CN117013810A - 用于交错式功率转换器的耦合滤波电感器 - Google Patents

用于交错式功率转换器的耦合滤波电感器 Download PDF

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Abstract

本公开的方面包括滤波器，该滤波器包括第一交错输入、第二交错输入、输出、包括具有N1匝的第一初级绕组和具有N2匝的第一次级绕组的第一变压器、以及包括具有N3匝的第二初级绕组和具有N4匝的第二次级绕组的第二变压器，其中第一初级绕组和第二次级绕组与第一交错输入和输出串联，并且第一次级绕组和第二初级绕组与第二交错输入和输出串联。

Description

用于交错式功率转换器的耦合滤波电感器
技术领域
根据本公开的至少一个示例总体上涉及功率装置。
背景技术
诸如不间断电源的电力装置可用于向一个或多个负载供电。电力装置可以包括功率转换器，例如DC/DC转换器、AC/DC转换器和DC/AC转换器。DC/DC转换器将一个电压等级的DC功率转换成另一个电压等级的DC功率。DC/AC转换器，或“逆变器”，将DC功率转换为AC功率。AC/DC转换器，或“整流器”，将AC功率转换成DC功率。
发明内容
根据本公开的至少一个方面，提供了一种滤波器，包括第一交错输入、第二交错输入、输出、包括具有N1匝的第一初级绕组和具有N2匝的第一次级绕组的第一变压器，以及包括具有N3匝的第二初级绕组和具有N4匝的第二次级绕组的第二变压器，其中第一初级绕组和第二次级绕组与第一交错输入和输出串联，并且第一次级绕组和第二初级绕组与第二交错输入和输出串联。
在至少一个示例中，第一初级绕组和第一次级绕组配置成产生彼此抵消的同相磁场。在一些示例中，第二初级绕组和第二次级绕组配置成产生彼此抵消的同相磁场。在各种示例中，N1的匝数在N4的匝数的20％以内。在至少一个示例中，N2的匝数在N3的匝数的20％以内。在一些示例中，N2的匝数在N3的匝数的20％以内。在至少一个示例中，第一初级绕组的虚线极耦合到第一交错输入，并且第一初级绕组的非虚线极耦合到第二次级绕组。
在一些示例中，第一次级绕组的非虚线极耦合到第二交错输入，并且第一次级绕组的虚线极耦合到第二初级绕组。在各种示例中，第二次级绕组的非虚线极耦合到第一初级绕组的非虚线极，并且第二次级绕组的虚线极耦合到输出。在至少一个示例中，次级初级绕组的虚线极耦合到第一次级绕组，次级初级绕组的非虚线极耦合到输出。在一些示例中，第一次级绕组的非虚线极耦合到第二交错输入，并且第一次级绕组的虚线极耦合到第二初级绕组的虚线极。
在各种示例中，第一交错输入配置为耦合到第一交错逆变器，第二交错输入配置为耦合到第二交错逆变器。在至少一个示例中，第一初级绕组和第二次级绕组的串联与第一次级绕组和第二初级绕组的串联组合并联耦合。在一些示例中，第一交错输入配置为接收第一信号，第二交错输入配置为接收与第一信号相位相反的第二信号。在各种示例中，由第一初级绕组响应于接收第一信号而产生的第一磁场与由第二初级绕组响应于接收第二信号而产生的第二磁场相加。
在至少一个示例中，响应于接收反相频率的第一信号和反相频率的第二信号，第一变压器和第二变压器对第一和第二信号呈现与N1和N2之和的平方成比例的阻抗。在一些示例中，第一交错输入和第二交错输入配置为耦合到具有一个或多个开关的功率转换器，该一个或多个开关配置为接收脉宽调制开关信号，并且第一信号和第二信号的反相频率是脉宽调制开关信号的频率。在各种示例中，第一交错输入配置为接收第一信号，第二交错输入配置为接收与第一信号同相的第二信号。
在至少一个示例中，由第一初级绕组响应于接收第一信号而产生的第一磁场与由第二初级绕组响应于接收第二信号而产生的第二磁场相抵消。在一些示例中，响应于接收同相频率的第一信号和同相频率的第二信号，第一变压器和第二变压器对第一和第二信号呈现与N1和N2之差的平方成比例的阻抗。在各种示例中，输出配置为耦合到至少一个负载，并向至少一个负载提供输出功率，并且其中第一信号和第二信号的同相频率是输出功率的频率。
根据本公开的至少一个示例，提供了一种滤波系统，包括配置为耦合到第一功率转换器的第一交错输入、配置为耦合到第二功率转换器的第二交错输入、输出以及用于减少从第一功率转换器或第二功率转换器中的至少一个接收的纹波电流的器件。
根据本公开的至少一个示例，提供了一种对信号进行滤波的方法，该方法包括在第一交错输入接收第一信号，将第一信号提供给第一变压器的第一初级绕组，该第一变压器包括具有N1匝数的第一初级绕组和具有N2匝数的第一次级绕组，将来自第一初级绕组的第一信号提供给包括具有N3匝数的第二初级绕组和具有N4匝数的第二次级绕组的第二变压器的第二次级绕组，将来自第二次级绕组的第一信号提供给输出，在第二交错输入接收第二信号，将第二信号提供给第一次级绕组，将来自第一次级绕组的第二信号提供给第二初级绕组，以及将来自第二初级绕组的第二信号提供给输出。
附图说明
下面参照附图讨论至少一个实施例的各个方面，附图不打算按比例绘制。附图被包括进来以提供对各个方面和实施例的说明和进一步理解，并且被包含在说明书中并构成说明书的一部分，但是不旨在作为任何特定实施例的限制的定义。附图与说明书的其余部分一起用于解释所描述和要求保护的方面和实施例的原理和操作。在附图中，各个附图中示出的每个相同或几乎相同的组件由相同的数字表示。为了清楚起见，不是每个部件都在每个图中标出。在附图中:
图1示出了根据示例的不间断电源的框图；
图2示出了根据示例的功率转换器的框图；
图3示出了根据示例的滤波器的示意图；
图4示出了根据另一个示例的滤波器的示意图；和
图5示出了根据另一个示例的滤波器的示意图。
具体实施方式
在此讨论的方法和系统的例子在应用上不限于在下面的描述中阐述的或者在附图中示出的构造和部件布置的细节。这些方法和系统能够在其他实施例中实现，并且能够以各种方式实践或执行。这里提供的具体实现的例子仅仅是为了说明的目的，而不是为了限制。具体而言，结合任何一个或多个示例讨论的动作、组件、元素和特征不旨在被排除在任何其他示例中的类似角色之外。
此外，这里使用的措辞和术语是为了描述的目的，不应该被认为是限制性的。本文以单数形式提及的系统和方法的实例、实施例、组件、元件或动作的任何引用也可涵盖包含多个的实施例，且本文以复数形式提及的任何实施例、组件、元件或动作的任何引用也可涵盖仅包含单数的实施例。单数或复数形式的引用不旨在限制当前公开的系统或方法、它们的组件、动作或元素。这里使用的“包括”、“包含”、“具有”、“包含”、“涉及”及其变体意味着包含其后列出的项目及其等同物以及附加项目。
对“或”的引用可以被解释为包含性的，使得使用“或”描述的任何术语可以表示单个、多于一个和所有描述的术语中的任何一个。此外，在本文件和通过引用并入本文的文件之间术语使用不一致的情况下，并入特征中的术语使用是对本文件的补充；对于不可调和的差异，以本文件中的术语用法为准。
如上所述，诸如不间断电源(UPS)的电力装置可以包括一个或多个功率转换器。功率转换器将功率从一种状态转换成另一种状态。功率转换器可以包括一个或多个开关，这些开关配置成响应于从控制器接收脉宽调制(PWM)信号而断开或闭合。控制器可以使用PWM信号控制功率转换。
在一些示例中，交错两个或更多个功率转换器支路可能是有利的。两个或更多个转换器支路可以并联连接，而不是实现单个功率转换器来转换功率。提供给两个或更多转换器支路的PWM信号可以基于转换器支路的数量而时移。在一个示例中，PWM信号可以时移360/n度，其中n是交错的功率转换器支路的数量。例如，在两个交错的转换器支路的情况下，控制器可以向两个交错的转换器支路提供时移180°的PWM信号。
与实现单个功率转换器相比，交错可以有利地减少PWM频率(及其奇次谐波)下的纹波电流。总纹波电流可以至少部分地减少，因为在PWM频率(及其奇次谐波)下一个转换器支路中的纹波电流可以与另一个转换器支路中的纹波电流相位相反。因此，来自每个支路的纹波电流可以在PWM频率及其奇次谐波处相互抵消。
减小纹波电流可以减小耦合到功率转换器的滤波器部件的尺寸，例如电容器和电感器。然而，其他因素也可能影响滤波器部件的尺寸。例如，当存在负载阶跃时，减小一个或多个部件的尺寸可能对滤波器的动态性能产生不利影响。负载阶跃可能导致输出电压下降，输出电压随着部件尺寸的减小而增加。因此，可以至少部分地基于动态性能约束来选择部件尺寸，动态性能约束可以由监管机构或顾问根据由负载阶跃引起的可接受的电压降来指定。
本文描述的示例提供了配置为与现有解决方案相比在改善动态性能的同时减少纹波电流的滤波器。在一个示例中，滤波器包括连接到功率转换器的输出的两个或更多交错耦合的电感器。交错可以至少部分地通过对负载阶跃电流呈现短路来有利地改善动态性能。此外，交错耦合电感器的布置可以至少部分地有利地避免过多的磁芯损耗，因为两个耦合电感器都可以滤除偶次谐波和奇次谐波。因此，本文提供的滤波器相对于现有滤波器改善了滤波器性能。
如上所述，滤波器通常用于电源装置，如不间断电源。图1是根据一个示例的UPS100的框图。在另一个例子中，图1可以示出UPS的几个电源模块之一的框图。UPS 100包括输入102、AC/DC转换器104、一个或多个DC总线106、DC/DC转换器108、能量存储装置接口110、至少一个控制器112(“控制器112”)、DC/AC逆变器114、输出116、内存和/或存储器118以及一个或多个通信接口120(“通信接口120”)，它们可以通信地耦合到一个或多个外部系统122(“外部系统122”)。
输入102耦合到AC/DC转换器104和交流电源(未画出)，例如交流主电源。AC/DC转换器104耦合到输入102和一个或多个DC总线106，并且通信地耦合到控制器112。一个或多个DC总线106耦合到AC/DC转换器104、DC/DC转换器108以及DC/AC逆变器114，并且通信地耦合到控制器112。DC/DC转换器108耦合到一个或多个DC总线106和能量存储装置接口110，并且通信地耦合到控制器112。能量存储装置接口110耦合到DC/DC转换器108，并且配置成耦合到至少一个能量存储装置124和/或另一个能量存储装置。
在一些示例中，能量存储装置124在UPS 100的外部，并且经由能量存储装置接口110耦合到UPS 100。在各种示例中，UPS 100可以包括一个或多个能量存储装置，其可以包括能量存储装置124。能量存储装置124可包括一个或多个电池、电容器、飞轮或其他能量存储装置。
DC/AC逆变器114耦合到一个或多个DC总线106和输出116，并且通信耦合到控制器112。输出116耦合到DC/AC逆变器114和外部负载(未画出)。控制器112通信耦合到AC/DC转换器104、一个或多个DC总线106、DC/DC转换器108、能量存储装置接口110、DC/AC逆变器114、内存和/或存储器118以及通信接口120。
输入102配置为耦合到交流主电源，并接收具有输入电压等级的输入AC功率。UPS100配置为基于提供给输入102的AC功率的输入电压以不同的操作模式操作。控制器112可基于AC功率的输入电压是否可接受来确定操作UPS 100的操作模式。控制器112可以包括或耦合到一个或多个配置为感测输入电压参数的传感器。例如，控制器112可以包括或耦合到一个或多个传感器，该一个或多个传感器配置成感测在输入102处接收的AC功率的电压等级。
当提供给输入102的AC功率是可接受的(例如，通过具有满足指定值的参数，例如输入电压值，例如通过落入可接受的输入电压值的范围内)，控制器112控制UPS 100的部件以在正常操作模式中操作。在正常操作模式下，在输入102接收的AC功率被提供给AC/DC转换器104。AC/DC转换器104将AC功率转换成DC功率，并将DC功率提供给一个或多个DC总线106。一个或多个DC总线106将DC功率分配给DC/DC转换器108和DC/AC逆变器114。DC/DC转换器108转换接收的DC功率并将转换的DC功率提供给能量存储装置接口110。能量存储装置接口110接收转换的DC功率，并将转换的DC功率提供给能量存储装置124以对能量存储装置124充电。DC/AC逆变器114从一个或多个DC总线106接收DC功率，将DC功率转换成经调节的AC功率，并将经调节的AC功率提供给输出116以输送给负载。
当从交流主电源提供给输入102的AC功率不可接受时(例如，通过具有不满足指定值的参数，例如输入电压值，例如通过落在可接受的输入电压值的范围之外)，控制器112控制UPS 100的部件以在备用操作模式中操作。在备用操作模式中，DC功率从能量存储装置124释放到能量存储装置接口110，能量存储装置接口110将释放的DC功率提供给DC/DC转换器108。DC/DC转换器108转换接收的DC功率，并在一个或多个DC总线106之间分配DC功率。例如，DC/DC转换器108可以在一个或多个DC总线106之间均匀地分配功率。一个或多个DC总线106向DC/AC逆变器114提供接收的功率。DC/AC逆变器114从一个或多个DC总线106接收DC功率，将DC功率转换成经调节的AC功率，并将经调节的AC功率提供给输出116。
控制器112可以将信息存储在内存和/或存储器118中，和/或从内存和/或存储器118中检索信息。例如，控制器112可以在内存和/或存储器118中存储指示所感测的参数的信息(例如，在输入102处接收的AC功率的输入电压值)。控制器112还可以从通信接口120接收信息，或者向通信接口120提供信息。通信接口120可以包括一个或多个通信接口，包括例如用户接口(诸如显示屏、触摸屏、键盘、鼠标、跟踪板、拨号盘、按钮、开关、滑块、诸如发光二极管的发光部件、诸如扬声器、蜂鸣器等的发声部件，配置为输出人类可听见的频率范围内和/或外的声音等)、有线通信接口(诸如有线端口)、无线通信接口(诸如天线)等，配置为与一个或多个系统交换信息，诸如外部系统122或其它实体，例如人类。外部系统122可以包括UPS 100外部的任何装置、部件、模块等，例如服务器、数据库、膝上型计算机、台式计算机、平板计算机、智能手机、中央控制器或数据聚集系统、其他UPS等。
在一些示例中，UPS 100可以是多相UPS，例如三相UPS。例如，输入102可以包括多个输入，每个输入配置为接收相应的相线(并且，在一些示例中，多个输入可以包括返回输入)。因此，尽管图1的示例可以关于单个连接和/或单相操作来描述，但是应当理解，多相操作在图1和整个公开的范围内。
如上所述，功率转换器可以包括和/或耦合到滤波器。例如，转换器104、108、114中的一个或多个可以包括和/或耦合到一个或多个滤波器。转换器104、108、114可以包括一个或多个滤波部件，以例如减少纹波电流。在一些示例中，转换器104、108、114可以各自用单相或多相系统中的多个交错转换器支路来实现。例如，UPS 100可以是三相UPS，并且一个或多个转换器104、108、114包括两个或多个交错的功率转换支路。出于解释的目的，提供了其中一个或多个转换器104、108、114包括两个或更多个交错的功率转换支路的示例。
图2示出了根据一个示例的功率转换器200的框图。在一些示例中，功率转换器200可以是任何功率转换器104、108、114的示例。功率转换器200包括输入202、输出204、第一支路206、第二支路208，以及在一些示例中，可选的输出滤波器210。第一支路206包括第一交错功率转换器212a和一个或多个滤波部件214a(“第一滤波部件214a”)。第二支路208包括第二交错功率转换器212b和一个或多个滤波部件214b(“第二滤波部件214b”)。第一滤波部件214a和第二滤波部件214b共同构成滤波器216。应当理解，功率转换器200可以包括任意数量的交错支路(包括三个或更多个支路)，并且仅出于示例的目的示出了两个支路。
输入202耦合到支路206、208，并且配置为耦合到电源和/或功率耗散器(powersink)。支路206、208彼此并联耦合，并且每个支路在各自的第一连接处耦合到输入202，并且在各自的第二连接处耦合到可选的输出滤波器210。在不包括可选的输出滤波器210的示例中，支路206、208可以在相应的第二连接处直接耦合到输出204。在包括滤波器210的示例中，可选的输出滤波器210在第一连接处耦合到支路206、208，并且在第二连接处耦合到输出204。输出204耦合到可选的输出滤波器210，并配置为耦合到功率耗散器和/或电源。在不包括可选的输出滤波器210的示例中，输出204可以耦合到滤波器216，代替可选输出滤波器210。
在每个支路206、208中，相应的交错功率转换器212(即，功率转换器212a、212b中的任一个)在第一连接处耦合到相应的滤波部件214(即，滤波部件214a、214b中的相应一个)，并且在第二连接处耦合到输入202。每个滤波部件214在第一连接处耦合到交错功率转换器212中对应的一个，并且在第二连接处耦合到可选的输出滤波器210。在不包括可选的输出滤波器210的示例中，每个滤波部件214可以在第二连接处直接耦合到输出204。
尽管出于解释的目的，滤波部件214被示为单独的部件，但是在一些示例中，滤波部件214可以彼此耦合。例如，第一滤波部件214a可以包括至少一个第一电感器，第二滤波部件214b可以包括磁耦合到该至少一个第一电感器的至少一个第二电感器，使得滤波部件214共同构成滤波器216。在其他示例中，滤波部件214可以彼此独立地操作。
如上所述，功率转换器200可以被实现为功率转换器104、108、114中的任何一个。例如，在功率转换器200是AC/DC转换器104的实现的情况下，输入202可以耦合到输入102，并且输出204可以耦合到DC总线106。应当理解，术语“输入”并不意味着任何限制。一个或多个功率转换器104、108、114可以是双向的。例如，DC/DC转换器108可以在一个时间点经由能量存储装置接口110从能量存储装置124汲取功率(例如，在市电不可用的备用操作模式期间，如上所述)，并且可以在另一个时间点经由能量存储装置接口110向能量存储装置124提供功率(例如，在市电可用并用于对能量存储装置124充电的正常操作模式期间，如上所述)。
因此，尽管功率转换器200可以被描述为在某个方向上提供功率(例如，在输入202处汲取功率并在输出204处提供功率)，但是应当理解，功率转换器200或本公开范围内的其他功率转换器可以是双向的。例如，在功率转换器200是DC/DC转换器108的实现的情况下，输入202可以耦合到DC总线106，并且输出204可以耦合到能量存储装置接口110。然而，因为DC/DC转换器108在一些示例中可以是双向的，所以DC/DC转换器108也可以在输入202处向DC总线106提供电力，并且在输出204处从能量存储装置接口110接收电力。因此，应当理解，被称为“输入”的部件可以提供和/或接收电力，而被称为“输出”的部件可以接收和/或提供电力。
每个交错功率转换器212可以包括一个或多个开关。一个或多个开关可以被调制以转换功率。控制器112可以耦合到每个交错功率转换器212，以控制一个或多个开关，从而控制功率转换。例如，控制器112可以向一个或多个开关发送一个或多个PWM信号，以控制一个或多个开关中的每一个的相应开关状态。
控制器112可以向交错功率转换器212发送时移PWM信号。如本领域普通技术人员所理解的，时移PWM信号可以是相同的，除了这些信号相对于彼此在时间上被移位。在各种示例中，信号可以偏移360/n度，其中n是交错功率转换器的数量。例如，如果交错功率转换器212包括三个交错功率转换器，则控制器112可以向交错功率转换器212提供时移120°的PWM信号。类似地，如果交错功率转换器212包括两个交错功率转换器，则控制器112可以向交错功率转换器212提供时移180°的PWM信号。下面提供了具有两个交错功率转换器212的系统的例子。
图3示出了根据一个示例的滤波器300的示意图。滤波器300可以示出滤波器216的例子。滤波器300包括第一电感器302和第二电感器304。第一电感器302可说明第一滤波部件214a的实例。第二电感器304可说明第二滤波部件214b的实例。在一些示例中，电感器302、304彼此磁耦合。在其他示例中，电感器302、304没有彼此磁耦合。
第一电感器302配置为在第一连接处耦合到第一功率转换器(例如，耦合到第一交错功率转换器212a)，并且配置为在第二连接处耦合到输出(例如，直接耦合到输出204，或者在一些示例中，经由可选的输出滤波器210)。第二电感器304配置为在第一连接处耦合到第二功率转换器(例如，耦合到第二交错功率转换器212b)，并且配置为在第二连接处耦合到输出(例如，直接耦合到输出204，或者在一些示例中，经由可选的输出滤波器210)。
滤波器300可以对从交错功率转换器接收的信号进行滤波，以向输出端提供滤波的输出信号。例如，在滤波器300是滤波器216的示例的情况下，滤波器300可以对从交错功率转换器212接收的信号进行滤波，以向输出204提供滤波的输出信号。滤波器300可以减少纹波电流并平滑输出信号(例如，通过将相对方波平滑为相对正弦波)。然而，电感器302、304的尺寸可能相对较大，以实现期望的纹波电流减小，这可能不利地影响滤波器300的动态响应。
图4示出了根据另一个例子的滤波器400的示意图。滤波器400可以示出滤波器216的例子。滤波器400包括第一电感器402、第二电感器404及具有第一部分408和第二部分410的耦合电感器406。第一电感器402和耦合电感器406的第一部分408可以共同代表第一滤波部件214a的示例。第二电感器404和耦合电感器406的第二部分410可以共同代表第二滤波部件214b的示例。
第一电感器402在第一连接处耦合到耦合电感器406的第一部分408，并且配置为在第二连接处耦合到第一功率转换器(例如，第一交错功率转换器212a)。在一些示例中，第一电感器402磁耦合到第二电感器404。第二电感器404在第一连接处耦合到耦合电感器406的第二部分410，并且配置为在第二连接处耦合到第二功率转换器(例如，第二交错功率转换器212b)。在一些示例中，第二电感器404磁耦合到第一电感器402。
耦合电感器406的第一部分408在虚线连接处耦合到第一电感器402，并且在非虚线连接处耦合到输出(例如，输出204或者直接耦合，或者在一些示例中，经由可选的输出滤波器210)。在一些示例中，耦合电感器406的第一部分408磁耦合到耦合电感器406的第二部分410。耦合电感器406的第二部分410在非虚线连接处耦合到第二电感器404，并且在虚线连接处耦合到输出(例如，输出204或者直接耦合，或者在一些示例中，经由可选的输出滤波器210)。在一些示例中，耦合电感器406的第二部分410磁耦合到耦合电感器406的第一部分408。
滤波器400可以对从交错功率转换器212接收的信号进行滤波，以向输出204提供滤波的输出信号。滤波器400的第一电感器402和第二电感器404可以以与滤波器300的第一电感器302和第二电感器304相似的方式工作。耦合电感器406可以充当变压器，其中耦合电感器408的第一部分408中的电流产生磁场，该磁场抵消了由耦合电感器408的第二部分410中的反相电流产生的磁场。因此，滤波器400可以对反相电流呈现相对较大的阻抗，例如PWM频率下的纹波电流。
然而，滤波器400可以对与负载电流同相的电流呈现相对较小的阻抗，这至少部分是因为耦合电感器406中的同相电流产生相互抵消的磁场，从而近似表现为对同相电流的短路。因此，尽管电感器402、404可以对同相电流呈现相对较大的阻抗，但是耦合电感器406可以对异相电流呈现相对较大的阻抗。
在各种示例中，电感器402、404的尺寸可以小于电感器302、304的尺寸，至少部分地因为PWM频率及其奇次谐波下的纹波电流被耦合电感器406的高阻抗最小化。此外，滤波器400的动态响应可以相对于滤波器300得到改善，这至少部分是因为负载阶跃在基本上相似的时间向电感器402、404呈现电流，从而向滤波器400的支路呈现同相电流。
如上所述，滤波器400的电感器402、404可以比滤波器300的电感器302、304小得多。然而，耦合电感器406可能经历来自PWM频率的谐波电压的相对高的损耗，至少部分是因为，如上所述，耦合电感器406可能主要负责吸收滤波器400中的谐波电压。尽管可以实现低损耗的磁芯材料(例如，非晶磁芯、铁氧体磁芯等等)，但是这些材料可能是昂贵的、笨重的和/或引入了挑战性的设计要求。此外，可以实现精确的电流感测和控制仪器，以避免电流不平衡和磁芯饱和，从而引入额外的成本和复杂性。
图5示出了根据另一个例子的滤波器500的示意图。滤波器500可以示出滤波器216的例子。滤波器500包括第一变压器502和第二变压器504。第一变压器502包括第一初级绕组506和第一次级绕组508。第二变压器504包括第二初级绕组510和第二次级绕组512。第一初级绕组506和第二次级绕组512可以共同代表第一滤波部件214a的示例。第一次级绕组508和第二初级绕组510可以共同代表第二滤波部件214b的示例。滤波器500还包括第一交错输入514、第二交错输入516和输出518。
第一初级绕组506在虚线连接处耦合到第一交错输入514，并且在非虚线连接处耦合到第二次级绕组512。在一些示例中，第一初级绕组506磁耦合到第一次级绕组508。第一次级绕组508在非虚线连接处耦合到第二交错输入516，并且在虚线连接处耦合到第二初级绕组510。在一些示例中，第一次级绕组508磁耦合到第一初级绕组506。
第二初级绕组510在虚线连接处耦合到第一次级绕组508，并且在非虚线连接处耦合到输出518。在一些示例中，第二初级绕组510磁耦合到第二次级绕组512。第二次级绕组512在非虚线连接处耦合到第一初级绕组506，并且在虚线连接处耦合到输出518。在一些示例中，第二次级绕组512磁耦合到第二初级绕组510。
第一交错输入514耦合到第一初级绕组506，并且配置为耦合到功率转换器(例如，第一交错功率转换器212a)。第二交错输入516耦合到第一次级绕组508，并且配置为耦合到功率转换器(例如，第二交错功率转换器212b)。输出518耦合到第二初级绕组510和第二次级绕组512，并且配置为耦合到功率转换器输出(例如，直接耦合到输出204，或者在一些示例中，经由可选的输出滤波器210)。
第一信号可以在第一交错输入514处被接收，并被提供给第一初级绕组506。第一信号可以在第一初级绕组506中产生磁场，该磁场可以在第一次级绕组508中感应出电流。第一初级绕组506可以向第二次级绕组512提供第一信号。第一信号可以在第二次级绕组512中产生磁场，该磁场可以在第二初级绕组510中感应出电流。第二次级绕组512可以向输出518提供第一信号。
第二信号可以在第二交错输入516处被接收，并被提供给第一次级绕组508。第二信号可以在第一次级绕组508中产生磁场，该磁场可以在第一初级绕组506中感应电流。第一次级绕组508可以向第二初级绕组510提供第二信号。第二信号可以在第二初级绕组510中产生磁场，该磁场可以在第二次级绕组512中感应出电流。第二初级绕组510可以向输出518提供第二信号。
在各种示例中，变压器502、504至少部分地根据变压器502、504的绕组数量呈现对第一和/或第二信号的阻抗。第一初级绕组506具有N1绕组，第一次级绕组508具有N2绕组，第二初级绕组510具有N4绕组，第二次级绕组512具有N3绕组。在一个例子中，N1大约等于N4，N2大约等于N3。变压器502、504呈现的阻抗也可以至少部分取决于变压器502、504接收的信号的频率。
由于功率转换器的交错，以PWM频率接收的信号以相反的相位到达滤波器500。由变压器502、504中的反相电流产生的磁场可以彼此相加。由第一变压器502呈现给信号的电感可以等于(N1+N2)2*AL，其中AL是绕组506、508的所用磁芯的单匝的特定电感。在一些示例中，绕组506、508的每匝可以具有相同的特定电感AL。在其他示例中，匝可以具有不同的特定电感(例如，由制造差异导致)，并且AL可以表示匝的平均特定电感。由第二变压器504呈现给信号的电感可以等于(N3+N4)2*AL，其中AL是绕组510、512的所用磁芯的单匝的特定电感。在一些示例中，绕组510、512的每匝可以具有相同的特定电感AL。在其他示例中，匝可以具有不同的特定电感(例如，由制造差异导致)，并且AL可以表示匝的平均特定电感。
以负载电流频率或其他非交错频率接收的信号可以彼此同相地到达滤波器500。由变压器502、504中的同相电流产生的磁场可以彼此相反。由第一变压器502呈现给信号的电感可以等于(N1-N2)2*AL，其中AL是绕组506、508的所用磁芯的单匝的特定电感。在一些示例中，绕组506、508的每匝可以具有相同的特定电感AL。在其他示例中，匝可以具有不同的特定电感(例如，由制造差异导致)，并且AL可以表示匝的平均特定电感。由第二变压器504呈现给信号的电感可以等于(N4–N3)2*AL，其中AL是绕组510、512的所用磁芯的单匝的特定电感。在一些示例中，绕组510、512的每匝可以具有相同的特定电感AL。在其他示例中，匝可以具有不同的特定电感(例如，由制造差异导致)，并且AL可以表示匝的平均特定电感。
因此，变压器502、504可以对同相电流(例如负载频率下的信号)呈现不同的电感(并且因此呈现不同的阻抗),这与异相电流(例如PWM频率下的信号)相反。诸如负载电流的同相电流所经历的有效匝数可以与每个变压器502、504的初级和次级绕组的数量之间的差(例如，平方差)成比例。不同相电流(例如PWM频率的信号)所经历的有效匝数可以与每个变压器502、504的初级和次级绕组的数量之和(例如平方和)成比例。由同相电流产生的磁场可以减小与有效电感减小相同的系数(相对于例如具有相同匝数但不同布置的其他滤波器，例如滤波器300)，这可以允许较高磁芯磁导率的材料用作变压器502、504的磁芯材料，而基本上不改变总的相对磁芯饱和度。
因此，本文提供的示例至少部分地通过减少纹波电流同时改善对负载阶跃电流的动态响应来改善功率转换器滤波。在各种示例中，变压器502、504可以被设计成基本相似或相同的部件，从而降低滤波器500的复杂性。可以基于滤波器500的设计要求来选择变压器502、504的绕组数量，并且在各种示例中，变压器502、504可以包括低成本和/或低复杂度的芯材料。因此，与一些现有的解决方案相比，滤波器500可以在尺寸、成本和/或复杂性方面减小。
如上所述，可以基于一个或多个设计要求来选择N1、N2、N3和N4。在一些示例中，N1可以被配置为在N4的特定匝数内。例如，N1可以被配置在N4的12匝内。继续这个例子，如果N1有35匝，那么N4可以有23到47匝。在其他示例中，N1可以被配置为具有在N4匝数的某个百分比内的匝数。例如，N1可以被配置为具有在N4匝数的20％以内的匝数。继续这个例子，如果N1有35匝，那么N4可以有28到42匝，即在35匝的7匝内。
类似地，在各种示例中，N2可以被配置为在N3的特定匝数内。例如，N2可配置为在N3的两个匝内。继续这个例子，如果N2有七个匝，那么N3可能有五到九个匝。在其他示例中，N2可以配置为具有在N3匝数的某个百分比内的匝数。例如，N2可以配置成具有在N3匝数的20％以内的匝数。继续这个例子，如果N1有7匝，那么N4可以有6到8匝，即在7匝的1.4匝之内。
在一个例子中，N1∶N2和N4∶N3的比率在4∶1和6∶1之间。在一个例子中，N1和N4各自大约为35，N2和N3各自大约为7。因此，在一个例子中，N1等于N4，N2等于N3，N1∶N2是35∶7。
如上所述，可选的输出滤波器210可以包括一个或多个滤波部件。在一个示例中，可选的输出滤波器210包括一个或多个电容器。例如，可选的输出滤波器210可以包括一个或多个电容器，对源自第二初级绕组510和第二次级绕组512中的每一个的信号呈现40μF的电容。在一些示例中，电容可以部分取决于N1、N2、N3、N4和AL。在一些例子中，AL可以是大约138nH。
在各种示例中，在功率转换器200是双向的情况下，可以添加、移除和/或重新布置功率转换器200的部件。例如，功率转换器200可以包括交错功率转换器212和输入202之间的附加滤波器，和/或可以包括一个或多个旁路开关，以根据需要或期望路由信号。
各种控制器，例如控制器112，可以执行上述各种操作。例如，如上所述，控制器112可以控制转换器104、108、114的开关操作以及其他操作。使用存储在相关联的存储器和/或存储装置中的数据，控制器112可以执行存储在控制器112可以包括和/或耦合到的一个或多个非暂时性计算机可读介质上的一个或多个指令，这可以产生被操纵的数据。在一些示例中，控制器112可以包括一个或多个处理器或其他类型的控制器。在一个示例中，控制器112是或包括至少一个处理器。在另一个例子中，除了通用处理器之外，或者代替通用处理器，控制器112使用专用集成电路来执行上述操作的至少一部分，该专用集成电路被定制为执行特定操作。如这些示例所示，根据本公开的示例可以使用硬件和软件的许多特定组合来执行这里描述的操作，并且本公开不限于硬件和软件组件的任何特定组合。本公开的示例可以包括被配置为执行上述方法、过程和/或操作的计算机程序产品。计算机程序产品可以是或包括一个或多个控制器和/或处理器，其被配置为执行指令以执行上述方法、过程和/或操作。
因此，已经描述了至少一个实施例的几个方面，应当理解，本领域技术人员将容易想到各种变更、修改和改进。这些变更、修改和改进旨在成为本公开的一部分，并且在本公开的精神和范围内。因此，前面的描述和附图仅仅是示例性的。

Claims (23)

1.一种滤波器，包括:
第一交错输入；
第二交错输入；
输出；
第一变压器，包括具有N1匝的第一初级绕组和具有N2匝的第一次级绕组；和
第二变压器，包括具有N3匝的第二初级绕组和具有N4匝的第二次级绕组，其中
第一初级绕组和第二次级绕组与第一交错输入和输出串联，并且
第一次级绕组和第二初级绕组与第二交错输入和输出串联。
2.根据权利要求1所述的滤波器，其中，所述第一初级绕组和所述第一次级绕组配置为产生彼此抵消的同相磁场。
3.根据权利要求1所述的滤波器，其中，所述第二初级绕组和所述第二次级绕组配置为产生彼此抵消的同相磁场。
4.根据权利要求1所述的滤波器，其中，N1的匝数在N4的匝数的20％以内。
5.根据权利要求5所述的滤波器，其中，N2的匝数在N3的匝数的20％以内。
6.根据权利要求1所述的滤波器，其中，N2的匝数在N3的匝数的20％以内。
7.根据权利要求1所述的滤波器，其中，所述第一初级绕组的虚线极耦合到所述第一交错输入，并且所述第一初级绕组的非虚线极耦合到所述第二次级绕组。
8.根据权利要求7所述的滤波器，其中，第一次级绕组的非虚线极耦合到第二交错输入，第一次级绕组的虚线极耦合到第二初级绕组。
9.根据权利要求7所述的滤波器，其中，第二次级绕组的非虚线极耦合到第一初级绕组的非虚线极，第二次级绕组的虚线极耦合到输出。
10.根据权利要求9所述的滤波器，其中，次级初级绕组的虚线极耦合到第一次级绕组，次级初级绕组的非虚线极耦合到输出。
11.根据权利要求10所述的滤波器，其中，所述第一次级绕组的非虚线极耦合到所述第二交错输入，并且所述第一次级绕组的虚线极耦合到所述第二初级绕组的虚线极。
12.根据权利要求1所述的滤波器，其中，所述第一交错输入配置为耦合到第一交错逆变器，并且其中所述第二交错输入配置为耦合到第二交错逆变器。
13.根据权利要求1所述的滤波器，其中，第一初级绕组和第二次级绕组的串联与第一次级绕组和第二初级绕组的串联组合并联耦合。
14.根据权利要求1所述的滤波器，其中，所述第一交错输入配置为接收第一信号，并且所述第二交错输入配置为接收与所述第一信号相位相反的第二信号。
15.根据权利要求14所述的滤波器，其中，由第一初级绕组响应于接收第一信号而产生的第一磁场与由第二初级绕组响应于接收第二信号而产生的第二磁场相加。
16.根据权利要求14所述的滤波器，其中，响应于接收反相频率下的第一信号和反相频率下的第二信号，第一变压器和第二变压器对第一信号和第二信号呈现出与N1和N2之和的平方成比例的阻抗。
17.根据权利要求16所述的滤波器，其中，所述第一交错输入和所述第二交错输入配置为耦合到具有一个或多个开关的功率转换器，所述一个或多个开关配置为接收脉宽调制开关信号，并且其中所述第一信号和所述第二信号的反相频率是所述脉宽调制开关信号的频率。
18.根据权利要求1所述的滤波器，其中，所述第一交错输入配置为接收第一信号，并且所述第二交错输入配置为接收与所述第一信号同相的第二信号。
19.根据权利要求18所述的滤波器，其中，由所述第一初级绕组响应于接收所述第一信号而产生的第一磁场与由所述第二初级绕组响应于接收所述第二信号而产生的第二磁场相抵消。
20.根据权利要求18所述的滤波器，其中，响应于接收同相频率下的第一信号和同相频率下的第二信号，第一变压器和第二变压器对第一信号和第二信号呈现与N1和N2之差的平方成比例的阻抗。
21.根据权利要求20所述的滤波器，其中，所述输出配置为耦合到至少一个负载，并向至少一个负载提供输出功率，并且其中所述第一信号和所述第二信号的同相频率是所述输出功率的频率。
22.一种滤波系统，包括:
第一交错输入，配置为耦合到第一功率转换器；
第二交错输入，配置为耦合到第二功率转换器；
输出；和
用于减少从第一功率转换器或第二功率转换器中的至少一个接收的纹波电流的器件。
23.一种对信号进行滤波的方法，该方法包括:
在第一交错输入接收第一信号；
向第一变压器的第一初级绕组提供第一信号，该第一变压器包括具有N1匝的第一初级绕组和具有N2匝的第一次级绕组；
将来自第一初级绕组的第一信号提供给第二变压器的第二次级绕组，该第二变压器包括具有N3匝的第二初级绕组和具有N4匝的第二次级绕组；
将来自第二次级绕组的第一信号提供给输出；
在第二交错输入接收第二信号；
向第一次级绕组提供第二信号；
从第一次级绕组向第二初级绕组提供第二信号；和
将来自第二初级绕组的第二信号提供给输出。
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