制模块210又执行循环变换器控制模块310。
图4是示出根据本发明的一个或多个实施方式的三相参考电流波形408的片段410的曲线图400。曲线图400示出参考电流波形408的第一相波形402（例如，待注入线路L1的期望电流）、参考电流波形408的第二相波形404（例如，待注入线路L2的期望电流）、以及参考电流波形408的第三相波形406（例如，待注入线路L3的期望电流）。波形402、404和406各自处于60Hz的频率下并彼此偏移120度。在某些实施方式中，三相参考电流波形408是用于待耦合至商用电网的期望电流的参考。
穿过三相参考电流波形408的时间窗（即穿过各波形402、404和406）被示出为片段410。片段410始于开始时间TS并止于结束时间TE。在某些实施方式中，片段410的宽度（即从TS到TE的时间）可以大约比三相参考电流波形408快三个数量级。例如，对于耦合至谐振变换器100并工作在60Hz频率下的商用电网，片段410可具有宽度（即，持续时间）约10微秒。在其它实施方式中，片段410的宽度可以大于或小于10微秒。
在时间TS处，波形402的值为DC1，波形404的值为DC2，并且波形406的值为DC3。值DC1、DC2和DC3可用作直流电流值以在整个片段410期间（即，从时间TS到时间TE）分别代表波形402、404和406的值。直流电流值的比提供用于片段410的电荷比以在时间TS和时间TE期间操作循环变换器开关，如下面参照图5更加详细地描述。
图5是示出根据本发明的一个或多个实施方式的在片段410期间选择性地耦合至三相交流线路的各线路的电流的一组曲线图500。如前所述，循环变换器控制器142在片段内操作循环变换器110以根据用于该片段的电荷比将电流选择性地耦合或引导至交流线路的各相中。对于片段410期间的高频电流Ic的每个周期，循环变换器110基于电荷比（即，DC1/DC2/DC3）分开电流Ic并将所分开的电流选择性地耦合至合适的输出线路。因此，循环变换器控制器142不需要与待引导至各线路中的电流的实际值有关的信息，而仅仅需要该电流的相关比例。
曲线图500包括描绘在片段410期间被引入线路L1的电流的第一曲线图502、描绘在片段410期间被引入线路L2的电流的第一曲线图504、描绘在片段410期间被引入线路L3的电流的第一曲线图506。在某些实施方式中，诸如在图5所示的实施方式中，用于片段410的DC1、DC2和DC3的相对值可以分别是3/-1/-2。根据该电荷比，循环变换器110如下所述选择性地将电荷的整个正部分耦合至线路L1，将电荷的负部分的1/3耦合至线路L2，并将电荷的负部分的2/3耦合至线路L3。
从时间TS到T1，循环变换器控制器142激活开关对154-1/154-2以将电流Ic的正部分耦合至线路L1。由于开关的寄生二极管，仅各开关对150-1/150-2和152-1/152-2中的一个开关需要在特定工作条件下被禁用以防止任何电流被耦合至线路L2或L3；这种在电流周期内禁用一对开关中的一个开关同时使另一个开关保持激活的最小转换开关技术减小对谐振变换器100中的开关的能量需求。为了使用最小转换开关，那些不接收输出电流的线路上的线电压值必须充分隔离以防止在所有相应开关均未被禁用的情况下可能出现的相间的直接短路。如果电压之间的差等于或超过“死区”阈值，则在电流周期内对相应开关对使用最小转换开关；如果电压之间的差小于死区阈值，则在电流周期内不对相应开关对使用最小转换开关。
对于在片段410期间与第二和第三相波形404和406对应的线电压（即，在时间TS处的线路L2和L3上的线电压的值），如果这些值足够接近以满足死区阈值，则开关对150-1/150-2和152-1/152-2中的所有开关均被禁用以防止两个相线路L2和L3之间的直接短路。然而，如果在片段410期间与第二和第三相波形404和406对应的线电压值不足够接近以满足死区阈值，如在图4所示的实施方式中，则可采用最小转换开关并且仅需要禁用各开关对150-1/150-2和152-1/152-2中的一个开关。在某些实施方式中，死区阈值可以约为20伏。
作为这种开关激活/禁用的结果，从时间TS到T1引入线路L1的电流是电流波形Ic的第一半周期；即如电荷比所表示的Ic周期的正部分的100%。
从时间T1到T2，循环变换器控制器142激活开关对152-1/152-2并基于与第一和第三相波形402和406相对应的线电压的值（即，在时间TS处的线路L1和L3上的线电压的值）在片段410期间是否足够接近以满足死区阈值来禁用各开关对150-1/150-2和154-1/154-2中的至少一个开关。对于图4中示出的实施方式，死区阈值未被满足并且仅各开关对150-1/150-2和154-1/154-2中的一个开关被禁用（即，使用最小转换开关）。作为这种开关激活/禁用的结果，从时间T1到T2引入线路L2的电流是电流波形Ic的第二半周期的1/3；即如电荷比所表示的Ic周期的正部分的33.3%。
从时间T2到T3，循环变换器控制器142激活开关对150-1/150-2并基于与第一和第二相波形402和404相对应的线电压的值（即，在时间TS处的线路L1和L2上的线电压的值）在片段410期间是否足够接近以满足死区阈值来禁用各开关对152-1/152-2和154-1/154-2中的至少一个开关。对于图4中示出的实施方式，死区阈值未被满足并且仅各开关对152-1/152-2和154-1/154-2中的一个开关被禁用（即，使用最小转换开关）。作为这种开关激活/禁用的结果，从时间T2到T3引入线路L3的电流是电流波形Ic的第二半周期的2/3；即如电荷比所表示的Ic周期的正部分的66.7%。因此，从时间TS到时间T3，电流Ic的一个整周期被选择性地耦合至线路L1、L2和L3。
从时间T3到TE，电流波形Ic的一个或多个附加周期可以以与在时间TS至T3期间相同方式（即，根据用于片段410的电荷比）选择性地耦合至线路L1、L2和L3。在某些实施方式中，片段410的宽度为10微秒并且电流波形Ic的单个周期在片段410期间被转移至线路L1、L2和L3。
通过如上所述（即通过基于电荷比将电流Ic的各单独周期分割并将电流Ic相应地耦合至输出线路L1、L2和L3并通过使用最小转换开关）选择性地将电流Ic耦合至线路L1、L2和L3，开关对150-1/150-2和154-1/154-2具有零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS），而开关152-1/152-2在打开时具有ZVS转换但不具有ZCS转换。这样，仅循环变换器110内的一个开关对经受任何开关损耗，并且循环变换器110具有最大零损耗变换可能。
此外，基于电荷比将电流Ic的各单独周期分割导致最低峰到峰电流波形，该波形可能在循环变换器110上获得以获得期望的功率输出。此外，这种操作确保位于出入处的电压波形与可能获得的电流最同相，使得负载尽可能被看作电阻性并改善系统稳定性。
在一个或多个实施方式中，时间T1、T2和/或T3可以更长或更短；即，各开关对150-1/150-2、152-1/152-2和154-1/154-2可保持更长或更短的持续时间以将电流选择性地耦合至线路L1、L2和L3，虽然不再经历最小开关损耗（即，ZVS/ZCS无法被采用）。在这些实施方式中，被引入各引脚的电流的比保持由用于片段的电荷比限定，但电流Ic的各个单独周期不根据电荷比分割。例如，在电荷比为3/-1/-2的可选实施方式中，循环变换器开关可被操作为使片段内的第一Ic周期的所有负电流被引入线路L2并随后使片段内的第二和第三Ic周期的所有负电流被引入线路L3。
图6是循环变换器110的可选实施方式的示意图。图6中示出的循环变换器110可用作单相应用并包括开关602-1、602-2、604-1和604-2。开关602-1的漏极端耦合至并联的输出电容器132的第一端并耦合至开关604-1的源极端。开关602-1和602-2的源极端耦合在一起，开关602-2的漏极端耦合至输出并联电容器132的第二端和开关504-2的源极端。各开关602-1、602-2、604-1和604-2的栅极端和源极端耦合至循环变换器控制器142以操作（即，激活/禁用）各个开关。开关对602-1/602-2形成第一四象限开关，并且开关对604-1/604-2形成第二四象限开关。在某些实施方式中，开关602-1、602-2、604-1和604-2可以是n型MOSFET开关；在其它实施方式中，其它合适的开关和开关布置可用作第一和第二四象限开关。
开关604-1和604-2的漏极端分别耦合至第一和第二输出端，第一和第二输出端进而耦合至单相交流线路的线路L1和N。线电压采样器144耦合在第一和第二输出端的两端以对交流线电压进行采样。
在操作期间，循环变换器控制器142操作开关以基于从电网接口控制器156接收的单相电流参考波形将电流Ic半波整流至线路L1中并将剩余的半周期引导至线路N中。当单相电流参考波形为正时，循环变换器控制器142在电流Ic的各正半周期内激活开关对604-1/604-2并禁用开关对602-1/602-2（即，开关对602-1/602-2中的一个或两个被禁用）；在电流Ic的各个负半周期内，循环变换器控制器142禁用开关对604-1/604-2（即，开关对604-1/604-2中的一个或两个被禁用）并激活开关对602-1/602-2。通过循环变换器开关的这种操作，电荷的整个正部分被注入线路L1并且电荷的整个负部分被注入中性线。
当单相电流参考波形为正时，循环变换器控制器142在电流Ic的各负半周期内激活开关对604-1/604-2并禁用开关对602-1/602-2（即，开关对602-1/602-2中的一个或两个被禁用）；在电流Ic的各个正半周期内，循环变换器控制器142禁用开关对604-1/604-2（即，开关对604-1/604-2中的一个或两个被禁用）并激活开关对602-1/602-2。通过循环变换器开关的这种操作，电荷的整个负部分被注入线路L1并且电荷的整个正部分被注入中性线。
在这种单相应用中，两种开关转换均无损耗。
图7是根据本发明的一个或多个实施方式的对来自谐振功率变换器的输出功率进行调制的方法700的流程图。该方法700是桥控制器114的实施。
在某些实施方式中，诸如在下面所述的实施方式中，谐振变换器（例如，谐振变换器100）耦合至光伏（PV）模块以接收直流输入电压。谐振变换器在变换器的输入处利用直流-直流电压开关级内的全桥以从直流输入电压生成方波。谐振变换器随后将方波变换为交流输出电压。在一个或多个可选实施方式中，谐振变换器可在变换器的输入处利用半桥而不是全桥来生成方波。
方法700始于步骤702并前进至步骤704。在步骤704中，确定来自谐振变换器的所需输出功率以使PV模块在最大功率点（MPP）处偏置。在某些实施方式中，功率控制器诸如功率控制器158可确定合适的谐振变换器输出功率。在一个或多个可选实施方式中，谐振变换器可耦合至直流功率源而不是PV模块，不同的所需输出功率可被确定。在步骤706中，确定将产生所需的输出功率的桥的开关频率；即，该频率被确定为产生对PV模块的合适的负载阻抗以在电流工作条件下从PV模块获得最大功率。桥控制器（诸如桥控制器114）可基于输出功率需求确定开关频率并根据该开关频率操作桥。在一个或多个实施方式中，输出功率需求可经由表示待由谐振变换器生成的期望电流的参考电流波形提供至例如桥控制器，其中参考电流波形从交流线电压的一个或多个样本生成。在某些实施方式中，桥的开关频率可约为100千赫（kHz）（即，谐振频率）以实现期望的输出功率。
方法700前进至步骤708，在步骤708中，桥工作在确定的开关频率下。在步骤710中，来自桥的输出功率被监视。例如，电流采样器（例如，电流采样器112）和电压采样器（例如，电压采样器138）可分别获得由桥生成的电流和电压水平的电流和电压样本。这些电流和电压样本随后被用于计算来自桥的功率。
在步骤712中，确定来自桥的功率是否应被修改（增加或减小）以满足用于MPP的变换器输出功率需求。在某些实施方式中，桥控制器可接收计算出的桥功率并作出这种确定。如果在步骤712中确定来自桥的功率必须被调整，则方法700返回步骤706，在步骤706中，基于桥功率是否必须被增加或减小来确定新的开关频率。这种反馈环路被执行以连续优化谐振变换器的直流-直流开关级的输出功率。如果在步骤712中确定桥功率不需要进行任何修改，则方法700前进至步骤714。
在步骤714中，确定是否继续操作谐振变换器。如果在步骤714中确定继续操作，则方法700返回步骤708。如果在步骤714中确定操作将不继续，则方法700前进至步骤716，在步骤716中，该方法结束。
图8是根据本发明的一个或多个实施方式的谐振变换器的交流电流开关级的操作的方法800的流程图。在某些实施方式中，方法800是循环变换器控制器142的实施。在一个或多个实施方式中，诸如在下面所述的实施方式中，交流电流开关级包括循环变换器，循环变换器包括三个四象限开关并且是将直流输入变换为三相交流输出（即，图1中所示的交流电流开关级162和循环变换器110）的谐振变换器的一部分。在其它实施方式中，交流电流开关级包括循环变换器，该循环变换器包括两个四象限开关并且是将直流输入变换为单相交流输出（即，图6中所示的交流电流开关级162和循环变换器110）的谐振变换器的一部分。
方法800始于步骤802并前进至步骤804。在步骤804中，确定三相参考电流波形的片段。参考电流波形是三相交流波形并表示待耦合至谐振变换器的输出处的交流线路（诸如工作在60Hz下的商用交流电网）的期望电流。参考电流波形与交流线路上的线电压同步并基于该线电压的样本生成。在某些实施方式中，即，对于工作在功率因素为1的情况下，参考电流波形被生成为与线电压波形同相。在在无功功率由谐振变换器产生例如以提供VAR补偿的其它实施方式中，参考电流波形被生成为根据需要与线电压波形异相。
如前所述，参考电流波形的片段是穿过参考电流波形的全部三相的时间窗。该片段可具有固定宽度，例如，当交流线路处于60Hz下时为约10微秒，或该宽度可以随着逐个片段而变化（例如，变化可以通过相位的位置确定）。在某些实施方式中，电网接口控制器（例如，电网接口控制器156）基于来自线电压采样器和功率控制器（例如，线电压采样器114和功率控制器158）的输入生成参考电流波形，并将参考电流波形耦合至循环变换器控制器（例如，循环变换器控制器142）以确定该片段。在步骤806中，第一、第二和第三直流电流值被确定为分别代表该片段内的参考电流波形的第一、第二和第三相的电流水平。在某些实施方式中，在该片段的开始处的电流参考波形相位的值被用作直流电流值。
方法800前进至步骤808，在步骤808中，基于直流值（即，第一、第二和第三直流电流值的比）确定用于该片段的电荷比。在步骤810中，将与该片段内的参考电流波形相位相对应的线电压相位的水平进行比较以确定是否有线电压相位在用于该片段的值上足够接近以被认为是死区。如果在该片段中线电压相位中的任何两个足够接近以满足死区阈值（即，20V的阈值），则确定相应线路存在死区。如果线电压相位中没有两个在片段内足够接近以满足阈值，则确定不存在死区。在某些实施方式中，在片段开始时的线电压的值可以被比较以确定任何死区。
在步骤812中，确定死区是否存在。如果死区不存在，则方法800前进至步骤814并且循环变换器在片段内如前面所述使用最小转换开关操作，。如果死区存在，则方法800前进至步骤816并且循环变换器如前面所述不对相应开关使用最小转换开关。在步骤814和816中，近似正弦电流（诸如电流Ic）在循环变换器的输入处生成。与交流线路频率相比，该输入电流具有高频；例如，循环变换器可耦合至工作在60Hz下的交流电网，并且该输入电流可以约为100KHz。循环变换器基于用于该片段的电荷比将高频输入电流分开并将所分开的电流选择性地耦合至合适的输出线路。
方法800从步骤814和816中的每一个前进至步骤818。在步骤818中，确定是否继续操作谐振变换器。如果确定继续，则方法800返回至步骤804以确定下一个片段；可选地，如果确定不继续，则方法800前进至步骤820，在步骤820中，方法800结束。
图9是根据本发明的一个或多个实施方式的电网接口控制器156的框图。电网接口控制器156包括均耦合至中央处理单元（CPU）902的辅助电路904和存储器906。CPU902可包括一个或多个传统的可用微处理器或微控制器；可选地，CPU902可包括一个或多个专用集成电路（ASIC）。辅助电路904是用于提升CPU902的功能的已知电路。这种电路包括但不限于缓存、电源、时钟电路、总线、输入/输出（I/O）电路等。电网接口控制器156可使用通用计算机实现，通用计算机在执行具体软件时变成用于执行本发明的各个实施方式的专用计算机。
存储器906可包括随机存取存储器、只读存储器、可移动磁盘存储器、闪存和这些类型的存储器的各种组合。存储器906有时被称为主存储器，并且可部分地用作缓存存储器或缓冲存储器。存储器906一般存储可由CPU能力支持的电网接口控制器156的操作系统（OS）908（如果需要）。
存储器906可储存各种形式的应用软件，诸如用于执行与本发明有关的功能的电网接口控制模块910。例如，电网接口控制模块910可生成单相参考电流波形和/或三相参考电流波形，使单相参考电流波形和/或三相参考电流波形与交流线电压同步（例如，经由锁相回路），等等。
存储器906还可储存数据库912，数据库912用于储存与本发明有关的数据，诸如所需的输出功率水平，等等。
在其它实施方式中，CPU902可以是微控制器，微控制器包括内部存储器，内部存储器用于储存当被执行时提供电网接口控制器功能的控制器固件。
在某些实施方式中，两个或更多个桥控制器114、循环变换器控制器142、以及电网接口控制器156可以是由同一个CPU控制的单个控制器；即，单个控制器可执行桥控制模块210、循环变换器控制模块310或电网接口控制模块910中的两种或更多种。
本发明的实施方式的前面描述包括执行所描述的功能的多个元件、设备、电路和/或组件。这些元件、设备、电路和/或组件是用于执行它们对应描述的功能的装置的示例性实现。例如，循环变换器是用于将交流电选择性地耦合至多相交流线路中的各线路的装置的示例，并且循环变换器控制器是用于从参考波形确定电荷比并基于电荷比驱动循环变换器将交流电选择性地耦合至多相交流线路中的各线路的装置的示例。这些元件、设备、电路和/或组件是用于执行它们分别描述的功能的装置的示例性实施。
尽管前述是针对本发明的实施方式，但是可想到本发明的其它和进一步的实施方式而不背离本发明的基本范围，本发明的范围由下面的权利要求确定。

Claims (15)

1.用于提供多相功率的设备，包括：
用于基于参考波形确定电荷比的装置；以及
耦合至所述用于确定电荷比的装置并耦合至多相交流线路以基于所述电荷比将交流电流选择性地耦合至所述多相交流线路中的各线路的装置。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述电荷比表示所述参考波形的各相在时间窗期间的相对值。
3.如权利要求2所述的设备，其中所述用于确定电荷比的装置动态地确定用于多个连续时间窗中的各时间窗的电荷比。
4.如权利要求1所述的设备，其中选择性地耦合所述第一交流电流包括基于所述电荷比分割所述交流电流的周期并将所述交流电流的各个分割的部分耦合至所述多相交流线路的不同相。
5.如权利要求1所述的设备，其中所述参考波形与所述多相交流线路上的交流电压同步。
6.如权利要求1所述的设备，还包括用于生成所述交流电流的谐振电路，其中所述谐振电路由变压器和电容器的串联组合形成。
7.如权利要求1所述的设备，其中选择性地耦合所述交流电流包括禁用至少一个输出线路中的各输出线路上的单个开关。
8.如权利要求1-7中任一项所述的设备，还包括耦合至所述用于选择性地耦合所述交流电流的装置的光伏（PV）模块，其中所述交流电流从来自所述PV模块的直流电流生成。
9.用于提供多相功率的方法，包括：
基于参考波形确定电荷比；以及
基于所述电荷比将交流电流选择性地耦合至所述多相交流线路中的各线路。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述电荷比表示所述参考波形的各相在时间窗期间的相对值。
11.如权利要求10所述的方法，其中用于多个连续时间窗中的各时间窗的电荷比被动态地确定。
12.如权利要求9所述的方法，其中选择性地耦合所述第一交流电流包括基于所述电荷比分割所述交流电流的周期并将所述交流电流的各个分割的部分耦合至所述多相交流线路的不同相。
13.如权利要求9所述的方法，其中所述参考波形与所述多相交流线路上的交流电压同步。
14.如权利要求9所述的方法，还包括通过谐振电路生成所述交流电流，其中所述谐振电路由变压器和电容器的串联组合形成。
15.如权利要求9所述的方法，其中选择性地耦合所述交流电流包括禁用至少一个输出线路中的各输出线路上的单个开关。
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