DE102016125854A1

DE102016125854A1 - Bidirektionaler Leistungswandler zur Umwandlung von elektrischer Leistung zwischen Wechselstrom und Gleichstrom

Info

Publication number: DE102016125854A1
Application number: DE102016125854.7A
Authority: DE
Inventors: Wei-Kuang Chen; Chun-Wei Wu
Original assignee: Cotek Electronic Ind Co Ltd
Current assignee: Cotek Electronic Ind Co Ltd
Priority date: 2016-11-01
Filing date: 2016-12-29
Publication date: 2018-05-03
Also published as: US9825550B1

Abstract

Ein bidirektionaler Leistungswandler umfassend einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss, einen dritten Anschluss, einen vierten Anschluss, einen ersten Wandler, einen zweiten Wandler, einen Leistungstreiber und einen Prozessor. Der erste Wandler ist mit dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss gekoppelt, um eine Umwandlung zwischen einem ersten Wechselstrom und einem ersten Gleichstrom durchzuführen. Der zweite Wandler ist mit dem ersten Wandler gekoppelt, um eine Umwandlung zwischen einem zweiten Wechselstrom und dem ersten Gleichstrom durchzuführen. Der Leistungstreiber ist mit dem zweiten Wandler, dem dritten Anschluss und dem vierten Anschluss gekoppelt, um eine Umwandlung zwischen dem zweiten Wechselstrom und einem zweiten Gleichstrom durchzuführen. Der Prozessor ist mit dem ersten Wandler, dem zweiten Wandler und dem Leistungstreiber zum Steuern des ersten Wandlers, des zweiten Wandlers und des Leistungstreiber gekoppelt.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung veranschaulicht einen Leistungswandler und insbesondere einen bidirektionalen Leistungswandler zum Umwandeln von Leistung zwischen einem Wechselstrom und einem Gleichstrom.
Beschreibung des Standes der Technik
Mit dem Fortschritt der Technik werden verschiedene elektronische Vorrichtungen mit unterschiedlichen Versorgungsstromanforderungen in unserem täglichen Leben eingesetzt. Einige elektronische Geräte benötigen einen Gleichstrom für die Versorgungsfunktionen. Zum Beispiel verwendet ein Smartphone oder ein Notebook im Allgemeinen Gleichstrom, der von ihren Batterien für die Versorgungsfunktionen erzeugt wird. Einige elektronische Geräte benötigen einen Wechselstrom zur Ansteuerung von Funktionen. Zum Beispiel verwendet ein Fernseher oder ein Kühlschrank den Wechselstrom zur Ansteuerung von Funktionen. Tatsächlich haben viele elektrische Geräte Wechselstromstecker. Ein Benutzer kann einen Wechselstromstecker in eine Steckdose stecken. Dann kann das elektrische Gerät an ein elektrisches Stromnetz angeschlossen werden, um den Wechselstrom abzunehmen. Insbesondere ist der Wechselstrom ein elektrischer Strom, in dem der Strom von elektrischen Ladungen periodisch die Richtung umkehrt. Im Allgemeinen ist die Wellenform des Wechselstroms in den meisten elektrischen Leistungsschaltkreisen eine Sinuswelle. Somit wird der Wechselstrom typischerweise für die Energieübertragung oder die Leistungsansteuerung bei einer hohen Frequenz verwendet. Insbesondere ist der Gleichstrom ein unidirektionaler Strom von elektrischen Ladungen. Mit anderen Worten, der Gleichstrom fließt in eine konstante Richtung. Der Gleichstrom kann durch Stromquellen wie Batterien, Stromversorgungen, Thermoelemente, Solarzellen oder Dynamos erzeugt werden.
Um die Bedienungsfreundlichkeit zu verbessern, können einige Leistungswandler Gleichstrom ausgehend von Wechselstrom ausgeben. Beispielsweise kann ein Batterieladegerät verwendet werden, um den Wechselstrom vom Stromnetz in Gleichstrom umzuwandeln, um eine Lithiumbatterie im Smartphone aufzuladen. Zur Umwandlung des Gleichstroms in Wechselstrom kann ein Wechselrichter verwendet werden. Solarkraftwerke können zum Beispiel durch die Solarenergie Gleichströme erzeugen. Dann können die Solarkraftwerke an den Leistungsinverter angeschlossen werden, um Wechselströme auszugeben, die für allgemein übliche, elektrische Geräte verwendet werden können.
Jedoch sind die vorgenannten Leistungswandler als unidirektionale Leistungswandler kategorisiert. Wenn ein Leistungswandler als ein bidirektionaler Leistungswandler ausgebildet ist, ist es erforderlich, dass ein intakter Schaltkreis des Stromladegeräts und ein intakter Schaltkreis des Leistungsinverters in Verbindung mit einem Schalter zum Auswählen des Betriebs des Schaltkreises des Stromladegeräts oder des Schaltkreises des Leistungsinverters kombiniert werden. Da der herkömmliche bidirektionale Leistungswandler den intakten Schaltkreis des Stromladegeräts und den intakten Schaltkreis des Leistungsinverters erfordert, kann die Schaltkreisgröße des herkömmlichen bidirektionalen Leistungswandlers nicht verringert werden. Weiterhin, da der herkömmliche bidirektionale Leistungswandler eine asymmetrische Eingangs- / Ausgangsleistungsumwandlung durchführen kann, kann der herkömmliche bidirektionale Leistungswandler zusätzliche Energie verschwenden.
Überblick über die Erfindung
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein bidirektionaler Leistungswandler offenbart. Der bidirektionale Leistungswandler umfasst einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss, einen dritten Anschluss, einen vierten Anschluss, einen ersten Wandler, einen zweiten Wandler, einen Leistungstreiber und einen Prozessor. Der erste Wandler ist mit dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss gekoppelt und konfiguriert, um eine Umwandlung zwischen einem ersten Wechselstrom und einem ersten Gleichstrom durchzuführen. Der zweite Wandler ist mit dem ersten Wandler gekoppelt und konfiguriert, um eine Umwandlung zwischen einem zweiten Wechselstrom und dem ersten Gleichstrom durchzuführen. Der Leistungstreiber ist mit dem zweiten Wandler, dem dritten Anschluss und dem vierten Anschluss gekoppelt und konfiguriert, um eine Umwandlung zwischen dem zweiten Wechselstrom und einem zweiten Gleichstrom durchzuführen. Der Prozessor ist mit dem ersten Wandler, dem zweiten Wandler und dem Leistungstreiber gekoppelt und konfiguriert, um den ersten Wandler, den zweiten Wandler und den Leistungstreiber zu steuern. Wenn der erste Anschluss und der zweite Anschluss den ersten Wechselstrom empfangen, geben der dritte Anschluss und der vierte Anschluss den zweiten Gleichstrom aus. Wenn der dritte Anschluss und der vierte Anschluss den zweiten Gleichstrom empfangen, geben der erste Anschluss und der zweite Anschluss den ersten Wechselstrom aus.
Diese und andere Ziele der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann ohne weiteres offensichtlich werden, nachdem die folgende detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform, die in den verschiedenen Figuren und Zeichnungen dargestellt ist, gelesen wird.
Figurenliste

1 zeigt eine Schaltkreisstruktur eines bidirektionalen Leistungswandlers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt die Schaltkreisstruktur eines bidirektionalen Leistungswandlers, wenn ein erster Anschluss und ein zweiter Anschluss einen ersten Wechselstrom empfangen.
3 zeigt eine Gleichrichterfunktion eines ersten Wandlers des bidirektionalen Leistungswandlers aus 2, wenn der erste Wechselstrom eine positive Polarität aufweist.
4 stellt die Gleichrichterfunktion des ersten Wandlers des bidirektionalen Leistungswandlers aus 2 dar, wenn der erste Wechselstrom eine negative Polarität aufweist.
5 zeigt einen ersten Betriebszustand eines zweiten Wandlers des bidirektionalen Leistungswandlers aus 2.
6 veranschaulicht einen zweiten Betriebszustand des zweiten Wandlers des bidirektionalen Leistungswandlers aus 2.
7 zeigt einen dritten Betriebszustand des zweiten Wandlers des bidirektionalen Leistungswandlers aus 2.
8 zeigt eine Wellenform einer Spannung, die von dem zweiten Wandler des bidirektionalen Leistungswandlers in 2 ausgegeben wird.
9 veranschaulicht den Betrieb eines Leistungstreibers des bidirektionalen Leistungswandlers in 2, wenn eine Spannung, die in den Leistungstreiber eingegeben wird, eine positive Polarität aufweist.
10 veranschaulicht den Betrieb des Leistungstreibers des bidirektionalen Leistungswandlers in 2, wenn die Spannung, die in den Leistungstreiber eingegeben wird, eine negative Polarität hat.
11 zeigt die Schaltkreisstruktur eines bidirektionalen Leistungswandlers, wenn ein dritter Anschluss und ein vierter Anschluss einen zweiten Gleichstrom empfangen.
12A zeigt eine Schaltkreisstruktur eines Halb-H-Brücken-basierten zweiten Wandlers.
12B zeigt eine Schaltkreisstruktur eines Halb-H-Brücken-basierten ersten Wandlers.
13 zeigt eine Ausführungsform einer ersten Anwendung unter Verwendung des bidirektionalen Leistungswandlers in 1.
14 zeigt eine Ausführungsform einer zweiten Anwendung unter Verwendung des bidirektionalen Leistungswandlers aus 1.
15 zeigt eine Ausführungsform einer dritten Anwendung unter Verwendung des bidirektionalen Leistungswandlers aus 1.
16 zeigt eine Ausführungsform einer vierten Anwendung unter Verwendung des bidirektionalen Leistungswandlers aus 1.
17 zeigt eine Ausführungsform einer fünften Anwendung unter Verwendung des bidirektionalen Leistungswandlers aus 1.

Detaillierte Beschreibung
1 zeigt eine Schaltkreisstruktur eines bidirektionalen Leistungswandlers 100. Der bidirektionale Leistungswandler 100 weist einen ersten Anschluss A_AC, einen zweiten Anschluss B_AC, einen dritten Anschluss A_DC, einen vierten Anschluss B_DC, einen ersten Wandler 10 und einen zweiten Wandler 11 , einen Leistungstreiber 12 und einen Prozessor MCU auf. Der erste Wandler 10 ist mit dem ersten Anschluss A_AC und dem zweiten Anschluss B_AC gekoppelt, um eine Leistungsumwandlung zwischen einem ersten Wechselstrom I_AC1 und einem ersten Gleichstrom I_DC1 durchzuführen. Der zweite Wandler 11 ist mit dem ersten Wandler 10 verbunden, um eine Leistungsumwandlung zwischen einem zweiten Wechselstrom I_AC2 und dem ersten Gleichstrom I_DC1 durchzuführen. Der Leistungstreiber 12 ist mit dem zweiten Wandler 11, dem dritten Anschluss A_DC und dem vierten Anschluss B_DC verbunden, um eine Leistungsumwandlung zwischen dem zweiten Wechselstrom I_AC2 und einem zweiten Gleichstrom I_DC2 durchzuführen. Der Prozessor MCU ist mit dem ersten Wandler 10, dem zweiten Wandler 11 und dem Leistungstreiber 12 zum Steuern des ersten Wandlers 10, des zweiten Wandlers 11 und des Leistungstreibers 12 gekoppelt. Insbesondere wenn der erste Anschluss A_AC und der zweite Anschluss B_AC den ersten Wechselstrom I_AC1 empfangen, geben der dritte Anschluss A_DC und der vierte Anschluss B_DC den zweiten Gleichstrom I_DC2aus. Mit anderen Worten wird, wenn der bidirektionale Leistungswandler 100 eine Wechselstrom- zu Gleichstromumwandlung durchführt (d.h. AC-DC-Umwandlung), wird der erste Wechselstrom I_AC1 in den ersten Gleichstrom I_DC1 umgewandelt. Dann wird der erste Gleichstrom I_DC1 in den zweiten Wechselstrom I_AC2 umgewandelt. Schließlich wird der zweite Wechselstrom I_AC2 in den zweiten Gleichstrom I_DC2 umgewandelt. Infolgedessen werden drei Leistungsübergänge eingeführt, um den zweiten Gleichstrom I_DC2 aus dem ersten Wechselstrom I_AC1 zu erzeugen. Wenn der dritte Anschluss A_DC und der vierte Anschluss B_DC den zweiten Gleichstrom I_DC2 empfangen, geben der erste Anschluss A_AC und der zweite Anschluss B_AC den ersten Wechselstrom I_AC1 aus. Mit anderen Worten wird der zweite Gleichstrom I_DC2 in den zweiten Wechselstrom I_AC2 umgewandelt, wenn der bidirektionale Leistungswandler 100 eine Gleichstrom- zu einer Wechselstromumwandlung durchführt (d.h. DC-AC-Umwandlung). Dann wird der zweite Wechselstrom I_AC2 in den ersten Gleichstrom I_DC1 umgewandelt. Schließlich wird der erste Gleichstrom I_DC1 in den ersten Wechselstrom I_AC1 umgesetzt. Als Ergebnis werden drei Leistungsübergänge eingeführt, um den ersten Wechselstrom I_AC1 aus dem zweiten Gleichstrom I_DC2 zu erzeugen. Im bidirektionalen Leistungswandler 100 können der erste Wandler 10 und der zweite Wandler 11 zwei H-Brückenwandler oder zwei Halb-H-Brückenwandler sein. Der erste Wandler 10 und der zweite Wandler 11 können auch ein H-Brückenwandler sein, der mit einem Halb-H-Brücken-Wandler verbunden ist. Der erste Wandler 10 und der zweite Wandler 11 in der Ausführungsform, sind jedoch nicht auf brückenbasierte Wandler beschränkt. Beispielsweise fällt jede sinnvolle Hardware-Modifikation des ersten Wandlers 10 oder des zweiten Wandlers 11 in 1 in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung. Der Leistungstreiber 12 kann ein Gegentakt-Schaltkreis bzw. Push-Pull-Schaltkreis oder ein Sperr-Schaltkreis bzw. Fly-back-Schaltkreis sein, die zur Leistungsumwandlung fähig ist.
In dem bidirektionalen Leistungswandler 100 können der erste Anschluss A_AC und der zweite Anschluss B_AC zum Ausgeben des ersten Wechselstroms I_AC1 verwendet werden, der einen elektrischen Netzstandard erfüllt. Beispielsweise weist der erste Wechselstrom I_AC1, der von dem ersten Anschluss A_AC und dem zweiten Anschluss B_AC ausgegeben wird, eine zentrale Frequenz auf, die im Wesentlichen gleich 50 Hz oder 60 Hz ist. Die Toleranzfrequenz in dem bidirektionalen Leistungswandler 100 ist gleich 3 Hz, so dass ein Frequenzbereich des ersten Wechselstroms im Wesentlichen gleich 47 Hz ~ 53 Hz oder 57 Hz ~ 63 Hz ist. Ferner sind die Leistung des ersten Wechselstroms I_AC1 und die Leistung des zweiten Gleichstroms I_DC2 während eines Zeitintervalls im Wesentlichen gleich. Wenn beispielsweise der bidirektionale Leistungswandler 100 eine AC-DC-Leistungsumwandlung oder eine DC-AC-Leistungsumwandlung durchführt, kann die Leistung des ersten Anschlusses A_AC und des zweiten Anschlusses B_AC (d. h. zwei Anschlüsse zum Eingeben / Ausgeben von Wechselstrom) 2000 Watt während des Zeitintervalls entsprechen, und der dritte Anschluss A_DC und der vierte Anschluss B_DC (d. h. zwei Anschlüsse für die Eingabe / Ausgabe von Gleichstrom) können 1700 bis 2000 Watt während des Zeitintervalls entsprechen. Somit kann die Dichte oder der Wirkungsgrad der Leistungsumwandlung erhöht werden, da nur ein geringer Leistungsverbrauch in den bidirektionalen Leistungswandler 100 eingeführt wird. In der Praxis kann der Leistungsumwandlungswirkungsgrad des bidirektionalen Leistungswandlers 100 größer als 85% sein, da nur drei Leistungsübergänge eingeführt werden. Hierbei ist die Schaltkreisstruktur jedes Blocks des bidirektionalen Leistungswandlers 100 unten dargestellt. Jedoch fällt jede sinnvolle Hardware-Modifikation des bidirektionalen Leistungswandlers 100 in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung.
In dem bidirektionalen Leistungswandler 100 umfasst der erste Wandler 10 einen ersten Transistor T1, eine erste Diode D1, einen zweiten Transistor T2, eine zweite Diode D2, einen dritten Transistor T3, eine dritte Diode D3, einen vierten Transistor T4 und eine vierte Diode D4. Transistoren des ersten Wandlers 10 können Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren sein. Dioden des ersten Wandlers 10 können Körperdioden sein. Der erste Transistor T1 enthält einen ersten Knoten, einen zweiten Knoten, der mit dem zweiten Anschluss B_AC gekoppelt ist, und einen Steuerknoten, der mit dem Prozessor MCU gekoppelt ist. Die erste Diode D1 enthält eine mit dem ersten Knoten des ersten Transistors T1 gekoppelte Kathode und eine mit dem zweiten Knoten des ersten Transistors T1 gekoppelte Anode. Der zweite Transistor T2 enthält einen mit dem ersten Knoten des ersten Transistors T1 gekoppelten ersten Knoten, einen mit dem ersten Anschluss A_AC gekoppelten zweiten Knoten und einen mit dem Prozessor MCU gekoppelten Steuerknoten. Die zweite Diode D2 enthält eine mit dem ersten Knoten des zweiten Transistors T2 gekoppelte Kathode und eine mit dem zweiten Knoten des zweiten Transistors T2 gekoppelte Anode. Der dritte Transistor T3 enthält einen ersten Knoten, der mit dem zweiten Knoten des ersten Transistors T1 gekoppelt ist, einen zweiten Knoten, einen mit dem Prozessor MCU gekoppelten Steuerknoten. Die dritte Diode D3 enthält eine mit dem ersten Knoten des dritten Transistors T3 gekoppelte Kathode und eine mit dem zweiten Knoten des dritten Transistors T3 gekoppelte Anode. Der vierte Transistor T4 enthält einen mit dem zweiten Knoten des zweiten Transistors T2 gekoppelten ersten Knoten, einen mit dem zweiten Knoten des dritten Transistors T3 gekoppelten zweiten Knoten und einen mit dem Prozessor MCU gekoppelten Steuerknoten. Die vierte Diode D4 enthält eine mit dem ersten Knoten des vierten Transistors T4 gekoppelte Kathode und eine mit dem zweiten Knoten des vierten Transistors T4 gekoppelte Anode.
In dem bidirektionalen Leistungswandler 100 umfasst der zweite Wandler einen fünften Transistor T5, eine fünfte Diode D5, einen sechsten Transistor T6, eine sechste Diode D6, einen siebten Transistor T7, eine siebte Diode D7, einen achten Transistor T8 und eine achte Diode T8. Der fünfte Transistor T5 enthält einen ersten Knoten, einen zweiten Knoten und einen Steuerknoten, der mit dem Prozessor MCU gekoppelt ist. Die fünfte Diode D5 enthält eine mit dem ersten Knoten des fünften Transistors T5 gekoppelte Kathode und eine mit dem zweiten Knoten des fünften Transistors T5 gekoppelte Anode. Der sechste Transistor T6 enthält einen ersten Knoten, der mit dem ersten Knoten des fünften Transistors T5 gekoppelt ist, einen zweiten Knoten und einen mit dem Prozessor MCU gekoppelten Steuerknoten. Die sechste Diode D6 enthält eine mit dem ersten Knoten des sechsten Transistors T6 gekoppelte Kathode und eine mit dem zweiten Knoten des sechsten Transistors T6 gekoppelte Anode. Der siebte Transistor T7 enthält einen ersten Knoten, der mit dem zweiten Knoten des fünften Transistors T5 gekoppelt ist, einen zweiten Knoten, und einen mit dem Prozessor MCU gekoppelten Steuerknoten. Die siebte Diode D7 enthält eine mit dem ersten Knoten des siebten Transistors T7 gekoppelte Kathode und eine mit dem zweiten Knoten des siebten Transistors T7 gekoppelte Anode. Der achte Transistor T8 enthält einen ersten Knoten, der mit dem zweiten Knoten des sechsten Transistors T6 gekoppelt ist, einen zweiten Knoten, der mit dem zweiten Knoten des siebten Transistors T7 gekoppelt ist, und einen Steuerknoten, der mit dem Prozessor MCU gekoppelt ist. Die achte Diode D8 enthält eine mit dem ersten Knoten des achten Transistors T8 gekoppelte Kathode und eine mit dem zweiten Knoten des achten Transistors T8 gekoppelte Anode. Genauer gesagt, sind der erste Anschluss des ersten Transistors T1, der erste Anschluss des zweiten Transistors T2, der erste Anschluss des fünften Transistors T5 und der erste Anschluss des sechsten Transistors T6 gemeinsam gekoppelt. Der zweite Anschluss des dritten Transistors T3, der zweite Anschluss des vierten Transistors T4, der zweite Anschluss des siebten Transistors T7 und der zweite Anschluss des achten Transistors T8 sind gemeinsam gekoppelt. In dem bidirektionalen Leistungswandler 100 kann optional ein Kondensator C zum Filtern von Energiewellen eingeführt werden. Der Kondensator C enthält einen ersten Knoten, der mit dem ersten Knoten des ersten Transistors T1 gekoppelt ist, und einen zweiten Knoten, der mit dem zweiten Knoten des dritten Transistors T3 gekoppelt ist.
In dem bidirektionalen Leistungswandler 100 weist der Leistungstreiber 12 einen Transformator TF, einen neunten Transistor T9, einen zehnten Transistor T10 und eine Signalleitung L auf. Der Transformator TF kann durch zwei Spulen (d. h. z.B. Primärspule und Sekundärspule) gebildet sein. Die Spulenwicklungen sind nicht elektrisch verbunden, sondern nur magnetisch gekoppelt, um eine elektromagnetische Induktion eines Wechselstroms durchzuführen. Der neunte Transistor T9 enthält einen ersten Knoten, der mit dem Transformator TF gekoppelt ist, einen zweiten Knoten und einen mit dem Prozessor MCU gekoppelten Steuerknoten. Der zehnte Transistor T10 enthält einen mit dem Transformator TF gekoppelten ersten Knoten, einen mit dem zweiten Knoten des neunten Transistors T9 und dem vierten Anschluss B_DC gekoppelten zweiten Knoten und einen mit dem Prozessor MCU gekoppelten Steuerknoten. Die Signalleitung L ist mit dem Transformator TF und dem dritten Anschluss A_DC gekoppelt. Insbesondere steuert der Prozessor MCU den neunten Transistor T9 und den zehnten Transistor T10, um den neunten Transistor T9 und den zehnten Transistor T10 in derselben Frequenz (d. h. beispielsweise 30 KHz) und gegenüberliegenden Phasen zu betreiben. Mit anderen Worten, wenn der neunte Transistor T9 im offenen Zustand (ausgeschaltet) betrieben wird, wird der zehnte Transistor T10 im Kurzzustand betrieben (eingeschaltet). Im Gegensatz dazu wird, wenn der neunte Transistor T9 kurzgeschlossen (eingeschaltet) betrieben wird, der zehnte Transistor T10 im offenen Zustand (ausgeschaltet) betrieben.
In dem bidirektionalen Leistungswandler 100 kann der Prozessor MCU die Transistoren in dem Leistungstreiber 12 und dem zweiten Wandler 11 synchron steuern, um die Leistungsumwandlungsleistung zu verbessern. Wie oben erwähnt, kann der bidirektionale Leistungswandler 100 eine DC-AC-Leistungsumwandlung und eine AC-DC-Leistungsumwandlung ohne Beeinträchtigung einer starken Leistungsaufnahme durchführen, da nur drei Leistungsübergänge eingeführt werden. Im Folgenden wird das Verfahren der AC-DC-Leistungsumwandlung und der DC-AC-Leistungsumwandlung beschrieben.
2 zeigt die Schaltkreisstruktur eines bidirektionalen Leistungswandlers 100, wenn ein erster Anschluss A_AC und ein zweiter Anschluss B_AC einen ersten Wechselstrom I_AC1 empfangen. Wie aus 2 ersichtlich ist, kann der erste Wechselstrom I_AC1 von einer Stromquelle PS, wie einem elektrischen Stromnetz, erzeugt werden. Der erste Wechselstrom I_AC1 hat zwei entgegengesetzte Polaritäten, die alternativ mit einer Frequenz (d.h. 50 Hz oder 60 Hz für das elektrische Stromnetz) geschaltet werden. Zur Vereinfachung der Darstellung wird der erste Wechselstrom I_AC1 mit positiver Polarität (oder positiven Halbzyklus) als Wechselstrom I_ACP bezeichnet. Der erste Wechselstrom I_AC1 mit negativer Polarität (oder z.B. negativen Halbzyklus) wird als Wechselstrom I_ACN bezeichnet. Der dritte Anschluss A_DC und der vierte Anschluss B_DC sind mit einem Last DCL, wie beispielsweise einer Batterie, gekoppelt. Beispielsweise kann der bidirektionale Leistungswandler 100 den zweiten Gleichstrom I_DC2zum Ansteuern der Last DCL zum Laden der Batterie ausgeben. In 2 sind der erste Wandler 10 und der zweite Wandler 11 H-Brückenwandler. Wenn der erste Anschluss A_AC und der zweite Anschluss B_AC den ersten Wechselstrom I_AC1 empfangen, kann der Prozessor MCU den ersten Wandler 10 steuern, um eine Leistungsfaktorumwandlungsfunktion (PFC-Funktion) oder eine Gleichrichterfunktion auszuführen. Insbesondere wenn der erste Wandler 10 die PFC-Funktion ausführt, kann der Prozessor MCU den ersten Transistor T1, den zweiten Transistor T2, den dritten Transistor T3 und den vierten Transistor T4 steuern, um einen Leistungsfaktor zu verbessern, der als ein Verhältnis von wahrer Leistung geteilt durch Blindleistung ausgewertet werden kann. Der erste Wandler 10 kann den ersten Gleichstrom I_DC1, der von dem ersten Wechselstrom I_AC1 umgesetzt wird, mit einem hohen Wirkungsgrad ausgeben. Wenn der erste Wandler 10 die Gleichrichterfunktion ausführt, kann der Prozessor MCU den ersten Transistor T1, den zweiten Transistor T2, den dritten Transistor T3 und den vierten Transistor T4 steuern, um im offenen Zustand zu arbeiten (d. h. alle Transistoren werden ausgeschaltet). Entsprechend kann der erste Wandler 10 als Brückenschaltkreis mit vier Dioden D1 bis D4 vereinfacht werden. Der erste Wandler 10 kann auch den ersten Gleichstrom I_DC1 mit einer vorbestimmten Intensität ausgeben, der von dem ersten Wechselstrom I_AC1 umgesetzt wird. Zur Vereinfachung der Darstellung ist der H-Brücken-basierte erste Wandler 10, der die Gleichrichterfunktion ausführt, nachstehend dargestellt.
3 zeigt die Gleichrichterfunktion des ersten Wandlers 10 des bidirektionalen Leistungswandlers 100, wenn der erste Wechselstrom I_AC1 in einer positiven Polarität ist. Gemäß der vorgenannten Definition ist der erste Wechselstrom I_AC1 bei positiver Polarität als Wechselstrom I_ACP definiert. Wie bekannt, ist eine Diode unidirektional, da ein Strom durch die Diode nur von Anode zu Kathode fließen kann. Somit fließt in 3 der Wechselstrom I_ACP von dem zweiten Anschluss des Kondensators C zu dem ersten Anschluss des Kondensators C durch die dritte Diode D3 und die zweite Diode D2, wodurch eine unipolare Spannung V1 erzeugt wird. 4 zeigt die Gleichrichterfunktion des ersten Wandlers 10 des bidirektionalen Leistungswandlers 100, wenn der erste Wechselstrom I_AC1 eine negative Polarität aufweist. Gemäß der oben erwähnten Definition ist der erste Wechselstrom I_AC1 bei einer negativen Polarität als Wechselstrom I_ACN definiert. Der Wechselstrom I_ACN fließt von dem zweiten Anschluss des Kondensators C zu dem ersten Anschluss des Kondensators C über die vierte Diode D4 und die erste Diode D1, wodurch die unipolare Spannung V1 erzeugt wird. Somit kann der erste Wandler 10 eine Vollwellen-AC-DC-Leistungsumwandlung durchführen. In der nächsten Stufe steuert der Prozessor MCU den zweiten Wandler 11, um eine Inverterfunktion zum Erreichen einer DC-AC Leistungsumwandlung auszuführen. Eine Ausführungsform des DC-AC-Leistungsumwandlungs-Verfahrens des zweiten Wandlers 11 ist nachstehend dargestellt.
5 stellt einen ersten Betriebszustand des zweiten Wandlers 11 des bidirektionalen Leistungswandlers 100 dar. In dem ersten Betriebszustand steuert der Prozessor MCU den fünften Transistor T5 und den achten Transistor T8, um in dem kurzgeschlossenen Zustand zu arbeiten. Der Prozessor MCU steuert den sechsten Transistor T6 und den siebten Transistor T7, um in dem offenen Zustand zu arbeiten. In dem Moment sind der zweite Anschluss des fünften Transistors T5 und ein Knoten PV1 elektrisch gekoppelt. Der erste Anschluss des achten Transistors T8 und ein Knoten NV1 sind elektrisch gekoppelt. Als Ergebnis ist die Polarität einer Spannung V2 dieselbe wie die Polarität der Spannung V1. 6 stellt einen zweiten Betriebszustand des zweiten Wandlers 11 des bidirektionalen Leistungswandlers 100 dar. In dem zweiten Betriebszustand steuert der Prozessor MCU den sechsten Transistor T6 und den siebten Transistor T7, um in dem kurzgeschlossenen Zustand zu arbeiten. Der Prozessor MCU steuert den fünften Transistor T5 und den achten Transistor T8, um im offenen Zustand zu arbeiten. In dem Moment sind der zweite Anschluss des fünften Transistors T5 und der Knoten NV1 elektrisch gekoppelt. Der erste Anschluss des achten Transistors T8 und ein Knoten PV1 sind elektrisch gekoppelt. Als Ergebnis ist die Polarität einer Spannung V2 entgegengesetzt zu der Polarität der Spannung V1. 7 stellt einen dritten Betriebszustand des zweiten Wandlers 11 des bidirektionalen Leistungswandlers 100 dar. In dem dritten Betriebszustand steuert der Prozessor MCU den fünften Transistor T5 und den sechsten Transistor T6, um in dem kurzgeschlossenen Zustand zu arbeiten. Infolgedessen sind der zweite Anschluss des fünften Transistors T5 und der zweite Anschluss des sechsten Transistors T6 über die leitfähigen Transistoren T5 und T6 elektrisch gekoppelt. Somit ist eine Querspannung V2 zwischen dem zweiten Anschluss des fünften Transistors T5 und dem zweiten Anschluss des sechsten Transistors T6 gleich Null.
Wie oben gemäß den 5 bis 7 erwähnt, kann der Prozessor MCU die Betriebszustände des fünften Transistors T5, des sechsten Transistors T6, des siebten Transistors T7 und des achten Transistors T8 zum Ausgeben der Spannung V2 mit den drei Zuständen steuern, mit einer positiven Polarität, einer negativen Polarität oder einer Nulldurchgangs-/Zero Cross-Bedingung. 8 zeigt eine Wellenform der Spannung V2, die von dem zweiten Wandler 11 des bidirektionalen Leistungswandlers 100 ausgegeben wird. Wie in 8 gezeigt, können drei Betriebsbedingungen alternativ zum Erzeugen der Spannung V2 während eines Zeitintervalls geschaltet werden. Insbesondere können die positive Polarität und die negative Polarität der Spannung V2 mit einer vorbestimmten Frequenz (d. h. beispielsweise 30 KHz) alternierend sein. Auf diese Weise kann der zweite Wandler 11 eine DC-AC-Leistungsumwandlung durchführen. Das DC-AC-Leistungsumwandlungsverfahren des zweiten Wandlers 11 ist jedoch nicht auf das in den 5 bis 8 dargestellte Verfahren beschränkt. Beispielsweise kann der Prozessor MCU mehr als drei Betriebsstufen zum Ausgeben von Wechselstrom verwenden. Der Prozessor MCU kann auch die Frequenz und die Amplitude der Spannung V2, die von dem zweiten Wandler 11 ausgegeben wird, steuern. Der zweite Wandler 11 kann eine Inverterfunktion ausführen. Jede vernünftige Hardware- oder Betriebsmodifikation des zweiten Wandlers 11 fällt in den Bereich der vorliegenden Erfindung.
9 veranschaulicht den Betrieb eines Leistungstreiber 12 des bidirektionalen Leistungswandlers 100, wenn die Spannung V2, die in den Leistungstreiber 12 eingegeben wird, eine positive Polarität aufweist. 10 zeigt den Betrieb des Leistungstreibers 12 des bidirektionalen Leistungswandlers 100, wenn die Spannung V2, die in den Leistungstreiber 12 eingegeben wird, eine negative Polarität hat. In 9 kann, wenn die Spannung V2 eine positive Polarität hat, der Prozessor MCU den neunten Transistor T9 steuern, um in kurzgeschlossenen Zustand zu arbeiten, und den zehnten Transistor T10 steuern, um im offenen Zustand zu arbeiten. Somit hat eine Querspannung (d.h. eine Spannung, die von einem induzierten Strom von Transformatorwicklungen abhängt) zwischen der Signalleitung L und dem zweiten Anschluss des neunten Transistors T9 eine positive Polarität. Somit hat eine Querspannung V3 zwischen dem dritten Anschluss A_DC und dem vierten Anschluss B_DC eine positive Polarität. Im Gegensatz, gemäß 10, wenn die Spannung V2 eine negative Polarität hat, kann der Prozessor MCU den zehnten Transistor T10 so steuern, dass er in dem kurzgeschlossenen Zustand arbeitet und der neunte Transistor T9 im offenen Zustand arbeitet. Somit hat eine Querspannung zwischen der Signalleitung L und dem zweiten Anschluss des zehnten Transistors T10 eine positive Polarität. Somit hat die Querspannung V3 zwischen dem dritten Anschluss A_DC und dem vierten Anschluss B_DC eine positive Polarität. Da die Spannung V3 eine unipolare Spannung ist, wird, wenn eine Last DCL (d. h. beispielsweise eine Batterie) mit dem dritten Anschluss A_DC und dem vierten Anschluss B_DC gekoppelt ist, der zweite Gleichstrom I_DC2 von dem dritten Anschluss A_DC bis zum vierten Anschluss B_DC durch die Last DCL erzeugt. Als ein Ergebnis kann der bidirektionale Leistungswandler 100 die Last DCL (Laden der Batterie), die mit dem dritten Anschluss A_DC und dem vierten Anschluss B_DC gekoppelt ist, ansteuern.
11 zeigt die Schaltkreisstruktur eines bidirektionalen Leistungswandlers 100, wenn ein dritter Anschluss A_DC und ein vierter Anschluss B_DC einen zweiten Gleichstrom I_DC2 empfangen. In 11 kann der zweite Gleichstrom I_DC2von einer Batterie B erzeugt werden. Der zweite Gleichstrom I_DC2 ist ein unipolarer Strom. Der bidirektionale Leistungswandler 100 kann den ersten Wechselstrom I_AC1 zwischen dem ersten Anschluss A_AC und dem zweiten Anschluss B_AC zum Ansteuern einer Last ACL ausgeben. In 11 sind der erste Wandler 10 und der zweite Wandler 11 H-Brückenwandler, die in 2 dargestellt sind. Wenn der dritte Anschluss A_DC und der vierte Anschluss B_DC den zweiten Gleichstrom I_DC2 empfangen, steuert der Prozessor MCU den ersten Wandler 10, um eine Wechselrichterfunktion auszuführen. Der Prozessor kann auch den zweiten Wandler 11 steuern, um eine Gleichrichterfunktion auszuführen. Mit anderen Worten führt der Leistungstreiber 12, wenn der bidirektionale Leistungswandler 100 eine DC-AC-Leistungsumwandlung durchführt, eine inverse Funktion des in 9 und 10 dargestellten Leistungstreibers 12 durch. Der neunte Transistor T9 und der zehnte Transistor T10 werden in derselben Frequenz (d.h. beispielsweise 30 kHz) und entgegengesetzten Phasen zum Ausgeben des zweiten Wechselstroms I_AC2 von dem zweiten Gleichstrom I_DC2 betrieben. Der zweite Wandler 11 kann eine AC-DC-Leistungsumwandlung unter Verwendung des in den 3 und 4 dargestellten Verfahrens zum Ausgeben des ersten Gleichstroms I_DC1 von dem zweiten Wechselstrom I_AC2 durchführen. Der erste Wandler 10 kann eine DC-AC-Leistungsumwandlung unter Verwendung des in 5 bis 8 dargestellten Verfahrens zum Ausgeben des ersten Wechselstroms I_AC1 von dem ersten Gleichstrom I_DC1 durchführen. Ähnlich kann der Prozessor MCU den Leistungstreiber 12 und den zweiten Wandler 11 synchron steuern, um den Leistungswandlungswirkungsgrad zu verbessern. Der Prozessor MCU kann den Leistungstreiber 12 steuern, um mit einer Frequenz gleich 30 KHz zu arbeiten. Der Prozessor MCU kann den ersten Wandler 10 zum Ausgeben des ersten Wechselstroms I_AC1 mit einer Frequenz im Wesentlichen gleich 50 Hz oder 60 Hz steuern. Auf diese Weise kann der bidirektionale Leistungswandler 100 zum Treiben der Last ACL verwendet werden, die mit dem ersten Anschluss A_AC und dem zweiten Anschluss B_AC gekoppelt ist.
Wie oben erwähnt, können der erste Wandler 10 und der zweite Wandler 11 zwei Halb-H-Brücken-Wandler sein. Jedoch kann jeder reguläre oder spezifische halbbrückenbasierte Wandler verwendet werden, um den ersten Wandler 10 oder den zweiten Wandler 11 zu implementieren und fällt somit in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung. 12A zeigt eine Schaltkreisstruktur eines halb-H-Brücken-basierten zweiten Wandlers 11. 12B zeigt eine Schaltkreisstruktur eines Halb-H-Brücken-basierten ersten Wandlers 10. In 12A umfasst der zweite Wandler 11 einen elften Transistor T11, eine elfte Diode D11, einen zwölften Transistor T12, eine zwölfte Diode D12, einen ersten Kondensator C1 und einen zweiten Kondensator C2. Der elfte Transistor T11 enthält einen ersten Knoten, einen zweiten Knoten und einen Steuerknoten, der mit dem Prozessor MCU gekoppelt ist. Die elfte Diode D11 enthält eine mit dem ersten Knoten des elften Transistors T11 gekoppelte Kathode und eine mit dem zweiten Knoten des elften Transistors T11 gekoppelte Anode. Der zwölfte Transistor T12 enthält einen ersten Knoten, der mit dem zweiten Knoten des elften Transistors T11, einem zweiten Knoten und einem mit dem Prozessor MCU gekoppelten Steuerknoten gekoppelt ist. Die zwölfte Diode D12 enthält eine mit dem ersten Knoten des zwölften Transistors T12 gekoppelte Kathode und eine mit dem zweiten Knoten des zwölften Transistors T12 gekoppelte Anode. Der erste Kondensator C1 enthält einen ersten Knoten, der mit dem ersten Knoten des elften Transistors T11 gekoppelt ist, und einen zweiten Knoten. Der zweite Kondensator C2 enthält einen ersten Knoten, der mit dem zweiten Knoten des ersten Kondensators C1 gekoppelt ist, und einen zweiten Knoten, der mit dem zweiten Knoten des zwölften Transistors T12 gekoppelt ist. Insbesondere werden der elfte Transistor T11 und der zwölfte Transistor T12 in derselben Frequenz und entgegengesetzten Phasen betrieben. In 12B enthält der erste Wandler 10 einen dreizehnten Transistor T13, eine dreizehnte Diode D13, einen vierzehnten Transistor T14, eine vierzehnte Diode D14, einen dritten Kondensator C3 und einen vierten Kondensator C4. Der dreizehnte Transistor T13 enthält einen ersten Knoten, einen zweiten Knoten und einen Steuerknoten, der mit dem Prozessor MCU gekoppelt ist. Die dreizehnte Diode D13 enthält eine mit dem ersten Knoten des dreizehnten Transistors T13 gekoppelte Kathode und eine mit dem zweiten Knoten des dreizehnten Transistors T13 gekoppelte Anode. Der vierzehnte Transistor T14 enthält einen ersten Knoten, der mit dem zweiten Knoten des dreizehnten Transistors T13, einem zweiten Knoten und einem mit dem Prozessor MCU gekoppelten Steuerknoten gekoppelt ist. Die vierzehnte Diode D14 enthält eine Kathode, die mit dem ersten Knoten des vierzehnten Transistors T14 gekoppelt ist, und eine Anode, die mit dem zweiten Knoten des vierzehnten Transistors T14 gekoppelt ist. Der dritte Kondensator C3 enthält einen ersten Knoten, der mit dem ersten Knoten des dreizehnten Transistors T13 gekoppelt ist, und einen zweiten Knoten. Der vierte Kondensator C4 enthält einen ersten Knoten, der mit dem zweiten Knoten des dritten Kondensators C3 gekoppelt ist, und einen zweiten Knoten, der mit dem zweiten Knoten des vierzehnten Transistors T14 gekoppelt ist. Insbesondere werden der dreizehnte Transistor T13 und der vierzehnte Transistor T14 in derselben Frequenz und entgegengesetzten Phasen betrieben.
Da der bidirektionale Leistungswandler 100 Doppelstromumwandlungen bereitstellt und die Intensität des von den Anschlüssen A_AC und B_AC oder den Anschlüssen A_DCund B_DC ausgegebenen Stroms steuern kann, können einige Anwendungen unter Verwendung des bidirektionalen Leistungswandlers 100 einen hohen Betriebskomfort bieten und können nachfolgend dargestellt werden.
13 zeigt eine Ausführungsform einer ersten Anwendung unter Verwendung des bidirektionalen Leistungswandlers 100. Gemäß 13 kann ein Wechselstromnetz als Energiequelle betrachtet werden. Eine Last ACL kann als ein elektrisches Gerät betrachtet werden, das durch einen Wechselstrom I₂ angetrieben wird. Eine Batterie B kann als ein Leistungsvorrat betrachtet werden. In 13 benötigt die Last ACL den Strom I₂ für die Antriebsfunktionen (I₂ kann 10 Ampere sein, im folgenden „10A“ genannt). Der bidirektionale Leistungswandler 100 kann einen Strom I₃ gleich 0A zum Sperren des Batterieladeprozesses steuern. Somit kann das Wechselstromnetz einen Strom I₁ gleich 10A zum Ansteuern der Last ACL bereitstellen. Die Batterie B wird im Ladungssperrzustand betrieben. Mit anderen Worten liefert sie für das Wechselstromnetz den Strom I₁ (10A) = I₂ (10A) + I₃ (0A) zum Antreiben der Last ACL.
14 zeigt eine Ausführungsform einer zweiten Anwendung unter Verwendung des bidirektionalen Leistungswandlers 100. In 14 erfordert die Last ACL einen Strom I₂ gleich 10A für die Antriebsfunktionen. Der bidirektionale Leistungswandler 100 kann einen Strom I₃ gleich 1A zum Laden der Batterie B steuern. Somit kann das Wechselstromnetz einen Strom I₁ gleich 11A zum Treiben der Last ACL und zum gleichzeitigen Laden der Batterie B bereitstellen. Mit anderen Worten liefert sie für das Wechselstromnetz den Strom I₁ (11A) = I₂ (10A) + I₃ (1A) zum Antreiben der Last ACL und zum gleichzeitigen Laden der Batterie B.
15 zeigt eine Ausführungsform einer dritten Anwendung unter Verwendung des bidirektionalen Leistungswandlers 100. In 15 benötigt die Last ACL einen Strom I₂ gleich 10A für die Antriebsfunktionen. Der bidirektionale Leistungswandler 100 kann einen Strom I₃ gleich 3A von der Batterie B zu der Last ACL steuern. Somit kann das Wechselstromnetz einen Strom I₁ gleich 7A zum Ansteuern der Last ACL durch Kombinieren des Stroms I₃ gleich 3A von der Batterie B bereitstellen. Mit anderen Worten können das Wechselstromnetz und die Batterie B Energie zum gemeinsamen Antreiben der Last ACL bereitstellen. Für das Wechselstromnetz liefert es nur den Strom I₁ (7A) = I₂ (10A) -I₃ (3A) zum Ansteuern der Last ACL.
16 zeigt eine Ausführungsform einer vierten Anwendung unter Verwendung des bidirektionalen Leistungswandlers 100. In 16 fordert die Last ACL einen Strom I₂ gleich 10A für die Antriebsfunktionen. Der bidirektionale Leistungswandler 100 kann einen Strom I₃ gleich 10A von der Batterie B zu der Last ACL steuern. Somit ist die Leistung von dem Wechselstromnetz nicht zum Antreiben der Last ACL erforderlich. Als Ergebnis wird kein Strom von dem Wechselstromnetz abgeführt. Mit anderen Worten, die Batterie B kann die volle Leistung zum Antreiben der Last ACL bereitstellen. Für das Wechselstromnetz ist es nicht erforderlich, den Strom I₁ (0A) = I₂ (10A) -I₃ (10A) bereitzustellen, da die Batterie B die Last ACL vollständig antreiben kann.
17 zeigt eine Ausführungsform einer fünften Anwendung unter Verwendung des bidirektionalen Leistungswandlers 100. In 17 wird keine Last ACL betrachtet. Somit kann der bidirektionale Leistungswandler 100 verwendet werden, um die Wechselstromleistung auf die Gleichstromleistung zum Laden der Batterie B zu übertragen. Zum Beispiel kann das Wechselstromnetz den Strom I₁ (10A) = I₂ (10A) zum Laden der Batterie bereitstellen B.
In der vorliegenden Erfindung kann der Strom durch den bidirektionalen Leistungswandler 100 gesteuert werden. Wenn zum Beispiel das Wechselstromnetz beschränkt ist, um einen Strom gleich 5A (dh I₁ = 5A) auszugeben, kann der bidirektionale Leistungswandler 100 den Strom I₃ für verschiedene Ströme I₂ der Last ACL steuern, wie in Tabelle A dargestellt. Tabelle A

Strom I₂, der durch den Last ACL benötigt wird Strom I₃ der Batterie B

0A 5A

1A 4A

2A 3A

3A 2A

4A 1A

5A 0A

6A -1A

7A -2A
In Tabelle A wird der Strom I₃ der Batterie B, der von dem AC Wechselstromnetz durch den bidirektionalen Leistungswandler 100 fliest, zum Laden der Batterie B verringert (5A bis 0A), wenn der von der Last ACL benötigte Strom I₂ erhöht (0A bis 5A) wird, da der Strom I₁ gleich 5A ist. Wenn der von der Last ACL (6A und 7A) benötigte Strom I₂ größer als der durch das Wechselstromnetz (5A) begrenzte Strom I₁ ist, kann die Batterie B Strom an die Last ACL entladen (d. h. der Strom I₃ist -1A und -2A). Als Ergebnis kann für das Wechselstromnetz der Strom I₁ auf 5A aufrechterhalten werden, da I₁ (5A) = I₂ (7A) + I₃ (-2A) gilt.
Zusammenfassend offenbart die vorliegende Erfindung einen bidirektionalen Leistungswandler zum Durchführen einer AC-DC-Leistungsumwandlung oder DC-AC-Leistungsumwandlung. Der bidirektionale Leistungswandler verwendet nur drei Leistungsübergänge zur Erzielung einer Leistungsumwandlung. Insbesondere sind die Leistung von zwei Gleichstromanschlüssen und die Leistung von zwei Wechselstromanschlüssen während eines Zeitintervalls im Wesentlichen gleich, so dass keine zusätzliche Leistungsaufnahme eingeführt wird, wenn die Leistungsumwandlung durchgeführt wird. Beim Vergleich des bidirektionalen Leistungswandlers mit herkömmlichen Leistungswandlern liefert der bidirektionale Leistungswandler der vorliegenden Erfindung reduzierte Schaltkreise und eine hohe Leistungsdichte, wodurch die Annehmlichkeit und Effizienz der Leistungsumwandlung verbessert wird.
Der Fachmann wird leicht erkennen, dass zahlreiche Modifikationen und Änderungen der Vorrichtung und des Verfahrens durchgeführt werden können, während die Lehren der Erfindung beibehalten werden. Dementsprechend sollte die vorstehende Offenbarung so ausgelegt werden, dass sie nur durch die Begriffe und Abgrenzung der beigefügten Ansprüche beschränkt ist.

Claims

Ein bidirektionaler Leistungswandler (100), umfassend: Einen ersten Anschluss (A_AC); einen zweiten Anschluss (B_AC); einen dritten Anschluss (A_DC); einen vierten Anschluss(B_DC); einen ersten Wandler (10), der mit dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss gekoppelt ist und konfiguriert ist, um eine Umwandlung zwischen einem ersten Wechselstrom (I_AC1) und einem ersten Gleichstrom (I_DC1) durchzuführen; einen zweiten Wandler (11), der mit dem ersten Wandler gekoppelt ist und konfiguriert ist, um eine Umwandlung zwischen einem zweiten Wechselstrom (I_AC2) und dem ersten Gleichstrom durchzuführen; einen Leistungstreiber (12), der mit dem zweiten Wandler, dem dritten Anschluss und dem vierten Anschluss gekoppelt ist und konfiguriert ist, um eine Umwandlung zwischen dem zweiten Wechselstrom und einem zweiten Gleichstrom (I_DC2) durchzuführen; und einen Prozessor (MCU), der mit dem ersten Wandler, dem zweiten Wandler und dem Leistungstreiber gekoppelt ist und konfiguriert ist, um den ersten Wandler, den zweiten Wandler und den Leistungstreiber zu steuern; wobei, wenn der erste Anschluss und der zweite Anschluss den ersten Wechselstrom empfangen, der dritte Anschluss und der vierte Anschluss den zweiten Gleichstrom ausgeben, und wenn der dritte Anschluss und der vierte Anschluss den zweiten Gleichstrom empfangen, der erste Anschluss und der zweite Anschluss den ersten Wechselstrom ausgeben.
Der bidirektionale Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei der erste Wandler umfasst: Einen ersten Transistor (T1), umfassend: einen ersten Knoten; einen zweiten Knoten, der mit dem zweiten Anschluss gekoppelt ist; und einen Steuerknoten, der mit dem Prozessor gekoppelt ist; eine erste Diode (D1), umfassend: Eine Kathode, die mit dem ersten Knoten des ersten Transistors gekoppelt ist; und eine Anode, die mit dem zweiten Knoten des ersten Transistors gekoppelt ist; einen zweiten Transistor (T2), umfassend: Einen ersten Knoten, der mit dem ersten Knoten des ersten Transistors gekoppelt ist; einen zweiten Knoten, der mit dem ersten Anschluss gekoppelt ist; und einen Steuerknoten, der mit dem Prozessor gekoppelt ist; eine zweite Diode (D2), umfassend: Eine Kathode, die mit dem ersten Knoten des zweiten Transistors gekoppelt ist; und eine Anode, die mit dem zweiten Knoten des zweiten Transistors gekoppelt ist; einen dritten Transistor (T3), umfassend: Einen ersten Knoten, der mit dem zweiten Knoten des ersten Transistors gekoppelt ist; einen zweiten Knoten; und einen Steuerknoten, der mit dem Prozessor gekoppelt ist; eine dritte Diode (D3), umfassend: Eine Kathode, die mit dem ersten Knoten des dritten Transistors gekoppelt ist; und eine Anode, die mit dem zweiten Knoten des dritten Transistors gekoppelt ist; einen vierten Transistor (T4), umfassend: Einen ersten Knoten, der mit dem zweiten Knoten des zweiten Transistors gekoppelt ist; einen zweiten Knoten, der mit dem zweiten Knoten des dritten Transistors gekoppelt ist; und einen Steuerknoten, der mit dem Prozessor gekoppelt ist; und eine vierte Diode (D4), umfassend: eine Kathode, die mit dem ersten Knoten des vierten Transistors gekoppelt ist; und eine Anode, die mit dem zweiten Knoten des vierten Transistors gekoppelt ist.
Der bidirektionale Leistungswandler nach Anspruch 2, ferner umfassend einen Kondensator (C), der einen mit dem ersten Knoten des ersten Transistors gekoppelten ersten Knoten und einen mit dem zweiten Knoten des dritten Transistors gekoppelten zweiten Knoten aufweist.
Der bidirektionale Leistungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der erste Wandler ein H-Brückenwandler oder ein Halb-H-Brückenwandler ist, wenn der erste Anschluss und der zweite Anschluss den ersten Wechselstrom empfangen, der Prozessor kontrolliert den ersten Wandler, um eine Leistungsfaktorumwandlungsfunktion oder eine Gleichrichterfunktion auszuführen, und wenn der dritte Anschluss und der vierte Anschluss den zweiten Gleichstrom empfangen, steuert der Prozessor den ersten Wandler, um eine Inverterfunktion auszuführen.
Der bidirektionale Leistungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der zweite Wandler umfasst: einen fünften Transistor (T5), umfassend: einen ersten Knoten; einen zweiten Knoten; und einen Steuerknoten, der mit dem Prozessor gekoppelt ist; eine fünfte Diode (D5), umfassend: Eine Kathode, die mit dem ersten Knoten des fünften Transistors gekoppelt ist; und eine Anode, die mit dem zweiten Knoten des fünften Transistors gekoppelt ist; einen sechsten Transistor (T6), umfassend: Einen ersten Knoten, der mit dem ersten Knoten des fünften Transistors gekoppelt ist; einen zweiten Knoten; und einen Steuerknoten, der mit dem Prozessor gekoppelt ist; eine sechste Diode (D6), umfassend: Eine Kathode, die mit dem ersten Knoten des sechsten Transistors gekoppelt ist; und eine Anode, die mit dem zweiten Knoten des sechsten Transistors gekoppelt ist; einen siebten Transistor (T7) mit: Einem ersten Knoten, der mit dem zweiten Knoten des fünften Transistors gekoppelt ist; einen zweiten Knoten; und einen Steuerknoten, der mit dem Prozessor gekoppelt ist; eine siebte Diode (D7), umfassend: Eine Kathode, die mit dem ersten Knoten des siebten Transistors gekoppelt ist; und eine Anode, die mit dem zweiten Knoten des siebten Transistors gekoppelt ist; einen achten Transistor (T8), umfassend: Einen ersten Knoten, der mit dem zweiten Knoten des sechsten Transistors gekoppelt ist; einen zweiten Knoten, der mit dem zweiten Knoten des siebten Transistors gekoppelt ist; und einen Steuerknoten, der mit dem Prozessor gekoppelt ist; und eine achte Diode (D8), umfassend: Eine Kathode, die mit dem ersten Knoten des achten Transistors gekoppelt ist; und eine Anode, die mit dem zweiten Knoten des achten Transistors gekoppelt ist.
Der bidirektionale Leistungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wandler ein H-Brückenwandler oder ein Halb-H-Brückenwandler ist, wenn der erste Anschluss und der zweite Anschluss den ersten Wechselstrom empfangen, steuert der Prozessor den zweiten Wandler, um eine Inverterfunktion auszuführen, und wenn der dritte Anschluss und der vierte Anschluss den zweiten Gleichstrom empfangen, steuert der Prozessor den zweiten Wandler, um eine Leistungsfaktorumwandlungsfunktion oder eine Gleichrichterfunktion auszuführen.
Der bidirektionale Leistungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Leistungstreiber umfasst, einen Transformator (TF); einen neunten Transistor (T9), umfassend: Einen ersten Knoten, der mit dem Transformator gekoppelt ist; einen zweiten Knoten; und einen Steuerknoten, der mit dem Prozessor gekoppelt ist; einen zehnten Transistor (T10), umfassend: Einen ersten Knoten, der mit dem Transformator gekoppelt ist; einen zweiten Knoten, der mit dem zweiten Knoten des neunten Transistors und dem vierten Anschluss gekoppelt ist; einen Steuerknoten, der mit dem Prozessor gekoppelt ist; und eine Signalleitung (L), die mit dem Transformator und dem dritten Anschluss gekoppelt ist.
Der bidirektionale Leistungswandler nach Anspruch 7, wobei der neunte Transistor und der zehnte Transistor in derselben Frequenz und entgegengesetzten Phasen betrieben werden.
Der bidirektionale Leistungswandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Leistungstreiber ein Gegentakt-Schaltkreis /Push-Pull- Schaltkreis oder ein Sperr-Schaltkreis/ fly-back Schaltkreis ist.
Der bidirektionale Leistungswandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Leistung des ersten Wechselstroms und die Leistung des zweiten Gleichstroms während eines Zeitintervalls im Wesentlichen gleich sind.
Der bidirektionale Leistungswandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei, wenn der erste Anschluss und der zweite Anschluss den ersten Wechselstrom empfangen, wird der erste Wechselstrom unter Verwendung von drei Leistungsübergängen/Power transitions verarbeitet, um der zweite Gleichstrom zu werden.
Der bidirektionale Leistungswandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei, wenn der dritte Anschluss und der vierte Anschluss den zweiten Gleichstrom empfangen, der zweite Gleichstrom wird unter Verwendung von drei Leistungsübergängen verarbeitet, um der erste Wechselstrom zu werden.
Der bidirektionale Leistungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei eine Mittenfrequenz / Center frequency des ersten Wechselstroms im Wesentlichen gleich 50 Hz oder 60 Hz ist.
Der bidirektionale Leistungswandler nach Anspruch 13, wobei eine Toleranzfrequenz des ersten Wechselstroms im Wesentlichen gleich 3 Hz ist.
Der bidirektionale Leistungswandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der zweite Wandler umfasst: Einen elften Transistor (T11), umfassend: Einen ersten Knoten; einen zweiten Knoten; und einen Steuerknoten, der mit dem Prozessor gekoppelt ist; eine elfte Diode (D11), umfassend: Eine Kathode, die mit dem ersten Knoten des elften Transistors gekoppelt ist; und eine Anode, die mit dem zweiten Knoten des elften Transistors gekoppelt ist; einen zwölften Transistor (T12), umfassend: Einen ersten Knoten, der mit dem zweiten Knoten des elften Transistors gekoppelt ist; einen zweiten Knoten; und einen Steuerknoten, der mit dem Prozessor gekoppelt ist; eine zwölfte Diode (D12), umfassend: Eine Kathode, die mit dem ersten Knoten des zwölften Transistors gekoppelt ist; und eine Anode, die mit dem zweiten Knoten des zwölften Transistors gekoppelt ist; einen ersten Kondensator (C1), umfassend: Einen ersten Knoten, der mit dem ersten Knoten des elften Transistors gekoppelt ist; und einen zweiten Knoten; und einen zweiten Kondensator (C2), umfassend: einen ersten Knoten, der mit dem zweiten Knoten des ersten Kondensators gekoppelt ist; und einen zweiten Knoten, der mit dem zweiten Knoten des zwölften Transistors gekoppelt ist.
Der bidirektionale Leistungswandler nach Anspruch 15, wobei der elfte Transistor und der zwölfte Transistor in derselben Frequenz und entgegengesetzten Phasen betrieben werden.
Der bidirektionale Leistungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei der Wandler umfasst: Einen dreizehnten Transistor (T13), umfassend: Einen ersten Knoten; einen zweiten Knoten; und einen Steuerknoten, der mit dem Prozessor gekoppelt ist; Eine dreizehnte Diode (D13), umfassend: Eine Kathode, die mit dem ersten Knoten des dreizehnten Transistors gekoppelt ist; und eine Anode, die mit dem zweiten Knoten des dreizehnten Transistors gekoppelt ist; einen vierzehnten Transistor (T14), umfassend: Einen ersten Knoten, der mit dem zweiten Knoten des dreizehnten Transistors gekoppelt ist; einen zweiten Knoten; und einen Steuerknoten, der mit dem Prozessor gekoppelt ist; eine vierzehnte Diode (D14), umfassend: eine Kathode, die mit dem ersten Knoten des vierzehnten Transistors gekoppelt ist; und eine Anode, die mit dem zweiten Knoten des vierzehnten Transistors gekoppelt ist; einen dritten Kondensator (C3), umfassend: Einen ersten Knoten, der mit dem ersten Knoten des dreizehnten Transistors gekoppelt ist; und einen zweiten Knoten; und einen vierten Kondensator (C4), umfassend: Einen ersten Knoten, der mit dem zweiten Knoten des dritten Kondensators gekoppelt ist; und einen zweiten Knoten, der mit dem zweiten Knoten des vierzehnten Transistors gekoppelt ist.
Der bidirektionale Leistungswandler nach Anspruch 17, wobei der dreizehnte Transistor und der vierzehnte Transistor in derselben Frequenz und entgegengesetzten Phasen betrieben werden.