DE102011113110A1

DE102011113110A1 - Leistungsübertragung zwischen unabhängigen Leistungsanschlüssen unter Verwendung eines einzigen Transformators

Info

Publication number: DE102011113110A1
Application number: DE102011113110A
Authority: DE
Inventors: Ionut Adrian Nania; Cristina Nania
Original assignee: Power Integrations Inc
Current assignee: Power Integrations Inc
Priority date: 2010-10-19
Filing date: 2011-09-09
Publication date: 2012-04-19
Also published as: US20120092903A1; US8466662B2; CN102457197A

Abstract

Ein beispielhaftes Leistungsversorgungsnetzwerk enthält ein Energieübertragungselement, einen Hauptleistungsanschluss und eine Hauptanschlussschnittstelle. Das Energieübertragungselement enthält mehrere Wicklungen, wobei ein erster Leistungswandler Leistung zwischen einem ersten Leistungsanschluss und einer ersten Wicklung überträgt und ein zweiter Leistungswandler Leistung zwischen einer zweiten Wicklung und einem zweiten Leistungsanschluss überträgt. Die Hauptanschlussschnittstelle ist gekoppelt zum zyklischen Vertauschen einer an dem Hauptleistungsanschluss empfangenen Gleichspannung und liefert eine zyklisch vertauschte Spannung an eine dritte Wicklung des Energieübertragungselements mit einem festen Tastverhältnis, wobei die Übertragung von Leistung zwischen dem ersten Leistungsanschluss und der ersten Wicklung unabhängig ist von der Übertragung von Leistung zwischen der zweiten Wicklung und dem zweiten Leistungsanschluss. Außerdem weist der Hauptleistungsanschluss eine effektive Impedanz auf, die kleiner ist als eine effektive Impedanz des ersten Leistungsanschlusses und des zweiten Leistungsanschlusses.

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Leistungsanschlüsse und insbesondere die Leistungsübertragung zwischen mehreren Leistungsanschlüssen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Leistungsversorgungssysteme übertragen in der Regel Leistung zu und von mehreren Orten. Solche beispielhaften Systeme sind Solarenergieversorgungssysteme und Kraftfahrzeugleistungsverarbeitungssysteme. Ein Beispiel für ein Solarenergieversorgungssystem wäre das für den Heimverbrauch genutzte Solarenergieversorgungssystem. Eine Photovoltaikzelle (PV) wandelt die Energie von empfangenem Sonnenlicht in elektrische Leistung um. Das Leistungsversorgungssystem überträgt dann die elektrische Leistung zu verschiedenen Orten im Heim. Leistung kann von einer PV-Zelle zu einer Batterie zur Energiespeicherung übertragen werden. Außerdem kann Leistung in den Hochspannungswechselstrom umgewandelt werden, der für herkömmliche Wandsteckdosen zu Leistungselektronikeinrichtungen verwendet wird. Gegenwärtige Systeme verwenden in der Regel mindestens zwei unabhängige Einrichtungen, die zum Übertragen von Leistung in dem Solarenergieversorgungssystem verwendet werden. Eine als MPP-Tracker (Maximum Power Point Tracker, MPPT) bezeichnete Einrichtung überträgt Leistung von einer PV-Zelle zu einer Batterie. Der MPPT ist ein DC-DC-Leistungswandler, der der PV-Zelle die optimale Leistung entnimmt. Das Solarenergieversorgungssystem nutzt eine andere Einrichtung, einen Wechselrichter, der Energie von der Batterie in Hochspannungswechselstrom umwandelt, der für das Übertragungsnetz verwendet wird. Ein Wechselrichter ist ein DC-AC-Wechselrichter, und er ist in der Regel auch ein bidirektionaler Wechselrichter.
Der Wechselrichter kann mehrere Hochspannungswechselstrom- oder Gleichstromausgänge und -eingänge aufweisen, wobei jeder eine von der anderen verschiedene Phase, Amplitude und/oder Frequenz aufweisen kann (50 Hz, 60 Hz, 100 Hz, einphasig, spaltphasig oder dreiphasig). Intern nutzt der Wechselrichter einen Transformator für jeden hochspannungsisolierten Wechselstromausgang. Der obenerwähnte MPPT nutzt intern auch ein Energieübertragungselement wie etwa eine Induktionsspule oder einen Transformator. Für ein typisches Solarenergieversorgungssystem mit einer PV-Zelle würden eine Batterie und ein Hochspannungswechselstromausgang, zwei separate Produkte mit jeweils ihrem eigenen Transformator, genutzt werden. Außerdem würde für jeden zusätzlichen Ausgang des Wechselrichters ein weiterer Transformator verwendet werden. Zwei separate Produkte fügen zusätzliche Kosten hinzu und führen zu einer größeren Größe und mehr Gewicht des Leistungsversorgungssystems. Durch zusätzliche Transformatoren steigen auch die zusätzlichen Kosten, die Größe und das Gewicht des Leistungsversorgungssystems.
Andere haben versucht, den MPPT, mehrere Wechselrichter oder andere Leistungsumwandlungssysteme zu einem einzelnen Produkt mit einem einzelnen Energieübertragungselement wie etwa einem Transformator zu kombinieren, um die Kosten und die Größe der Einrichtung zu reduzieren. Ein Leistungsversorgungssystem mit einem einzelnen Energieübertragungselement, das Energie zu und von mehreren Orten überträgt, wird hierin als Mehrfachleistungsanschlussumwandlung (MPPC, Multiple Power Port Conversion) bezeichnet. Das Implementieren einer MMPC für ein Leistungsversorgungssystem hat jedoch viele Herausforderungen und Hindernisse, nämlich das Implementieren der Regelkreise für verschiedene mit dem einzelnen Energieübertragungselement verbundene Orte. Beispielsweise würde ein MPPC-System mit drei Orten (auch als Anschlüsse bezeichnet), das Leistung zwischen dem ersten und zweiten Ort überträgt, die Effekte der Leistungsübertragung zu dem dritten Ort berücksichtigen müssen, weil sich die Orte einen gemeinsamen Pfad durch das Energieübertragungselement teilen. Als solches würde das den Leistung zu oder von dem dritten Ort steuernde Steuersignal die Effekte der Leistungsübertragung zwischen dem ersten und zweiten Ort versetzen. Das Gleiche kann für eine Leistungsübertragung zwischen dem ersten und dritten Ort und die Effekte zu dem zweiten Ort gesagt werden. Als solches können die Steuertechniken für jeden individuellen Leistungsanschluss sehr komplex werden, wenn mehr Leistungsanschlüsse an das Energieübertragungselement angeschlossen werden. Als solches ist die Anzahl der Leistungsanschlüsse, die an das Energieübertragungselement angeschlossen werden kann, aufgrund der für jeden Anschluss erzeugten komplexen Regelkreise begrenzt. Deshalb sind typische MPPC-Systeme auf höchstens drei Leistungsanschlüsse begrenzt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile von mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden eingehenderen Beschreibung davon, in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen vorgelegt.
1 ist ein Funktionsblockdiagramm, das ein Leistungsversorgungssystem darstellt, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein Schaltplan, der ein beispielhaftes Leistungsversorgungssystem darstellt, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine Wellenform, die ein beispielhaftes Hauptansteuersignal für das Leistungsversorgungsystem von 2 darstellt, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist ein Diagramm, das einen Controller veranschaulicht, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 ist ein Diagramm, das einen Controller unter Verwendung einer XOR-Modulation darstellt, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 ist ein Zeitsteuerdiagramm, das verschiedene Wellenformen des Leistungsversorgungssystems darstellt, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Entsprechende Bezugszeichen geben entsprechende Komponenten in den mehreren Ansichten der Zeichnungen an. Der Fachmann erkennt, dass Elemente in den Figuren der Einfachheit und Übersichtlichkeit halber dargestellt worden sind und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet wurden. Beispielsweise können die Abmessungen von einigen der Elemente in den Figuren relativ zu anderen Elementen übertrieben sein, um das Verbessern des Verständnisses von verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu unterstützen. Außerdem sind übliche, aber wohlverstandende Elemente, die bei kommerziell machbaren Ausführungsformen nützlich oder notwendig sind, oftmals nicht dargestellt, um eine weniger behinderte Ansicht dieser verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu erleichtern.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen für eine Leistungsübertragung zwischen unabhängigen Leistungsanschlüssen wurden hier beschrieben. In der folgenden Beschreibung werden zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein eingehendes Verständnis der Ausführungsformen zu vermitteln. Der Fachmann erkennt jedoch, dass die hierin beschriebenen Techniken ohne ein oder mehrere der spezifischen Details oder mit anderen Verfahren, Komponenten, Materialien usw. praktiziert werden können. In anderen Fällen sind wohlbekannte Strukturen, Materialien oder Operationen nicht gezeigt oder ausführlich beschrieben, um das Verdunkeln gewisser Aspekte zu vermeiden.
In dieser Patentschrift bedeutet eine Bezugnahme auf „eine Ausführungsform” oder „ein Beispiel”, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder Charakteristik, das oder die in Verbindung mit der Ausführungsform oder dem Beispiel beschrieben wird, in mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten ist. Somit beziehen sich die an verschiedenen Stellen in dieser Patentschrift vorkommenden Ausdrücke „bei einer Ausführungsform” oder „ein Beispiel”, nicht notwendigerweise überall auf die gleiche Ausführungsform oder das gleiche Beispiel. Weiterhin können die jeweiligen Merkmale, Strukturen oder Charakteristika in beliebigen geeigneten Kombinationen und/oder Teilkombinationen bei einer oder mehreren Ausführungsformen oder Beispielen kombiniert werden. Außerdem versteht sich, dass die hiermit bereitgestellten Figuren zu Erläuterungszwecken für den Durchschnittsfachmann dienen und dass die Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet sind.
Herkömmliche Leistungsversorgungssysteme verwenden in der Regel separate Einrichtungen (und deshalb separate Energieübertragungselemente), um Leistung zu und von mehreren Orten/Anschlüssen zu übertragen. Mehrere Leistungsanschlüsse können zusammengekoppelt werden, um Energie zwischen mehreren Leistungsanschlüssen zu übertragen, hier auch als Mehrfachanschlussleistungsumwandlung (MPPC) bezeichnet. Ein Leistungsanschluss ist ein Eingangs- und/oder Ausgangsort für die Leistungsversorgung und/oder das Abrufen von Leistung. Mit anderen Worten ist ein Leistungsanschluss ein Ort, wo Leistung empfangen und/oder zugeführt werden kann. Leistungsanschlüsse können durch Leistungswandler, die die Leistungsübertragung zwischen dem Leistungsanschluss und dem Transformator steuern, an das Energieübertragungselement gekoppelt sein. Ein einzelner Transformator kann verwendet werden, um Leistung von einem Leistungsanschluss zu einem anderen Leistungsanschluss zu übertragen. Gegenwärtig besteht eines der Hindernisse für das Implementieren von MPPC darin, dass sich die Regelkreise für verschiedene Leistungsanschlüsse einen gemeinsamen Pfad durch den gleichen Magnetkreis (d. h. den Transformator) teilen. Ein Steuersignal, das einen Leistungspfad regelt (den Pfad von einem Leistungsanschluss zu einem anderen Leistungsanschluss), würde einen anderen Leistungspfad beeinflussen, da sich beide Leistungsanschlüsse den Transformator teilen. Wenn mehr Leistungsanschlüsse an den gleichen Magnetkreis angeschlossen werden, gibt es mehr Leistungspfade, die die Komplexität des Regelns eines einzelnen Leistungspfads vergrößern. Folglich sind viele MPPC-Systeme auf drei Leistungsanschlüsse begrenzt, um eine weitere Komplexität zu vermeiden.
Eine Leistungsübertragung zwischen dem Leistungsanschluss und dem Energieübertragungselement kann unidirektional oder bidirektional sein. Mit anderen Worten können die Leistungswandler unidirektional oder bidirektional sein. Unidirektionale Leistungsanschlüsse können Leistung entweder liefern oder empfangen. Andererseits können bidirektionale Leistungsanschlüsse Leistung sowohl liefern als auch empfangen. Bei einem Leistungsversorgungssystem können mehrere Leistungsanschlüsse zusammengekoppelt sein, um Leistung von einem Leistungsanschluss zu einem anderen zu übertragen.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen ein MPPC-System bereit, das eine Anzahl N von Leistungsanschlüssen implementiert, die an eine einzelne magnetische Einrichtung wie etwa einen Transformator gekoppelt sind, der einen Leistungsanschluss mit niedriger Impedanz nutzt. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auch ein einzigartiges Modulationsverfahren für die Vereinfachung mindestens eines bidirektionalen Leistungsanschlusses nutzen. Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine räumliche Topologie, die es jedem Leistungsanschluss gestattet, unabhängig von einem anderen Leistungsanschluss zu funktionieren. Folglich ist die Leistungsübertragung zwischen einem Leistungsanschluss und dem Transformator unabhängig von der Übertragung von Leistung zwischen anderen Leistungsanschlüssen und dem Transformator. Der Leistungsanschluss mit niedriger Impedanz kann als der Hauptleistungsanschluss bezeichnet werden. Ein Beispiel für einen Leistungsanschluss mit niedriger Impedanz wäre eine Batterie, die ohne eine dazwischen gekoppelte Induktionsspule an das Energieübertragungselement, d. h. den Transformator, gekoppelt ist. Außerdem können andere Leistungsanschlüsse durch einen jeweiligen Leistungswandler, der eine Induktionsspule enthält und eine höhere Impedanz als der Hauptleistungsanschluss aufweist, an das Energieübertragungselement gekoppelt sein. Selbst wenn mehrere Leistungsanschlüsse an das Energieübertragungselement gekoppelt sind, erscheint es folglich so, als ob jeder Leistungsanschluss an eine einzelne. räumlich geschaltete Batterie angeschlossen ist. Dies gestattet, dass die Leistungsübertragung zwischen einem Leistungsanschluss und dem Energieübertragungselement von der Leistungsübertragung zwischen anderen Leistungsanschlüssen und dem Energieübertragungselement unabhängig ist.
Zuerst unter Bezugnahme auf 1 wird ein Funktionsblockdiagramm eines beispielhaften Leistungsversorgungssystems 100 so dargestellt, dass es ein Leistungsversorgungsnetzwerk aufweist, das ein Energieübertragungselement 102, einen Hauptleistungsanschluss 104, eine Hauptanschlussschnittstelle 106, einen ersten Leistungsanschluss 108, einen ersten Leistungswandler 110, einen zweiten Leistungsanschluss 112, einen zweiten Leistungswandler 114, einen dritten Leistungsanschluss 116 und einen dritten Leistungswandler 118 aufweist.
Das Leistungsversorgungssystem 100 erleichtert die Übertragung zu und von verschiedenen Leistungsanschlüssen. Wie dargestellt, ist das Energieübertragungselement 102 an den Hauptleistungsanschluss 104 durch die Hauptanschlussschnittstelle 106 gekoppelt. Außerdem kann der erste Leistungsanschluss 8 durch den ersten Leistungswandler 110 an das Energieübertragungselement 102 gekoppelt sein. Der zweite Leistungsanschluss 112 kann durch den zweiten Leistungswandler 114 an das Energieübertragungselement 102 gekoppelt sein, und der dritte Leistungsanschluss 116 kann durch den dritten Leistungswandler 118 an das Energieübertragungselement 102 gekoppelt sein.
Die in 1 gezeigten Leistungswandler erleichtern die Leistungsübertragung zwischen dem Leistungsanschluss und dem Energieübertragungselement. Der erste Leistungsanschluss 108 ist ein Beispiel für einen unidirektionalen Leistungsanschluss. Die Leistung wird von dem ersten Leistungsanschluss 108 geliefert und wird zu dem Energieübertragungselement 102 übertragen (wie durch den Richtungspfeil 120 dargestellt). Der erste Leistungswandler 110 ist als solches ein unidirektionaler Leistungswandler, wobei der erste Leistungsanschluss 108 an einen Eingang des Leistungswandlers 110 gekoppelt ist und das Energieübertragungselement 102 an einen Ausgang des Leistungswandlers 110 gekoppelt ist. Bei einem Beispiel ist das Eingangssignal des ersten Leistungswandlers 110 ein Gleichspannungseingangssignal und das Ausgangssignal ist eine geschaltete Spannung. Eine geschaltete Spannung kann eine Spannung sein, die hinsichtlich ihrer Polarität wechselt. Als solches kann der erste Leistungswandler 110 ein DC-Schaltspannungs-Wandler sein. Bei dem in 1 gezeigten Beispiel soll der erste Leistungsanschluss 108 so gekoppelt werden, dass Leistung von einem Leistungsgenerator wie etwa einer Fotovoltaikzelle (PV) 128 empfangen wird. Ein Beispiel für den Leistungswandler 110 kann ein Wechselrichter sein, wie oben erwähnt.
Weiter in 1 gezeigt, ist der zweite Leistungsanschluss 112 ein unidirektionaler Leistungsanschluss. Leistung wird jedoch durch den zweiten Leistungsanschluss 112 von dem Energieübertragungselement 102 empfangen (wie durch den Richtungspfeil 122 gezeigt). Der zweite Leistungswandler 114 ist ein unidirektionaler Leistungswandler, wobei das Energieübertragungselement 102 an einen Eingang des zweiten Leistungswandlers 114 gekoppelt ist und der zweite Leistungsanschluss 112 an einen Ausgang des zweiten Leistungswandlers 114 gekoppelt ist. Bei dem in 1 gezeigten Beispiel soll der zweite Leistungsanschluss 112 so gekoppelt werden, dass Leistung über einen Ausgang an eine Last geliefert wird, wie etwa eine Wechselspannung (AC1) 130 mit einer Frequenz f₁.
Der dritte Leistungsanschluss 116 ist ein Beispiel für einen bidirektionalen Leistungsanschluss. Mit anderen Worten kann der dritte Leistungsanschluss 116 Leistung an das Energieübertragungselement 102 liefern oder Leistung von dem Energieübertragungselement 102 empfangen (wie durch den Richtungspfeil 126 gezeigt). Der dritte Leistungswandler 118 ist ein bidirektionaler Leistungswandler, der an das Energieübertragungselement 102 an einem Ende des Leistungswandlers 118 und an den dritten Leistungsanschluss 116 an dem anderen Ende des Leistungswandlers 118 gekoppelt ist. Bei dem in 1 gezeigten Beispiel soll der dritte Leistungsanschluss 116 an eine Leistungsquelle wie etwa eine Wechselstrom-Spannungsleitung (AC2) 132 mit einer Frequenz f₂ gekoppelt werden.
Wenngleich das Beispiel von 1 drei Leistungsanschlüsse (108, 112 und 116) und einen Hauptleistungsanschluss 104 veranschaulicht, versteht sich, dass eine beliebige Anzahl von Leistungsanschlüssen an das Energieübertragungselement 102 gekoppelt werden kann. Außerdem versteht sich, dass es sich bei den Leistungsanschlüssen um eine beliebige Kombination aus unidirektionalen oder bidirektionalen Leistungsanschlüssen handeln kann. Weiterhin kann das Leistungsversorgungssystem 100 auch mehr als einen Hauptleistungsanschluss und mehr als eine Hauptanschlussschnittstelle aufweisen. Wie oben erwähnt, ist ein Leistungsanschluss ein Ort, wo Leistung empfangen oder geliefert werden kann. Bei einer Ausführungsform kann mindestens einer der Leistungsanschlüsse 108, 112, 116 und 104 leitende Elemente zum Verbinden mit einer Einrichtung außerhalb des Leistungsversorungsnetzwerks enthalten. Beispielsweise kann der Leistungsanschluss 108 Drähte, Klemmen oder Verbinder zum elektrischen und/oder physikalischen Koppeln an die PV-Zelle 128 enthalten. Ein Leistungsanschluss kann Leistung an eine Vielzahl von Einrichtungen außerhalb des Leistungszufuhrnetzwerks liefern oder von dort empfangen. Beispielsweise können Leistungsanschlüsse an eine hohe Wechselspannung (wie etwa die hohe Wechselspannung, die für herkömmliche Wandsteckdosen verwendet wird), eine Gleichspannungsquelle (wie etwa eine Batterie), eine Fotovoltaikzelle usw. gekoppelt sein. Ein weiteres Beispiel für ein Leistungsversorgungssystem wären Wechselstromgeneratoren für Freizeitmobile (RV – Recreational Vehicle) mit mehreren Dreiphasen-Wechselstromausgängen, eine Reservebatterie und ein Dieselgenerator. Außerdem kann es sich bei den in 1 dargestellten Leistungswandlern um eine beliebige Art von Leistungswandler handeln, wie etwa einen AC-DC-Leistungswandler, einen DC-AC-Leistungswandler, einen DC-DC-Leistungswandler, einen AC-AC-Leistungswandler, Step-up-Wandler, Step-Down-Wandler usw.
In 1 ist auch ein Hauptleistungsanschluss 104 dargestellt. Der Hauptleistungsanschluss 104 ist ein bidirektionaler Leistungsanschluss (wie durch den Richtungspfeil 124 gezeigt), und er kann Leistung an das Energieübertragungselement 102 liefern oder Leistung von dem Engergieübertragungselement 102 empfangen. Der Hauptleistungsanschluss 104 ist ein Leistungsanschluss mit niedriger Impedanz. Mit anderen Worten ist die effektive Impedanz Z_M des Hauptleistungsanschlusses 104 niedriger als die effektive Impedanz eines beliebigen der anderen Leistungsanschlüsse (d. h., Z_M < Z₁, Z_M < Z₂, Z_M < Z₃ usw.). Bei einigen Ausführungsformen kann die effektive Impedanz Z_M signifikant unter der effektiven Impedanz eines beliebigen der anderen Leistungsanschlüsse liegen. Bei einem Beispiel ist die effektive Impedanz Z_M des Hauptleistungsanschlusses im Wesentlichen null. Bei der Ausführungsform, wo das Leistungsversorgungssystem 100 mehrere Hauptleistungsanschlüsse und eine entsprechende Anzahl von Hauptanschlussschnittstellen enthält, kann jeder der Hauptleistungsanschlüsse eine ähnliche oder gleiche effektive Impedanz Z_M aufweisen, wobei die effektive Impedanz Z_M kleiner ist als die effektive Impedanz eines beliebigen der anderen, in dem Leistungsversorgungssystem 100 enthaltenen Nicht-Hauptleistungsanschlüsse. Wie in 1 gezeigt, ist der Hauptleistungsanschluss 104 an eine Gleichspannungsquelle wie etwa ein Energiespeicherelement (Batterie 134, Speicherkondensator oder Superkondensator) gekoppelt. Wie oben erwähnt, haben herkömmliche MPPC-Systeme (Multiple Port Power Conversion) Schwierigkeiten beim Implementieren von mehr als drei Leistungsanschlüssen wegen der Komplexität des Steuerns der Leistungsübertragung von dem Leistungsanschluss zu dem Energieübertragungselement aufgrund des gemeinsamen magnetischen Weges des Energieübertragungselements. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nutzen jedoch den Hauptleistungsanschluss 104 und die Hauptanschlussschnittstelle 106 derart, dass die Leistungsübertragung zwischen einem beliebigen Leistungsanschluss und dem Energieübertragungselement 102 unabhängig ist von der Leistungsübertragung zwischen den anderen Leistungsanschlüssen und dem Energieübertragungselement.
Wie weiter erörtert wird, kann der Hauptleistungsanschluss 104 an eine Batterie gekoppelt sein, während die Hauptanschlussschnittstelle 106 eine Gruppe von Schaltern in einer Vollbrückenwandlertopologie enthalten kann, so dass die Spannung an dem Energieübertragungselement T1 102 zwischen einer positiven und einer negativen Spannung umschaltet. Bei einer Ausführungsform arbeitet die Hauptanschlussschnittstelle 106 als eine räumlich geschaltete Batterie. Obwohl die anderen Leistungsanschlüsse an das Energieübertragungselement 102 angeschlossen sind, erscheint es folglich, als ob jeder Leistungsanschluss nur an eine räumlich geschaltete Batterie angeschlossen ist. Dadurch kann die Leistungsübertragung zwischen einem beliebigen der Leistungsanschlüsse und dem Energieübertragungselement 102 von der Leistungsübertragung zwischen anderen Leistungsanschlüssen und dem Energieübertragungselement 102 unabhängig sein. Außerdem besitzt der Hauptleistungsanschluss 104 die Fähigkeit zum Empfangen überschüssiger Leistung von einem Leistungsanschluss oder zum Liefern von zusätzlicher Leistung an einen Leistungsanschluss.
Beispielsweise kann der erste Leistungsanschluss 108 10 Kilowatt (kW) an Leistung an das Energieübertragungselement 102 liefern. Gleichzeitig wünscht der zweite Leistungsanschluss 112, 10 kW an Leistung zu empfangen. Der zweite Leistungsanschluss 112 empfängt 10 kW an Leistung von dem ersten Leistungsanschluss 108 durch das Energieübertragungselement 102. Bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beträgt die Gesamtleistungsübertragung des Hauptleistungsports 104 0 kW. Als solches kann die Übertragung der 10 kW an Leistung als eine direkte Leistungsübertragung von dem ersten Leistungsanschluss 108 zu dem zweiten Leistungsanschluss 112 mit einer Leistungsübertragung von null durch den Hauptleistungsanschluss 104 angesehen werden.
Bei einem weiteren Beispiel kann der Hauptleistungsanschluss 104 simultan Leistung empfangen, während Leistung an mehrere Leistungsanschlüsse geliefert wird. Der erste Leistungsanschluss 108 kann 10 kW an Leistung an das Energieübertragungselement 102 liefern, und der Hauptleistungsanschluss 104 empfängt 1 kW an überschüssiger Leistung von dem Energieübertragungselement 102, wenn sowohl der zweite Leistungswandler 112 als auch der dritte Leistungswandler 116 6 kW bzw. 3 kW empfangen möchten. Bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung empfängt der Hauptleistungsanschluss 104 1 kW von dem ersten Leistungsanschluss 108 durch das Energieübertragungselement 102, und der zweite Leistungsanschluss 112 empfängt die 6 kW durch das Energieübertragungselement 102. Im Wesentlichen zur gleichen Zeit empfängt der dritte Leistungswandler 116 die 3 kW direkt von dem ersten Leistungsanschluss 108 durch das Energieübertragungselement 102.
Der Hauptleistungsanschluss kann eine Übertragung von überschüssiger Leistung von einem beliebigen Leistungsanschluss handhaben. Der erste Leistungsanschluss 108 kann 10 kW an Leistung durch das Energieübertragungselement 102 liefern, und der zweite Leistungsanschluss 112 möchte 2 kW an Leistung empfangen. Der zweite Leistungsanschluss 112 empfängt 2 kW an Leistung von dem ersten Leistungsanschluss 108 durch das Energieübertragungselement 102, während der Hauptleistungsanschluss 104 die überschüssigen 8 kW von dem ersten Leistungsanschluss 108 durch das Energieübertragungselement 102 empfängt. Die Batterie 134 kann an den Hauptleistungsanschluss 104 gekoppelt sein, um die überschüssigen 8 kW zu speichern, die später an einen beliebigen Leistungsanschluss geliefert werden können.
Wie oben erwähnt, kann der Hauptleistungsanschluss 104 auch Energie liefern, falls sie benötigt wird. Beispielsweise möchte der zweite Leistungsanschluss 112 10 kW an Leistung empfangen, während der erste Leistungsanschluss 108 8 kW an Leistung liefern kann. Falls der Hauptleistungsanschluss 104 ausreichend Energie gespeichert hat, kann der Hauptleistungsanschluss 104 die verbleibenden 2 kW an Leistung an den zweiten Leistungsanschluss 112 liefern. Der zweite Leistungsanschluss 112 würde 8 kW an Leistung von dem ersten Leistungsanschluss 108 durch das Energieübertragungselement 102 und 2 kW von dem Hauptleistungsanschluss 104 durch das Energieübertragungselement 102 empfangen.
2 zeigt einen Beispielschaltplan eines Leistungsversorgungssystems 200 mit einem Leistungsversorgungsnetzwerk, das ein Energieübertragungselement T1 202, einen Hauptleistungsanschluss 204, eine Hauptanschlussschnittstelle 206, einen ersten Leistungsanschluss 208, einen ersten Leistungswandler 210, einen zweiten Leistungsanschluss 212, einen zweiten Leistungswandler 214, einen dritten Leistungsanschluss 216 und einen dritten Leistungswandler 218 enthält. Das Energieübertragungselement T1 202 enthält einen einzelnen Magnetkern 201, eine Hauptwicklung 220, eine erste Wicklung 222, eine zweite Wicklung 224 und eine dritte Wicklung 226. Die Hauptanschlussschnittstelle 206 enthält einen Controller 205, einen Schalter S1 228, einen Schalter S2 230, einen Schalter S3 232 und einen Schalter S4 234. Der erste Leistungswandler 210 enthält einen Controller 209, eine Induktionsspule 236, einen Schalter S5 238, einen Schalter S6 240, einen Schalter S7 242 und einen Schalter S8 244. Der zweite Leistungswandler 214 enthält einen Controller 213, einen Gleichrichter 246, einen Schalter S9 248, einen Schalter S10 250, einen Schalter S11 252, einen Schalter 512 254, eine Induktionsspule 256 und einen Kondensator 258. Der dritte Leistungswandler 218 enthält einen Controller 217, einen Schalter S13 260, einen Schalter S14 262, einen Schalter S15 264, einen Schalter S16 266, eine Induktionsspule 268 und einen Kondensator 270. Auch in 2 gezeigt sind das Hauptansteuersignal U_MAIN 272, das invertierte Hauptansteuersignal
274, ein erstes Ansteuersignal U_A 276, ein invertiertes erstes Ansteuersignal
278, ein zweites Ansteuersignal U_B 280, ein zweites invertiertes Ansteuersignal
282, ein drittes Ansteuersignal U_XOR 284 und ein invertiertes drittes Ansteuersignal
286.
Das in 2 gezeigte Leistungsversorgungssystem 200 überträgt Leistung zu und von mehreren an das Energieübertragungselement T1 202 gekoppelten Leistungsanschlüssen. Wie dargestellt ist der Hauptleistungsanschluss 204 an die Batterie 134 gekoppelt, die eine Gleichspannung liefert, eine Hauptspannung V_MAIN. Der Hauptleistungsanschluss 204 ist durch die Hauptanschlussschnittstelle 206 an das Energieübertragungselement T1 202 gekoppelt. Bei einem Beispiel ist das Energieübertragungselement T1 202 ein Transformator mit mehreren Wicklungen. Wie in 1 gezeigt, weist das Energieübertragungselement T1 202 vier Wicklungen 220, 222, 224 und 226 auf, die magnetisch über einen einzelnen Magnetkern 201 miteinander gekoppelt sind.
Wenngleich 2 das Energieübertragungselement T1 202 so darstellt, dass es vier Wicklungen aufweist, versteht sich, dass eine beliebige Anzahl von Wicklungen genutzt werden kann. Die Hauptanschlussschnittstelle 206 umfasst Schalter S1 228, S2 230, S3 232 und S4 234, die in einer H-Brücke miteinander gekoppelt sind. Wie gezeigt, ist das positive Ende des Hauptleistungsanschlusses 204 an ein Ende der Schalter S1 228 und S2 230 gekoppelt. Das negative Ende des Hauptleistungsanschlusses 204 ist an ein Ende der Schalter S3 232 und S4 234 gekoppelt. Außerdem ist ein Ende der Hauptwicklung 220 an das andere Ende des Schalters S2 230 gekoppelt, während das andere Ende der Hauptwicklung 220 an das andere Ende des Schalters S3 232 gekoppelt ist. Mit anderen Worten ist ein Ende der Hauptwicklung 220 an einen Knoten zwischen Schalter S2 230 und S4 234 gekoppelt. Das andere Ende der Hauptwicklung 220 ist an einen Knoten zwischen Schalter S1 228 und S3 232 gekoppelt.
Der Schalter S1 228 und der Schalter S4 234 sind so gekoppelt, dass sie das von dem Controller 205 generierte Hauptansteuersignal U_MAIN 272 empfangen. Ein Beispiel des das Hauptansteuersignal U_MAIN 272 bereitstellenden Controllers 205 ist bezüglich 3 dargestellt. Die Schalter S1 228 und S4 234 werden als Reaktion auf das Hauptansteuersignal U_MAIN 272 geöffnet und geschlossen. Es versteht sich allgemein, dass ein Schalter, der geschlossen ist, Strom leiten kann und als eingeschaltet angesehen wird, während ein Schalter, der offen ist, keinen Strom leiten kann und als ausgeschaltet angesehen wird. Das Hauptansteuersignal U_MAIN 272 ist eine Rechteckimpulswellenform mit Abschnitten mit logischem H und logischem L.
Bei einer Ausführungsform ist die Übertragung von Leistung zwischen dem Hauptleistungsanschluss 204 und der Wicklung 220 des Energieübertragungselements 202 unabhängig von der individuellen Übertragung von Leistung zwischen einem beliebigen der anderen Leistungsanschlüsse und dem Energieübertragungselement 202. Es vetsteht sich jedoch, dass der Hauptleistungsanschluss 204 das Defizit oder den Überschuss an Leistung handhabt.
Mit anderen Worten liefert der Hauptleistungsanschluss 204 überschüssige Leistung oder speichert sie. Die Gesamtsumme an von dem Energieübertragungselement 202 empfangener Leistung ist gleich der Summe an von dem Energieübertragungselement 202 gelieferter Leistung. Beispielsweise kann der Controller 205 in dem Leistungswandler 206 enthalten sein, so dass keine Rückkopplungsinformationen beim Controller 205 über einen beliebigen der anderen Anschlüsse (d. h. 208, 212, 216), Leistungswandler (210, 214, 218) oder Wicklungsspannungen (d. h. V₁, V₂, V₃) empfangen werden. Stattdessen kann der Controller 205 das Hauptansteuersignal U_MAIN 272 so generieren, dass es ein Tastverhältnis aufweist, das festliegt.
Beispielsweise kann das Hauptansteuersignal U_MAIN 272 ein Tastverhältnis aufweisen, das auf im Wesentlichen 50% fixiert ist. Mit anderen Worten sind die Sektionen mit logischem H und Logischem L von im Wesentlichen gleicher Länge. Das Hauptansteuersignal U_MAIN 272 kann auch eine feste Frequenz besitzen. Wenn für das in 2 dargestellte Beispiel das Hauptansteuersignal U_MAIN 272 auf logisch H ist, sind die Schalter S1 228 und S4 234 geschlossen. Wenn das Hauptansteuersignal U_MAIN 272 sich auf einem logischen L befindet, sind die Schalter S1 228 und S4 234 geschlossen. Wenngleich 2 den Schalter S1 228 und den Schalter S4 234 so zeigt, dass sie das Hauptansteuersignal U_MAIN 272 von einem einzelnen Controller 205 empfangen, kann jeder Schalter auch U_MAIN 272 von separaten Treibern empfangen.
In dem dargestellten Beispiel von 2 empfangen Schalter S2 230 und Schalter S3 232 das vom Controller 205 generierte invertierte Hauptansteuersignal
274. Die Schalter S2 230 und S3 232 werden als Reaktion auf das invertierte Hauptansteuersignal
274 geöffnet und geschlossen. Wenn das Hauptansteuersignal U_MAIN 272 auf logisch H ist, ist das invertierte Hauptansteuersignal
274 auf logisch L und umgekehrt. Wenngleich 2 den Schalter S2 230 und den Schalter S3 232 so zeigen, dass sie das invertierte Hauptansteuersignal
274 von einem einzelnen Controller 205 empfangen, kann alternativ ein Treiber verwendet werden, um das Signal U_MAIN 272 zu generieren, während ein anderer Treiber verwendet wird, um
274 zu generieren. Es können sogar vier getrennte Treiber verwendet werden, um ein jeweiliges Ansteuersignal für jeden Schalter zu generieren. Wie oben erwähnt, sind die Schalter S1 228, S2 230, S3 232 und S4 234 in einer H-Brückenkonfiguration miteinander gekoppelt. Als solches werden die Schalter S1 228 und S4 234 als ein Paar geöffnet und geschlossen, und auch die Schalter S2 230 und S3 232 werden als ein Paar geöffnet und geschlossen.
Wenn die Schalter S1 228 und S4 234 offen sind, sind außerdem die Schalter S2 230 und S3 232 geschlossen und umgekehrt.
Wenn im Betrieb die Schalter S1 228 und S4 234 geschlossen sind, ist der zweite Leistungsanschluss 204 derart gekoppelt, dass eine negative Hauptspannung V_MAIN 204 an die Hauptwicklung 220 angelegt ist. Wenn die Schalter S2 230 und S3 232 geschlossen sind, ist der zweite Leistungsanschluss 204 derart gekoppelt, dass eine positive Hauptspannung V_MAIN 204 an die Hauptwicklung 220 angelegt ist. Als solches ist die Spannung V_M an der Hauptwicklung 220 die zyklisch vertauschte Hauptspannung V_MAIN 204. Beispielsweise: V_M = +V_MAIN (1) wenn die Schalter S2 230 und S3 234 geschlossen sind und S1 228 und S4 234 offen sind, und: V_M = –V_MAIN (2) wenn die Schalter S1 228 und S4 234 geschlossen sind und die Schalter S2 230 und S3 234 offen sind.
Das Tastverhältnis des Hauptansteuersignals U_MAIN 272 bestimmt, wie lange die Spannung V_M an der Hauptwicklung 220 die positive Hauptspannung + V_MAIN 204 ist und wie lange die Spannung V_M an der Hauptwicklung 220 die negative Hauptspannung –V_MAIN 204 ist. Wenn das Tastverhältnis des Hauptansteuersignals U_MAIN 272 im Wesentlichen 50% beträgt, bestimmt das Tastverhältnis gleiche Übergänge der Spannung V_M an der Hauptwicklung 220 von einer positiven Hauptspannung + V_MAIN 204 und einer negativen Hauptspannung –V_MAIN 204. Wie in 2 gezeigt, ist der Hauptleistungsanschluss 204 der Anschluss mit der niedrigsten Impedanz, da die Hauptanschlussschnittstelle 206 keine Induktionsspule enthält, während die Leistungswandler 210, 214 und 218 eine Induktionsspule enthalten. Wie weiter erörtert wird, erscheinen Spannungen, die proportional sind zu der Spannung V_M an der Hauptwicklung 220, an der ersten Wicklung 222, der zweiten Wicklung 224 und der dritten Wicklung 226. Da der Hauptleistungsanschluss 204 der Leistungsanschluss mit der niedrigsten Impedanz ist, wird die Spannung an der ersten Wicklung 222 durch den Betrieb der Hauptanschlussschnittstelle 206 und der Hauptanschlussschnittstelle 204 bestimmt. Weiterhin wird die Spannung an der zweiten Wicklung 224 und die Spannung an der dritten Wicklung 226 durch den Betrieb der Hauptanschlussschnittstelle 206 und der Hauptanschlussschnittstelle 204 bestimmt.
Ebenfalls in 2 ist der erste Leistungsanschluss 208 dargestellt. Bei einem Beispiel ist der erste Leistungsanschluss 208 an eine Fotovoltaikzelle (PV) 128 mit einer Gleichspannung, der PV-Spannung V_PV, gekoppelt. Der erste Leistungsanschluss 208 ist an die erste Wicklung 222 des Energieübertragungselements T1 durch den ersten Leistungswandler 210 gekoppelt. Der erste Leistungsanschluss 208 ist ein unidirektionaler Leistungsanschluss und liefert Leistung an das Energieübertragungselement T1 202. Der erste Leistungswandler 210 enthält die Schalter S5 238, S6 240, S7 242 und S8 244, die in einer H-Brücke miteinander gekoppelt sind. Weiterhin ist in dem ersten Leistungswandler 210 die Induktionsspule 236 enthalten.
Wie gezeigt ist das positive Ende des ersten Leistungsanschlusses 208 an ein Ende der Induktionsspule 236 gekoppelt, während das negative Ende des ersten Leistungsanschlusses 208 an ein Ende der Schalter S7 242 und S8 244 gekoppelt ist. Das andere Ende der Induktionsspule 236 ist dann an ein Ende der Schalter S5 238 und S6 240 gekoppelt. Bei dem gezeigten Beispiel ist ein Ende der ersten Wicklung 222 an das andere Ende des Schalters S6 240 gekoppelt und das andere Ende der ersten Wicklung 222 an das andere Ende des Schalters S7 242 gekoppelt. Mit anderen Worten ist ein Ende der ersten Wicklung 222 an einen Knoten zwischen dem Schalter S6 240 und dem Schalter S8 244 gekoppelt. Das andere Ende der ersten Wicklung 222 ist an einen Knoten zwischen dem Schalter S7 242 und dem Schalter S5 238 gekoppelt.
Der Schalter S5 238 und der Schalter S8 244 sind so gekoppelt, dass sie das vom Controller 209 generierte erste Ansteuersignal U_A 276 empfangen. Die Schalter S5 238 und S8 244 werden als Reaktion auf das erste Ansteuersignal U_A 276 geöffnet und geschlossen. Das erste Ansteuersignal U_A 276 ist eine Rechteckimpulswellenform mit Sektionen mit logischem H und logischem L. Bei einer Ausführungsform, wenn das erste Ansteuersignal U_A 276 auf logisch H ist, sind die Schalter S5 238 und S8 244 geschlossen. Wenn das erste Ansteuersignal U_A 276 auf logisch L ist, sind die Schalter S5 238 und S8 244 geschlossen. Wenngleich
2 die Schalter S5 238 und S8 244 so zeigt, dass sie das erste Ansteuersignal U_A 276 von einem einzelnen Controller 209 empfangen, kann jeder Schalter stattdessen das erste Ansteuersignal U_A 276 von separaten Treibern empfangen.
Der Schalter S6 240 und der Schalter S7 242 empfangen das von dem Controller 209 generierte invertierte erste Ansteuersignal
278. Die Schalter S6 240 und S7 242 werden als Reaktion auf das invertierte erste Ansteuersignal
278 geöffnet und geschlossen. Wenn das erste Ansteuersignal U_A 276 auf logisch H ist, ist das invertierte erste Ansteuersignal
278 auf logisch L und umgekehrt.
Wenngleich 2 die Schalter S6 240 und S7 242 so zeigt, dass sie beide das invertierte erste Ansteuersignal
278 vom Controller 209 empfangen, kann alternativ ein Treiber zum Generieren des ersten Ansteuersignals U_A 276 verwendet werden, während ein anderer Treiber zum Generieren des invertierten Ansteuersignals
278 verwendet wird. Dennoch kann ein separater Treiber für jeden Schalter genutzt werden. Bei einer Ausführungsform ist das Tastverhältnis des ersten Ansteuersignals U_A 276 und des invertierten Ansteuersignals
278 ein pulsweitenmoduliertes (FWM)-Signal. Bei einer anderen Ausführungsform ist das Tastverhältnis des ersten Ansteuersignals U_A 276 und des invertierten Ansteuersignals
278 festgelegt, und weiterhin kann auch die Frequenz des ersten Ansteuersignals U_A 276 und des invertierten Ansteuersignals
278 festgelegt sein. Bei einer anderen Ausführungsform ist das Tastverhältnis des ersten Ansteuersignals U_A 276 im Wesentlichen das gleiche wie das Tastverhältnis des Hauptansteuersignals U_MAIN 272. Wie oben erwähnt, sind die Schalter S5 238, S6 240, S7 242 und S8 244 in einer H-Brücke miteinander gekoppelt. Als solches werden für eine PWM-Steuerung die Schalter S5 238 und S8 244 als ein Paar geöffnet und geschlossen und werden die Schalter S6 240 und S7 242 als ein Paar geöffnet und geschlossen. Wenn die Schalter S5 238 und S8 244 offen sind, sind außerdem die Schalter S6 240 und S7 242 geschlossen und umgekehrt. Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung könnten die Schalter so gesteuert werden, dass Buck- oder Boost-Funktionen von der PV-Zelle 128 und dem ersten Leistungsanschluss 208 zu dem Energieübertragungselement 202 implementiert werden. Wenngleich das Beispiel PWM-Steuertechniken veranschaulicht, ist zu verstehen, dass andere Modulationstechniken wie etwa Phasenverschiebungsmodulation genutzt werden könnten. Außerdem könnten der Controller 209 und der erste Leistungswandler 210 mehrere Funktionen wie etwa Spannungs- oder Strommodussteuerung, kombiniert mit MPPT-Funktionen, kombinieren.
Wie oben erwähnt, ist die Spannung an der ersten Wicklung 222 proportional zu der Spannung V_M der Hauptwicklung 220. Wie oben erörtert, kehrt die Hauptwicklung 220 ihre Polarität zwischen einer positiven Hauptspannung +V_MAIN und einer negativen Hauptspannung –V_MAIN um. Aufgrund dessen, dass die effektive Impedanz Z_M unter der effektiven Impedanz eines beliebigen der anderen Leistungsanschlüsse liegt, kehrt die Spannung an der ersten Wicklung 222 ihre Polarität zwischen einer zu einer positiven Hauptspannung +V_MAIN proportionalen Spannung und einer zu der negativen Hauptspannung –V_MAIN proportionalen Spannung um. Die Proportionalität ist auf das Verhältnis zwischen der Anzahl von Windungen der ersten Wicklung 222 und der Anzahl von Windungen der Hauptwicklung 220 zurückzuführen:
wobei V₁ die Spannung an der ersten Wicklung 222 ist, N_I die Anzahl der Windungen der ersten Wicklung 222, N_M die Anzahl von Windungen der Hauptwicklung 220 und V_M die Spannung an der Hauptwicklung 220.
Bei einer Ausführungsform ist die Übertragung von Leistung zwischen dem ersten Leistungsanschluss 208 und der Wicklung 222 des Energieübertragungselements 202 unabhängig von der Übertragung von Leistung zwischen einem beliebigen der anderen Leistungsanschlüsse und dem Energieübertragungselement 202. Beispielsweise kann der Controller 209 in Leistungswandler 210 enthalten sein, so dass keine Rückkopplungsinformationen am Controller 209 über den Istzustand eines beliebigen der anderen Anschlüsse (d. h. 204, 212, 216), Leistungswandler (206, 214, 218) oder Wicklungsspannungen (d. h. V_M, V₂, V₃) empfangen werden. Im Betrieb wandelt der erste Leistungswandler 210 die PV-Spannung V_PV 208 des ersten Leistungsanschlusses in einen Strom um, der direkt in die niedrige Impedanz der Hauptwicklung 220 initiiert wird (wie in Gleichung 3 gezeigt). Bei einem Beispiel arbeitet der Leistungswandler 210 derart, dass ein Gleichstrom von der PV-Zelle 128 von der H-Brücke initiiert wird, die die Schalter S5 238, S6 240, S7 242 und S8 248 umfasst. Ähnlich wie bei der H-Brücke in der Hauptanschlussschnittstelle 206 werden die Schalter S5 238, S6 240, S7 242 und S8 248 derart geöffnet und geschlossen, dass ein geschalteter Strom in die erste Wicklung 222 initiiert wird. Bei einer Ausführungsform arbeitet der erste Leistungswandler 210 als ein MPPT, der mit einem Buck-Boost-Leistungswandler kombiniert ist.
Weiterhin ist in 2 der zweite Leistungsanschluss 212 gezeigt. Wie gezeigt, generiert der zweite Leistungsanschluss 212 die AC-Spannung V_AC1 130 mit einer Frequenz f₁ zu einer Last (nicht gezeigt). Bei einem Beispiel kann der zweite Leistungsanschluss 212 die in der Regel in herkömmlichen Wandsteckdosen verwendete hohe Wechselspannung liefern. Der zweite Leistungsanschluss 212 ist an die zweite Wicklung 224 des Energieübertragungselements T1 202 durch den zweiten Leistungswandler 214 gekoppelt. Der zweite Leistungsanschluss 212 ist ein unidirektionaler Leistungsanschluss, und er empfängt Energie von dem Energieübertragungselement T1 202. Der zweite Leistungswandler 214 enthält den Gleichrichter 246 und die Schalter S9 248, S10 250, S11 252 und S12 254, die in einer H-Brücke miteinander gekoppelt sind. In dem zweiten Leistungswandler 214 sind weiterhin die Induktionsspule 256 und der Kondensator 258 enthalten.
Wie gezeigt, ist der Gleichrichter 246 an die zweite Wicklung 224 des Energieübertragungselements T1 202 gekoppelt. Der Gleichrichter 246 empfängt die Spannung an der zweiten Wicklung 224 und gibt eine gleichgerichtete Gleichspannung aus. Der Gleichrichter 246 ist weiterhin an die H-Brücke gekoppelt, die die Schalter S9 248, S10 250, S11 252 und S12 254 umfasst. Die Induktionsspule 256 ist an einen Knoten zwischen Schalter S9 248 und Schalter S11 252 gekoppelt. Die Induktionsspule 256 ist weiterhin an den Kondensator 258 gekoppelt. Der zweite Leistungsanschluss 212 ist über den Kondensator 258 gekoppelt. Der Kondensator 258 und der zweite Leistungsanschluss 212 sind an einen Knoten zwischen Schalter S10 250 und Schalter S12 254 gekoppelt. Wie dargestellt, ist der zweite Leistungswandler 214 ein unidirektionaler Wechselstromleistungswandler.
Der Schalter S9 248 und der Schalter S12 254 empfangen das von dem Controller 213 generierte zweite Ansteuersignal U_B 280. Bei einer Ausführungsform generiert der Controller 213 das zweite Ansteuersignal U_B 280 als Reaktion auf ein Rückkopplungssignal, das die AC-Spannung V_AC1 130 repräsentiert, um die von dem Leistungswandler 214 ausgegebene Wechselspannung V_AC1 130 zu regeln. Die Schalter S9 248 und S12 254 öffnen und schließen als Reaktion auf das zweite Ansteuersignal U_B 280. Auch das zweite Ansteuersignal U_B 280 ist eine Rechteckimpulswellenform mit Sektionen mit logischem H und logischem L. Wenn bei einem Beispiel das zweite Ansteuersignal U_B 280 ein logisches H ist, sind die Schalter S9 248 und S12 254 geschlossen. Wenn das zweite Ansteuersignal U_B 280 ein logisches L ist, sind die Schalter S9 248 und S12 254 offen. Wenngleich 2 Schalter S9 248 und S12 254 so zeigt, dass sie beide das zweite Ansteuersignal U_B 280 vom Controller 213 empfangen, kann jeder Schalter stattdessen das zweite Ansteuersignal U_B 280 von separaten Treibern empfangen.
Die Schalter S10 250 und S11 252 empfangen das von dem Controller 213 generierte invertierte zweite Ansteuersignal
282. Die Schalter S10 250 und S11 252 öffnen und schließen als Reaktion auf das invertierte zweite Ansteuersignal
282. Wenn das zweite Ansteuersignal U_B 280 auf logisch H ist, ist das invertierte zweite Ansteuersignal
282 auf logisch L und umgekehrt. Wenngleich 2 die Schalter S10 250 und S11 252 so zeigt, dass sie beide das invertierte zweite Ansteuersignal
282 vom Controller 209 empfangen, kann alternativ ein Treiber verwendet werden, um das zweite Ansteuersignal U_B 280 zu generieren, während ein anderer Treiber zum Generieren des invertierten zweiten Ansteuersignals
282 verwendet wird. Dennoch kann ein separater Treiber für jeden Schalter verwendet werden. Wie oben erwähnt, sind die Schalter S9 248, S10 250, S11 252 und S12 254 in einer H-Brücke miteinander gekoppelt. Als solches werden bei einer Ausführungsform die Schalter S9 248 und S12 254 als ein Paar geöffnet und geschlossen und die Schalter S10 250 und S11 252 als ein Paar geöffnet und geschlossen. Wenn außerdem die Schalter S9 249 und S12 254 offen sind, sind die Schalter S10 250 und S11 252 geschlossen und umgekehrt.
Bei einer Ausführungsform ist die Übertragung von Leistung zwischen dem zweiten Leistungsanschluss 212 und der Wicklung 224 des Energieübertragungselements 202 unabhängig von der Übertragung von Leistung zwischen einem beliebigen der anderen Leistungsanschlüsse und dem Energieübertragungselement 202. Beispielsweise kann der Controller 213 im Leistungswandler 214 enthalten sein, so dass keine Rückkopplungsinformationen beim Controller 213 über den Ist-Zustand eines beliebigen der anderen Leistungsanschlüsse (d. h. 204, 208, 216), Leistungswandler (206, 210, 218) oder Wicklungsspannungen (d. h. V_M, V₁, V₃) empfangen werden. Im Betrieb ist die Spannung V₂ an der zweiten Wicklung 224 proportional zu der Spannung V_M der Hauptwicklung 220. Wie oben erörtert, kehrt die Hauptwicklung 220 ihre Polarität zwischen einer positiven Hauptspannung +V_MAIN und einer negativen Hauptspannung –V_MAIN um. Aufgrund der niedrigeren Impedanz Z_M des Hauptleistungsanschlusses 204 kehrt auch die Spannung V₂ an der zweiten Wicklung 224 ihre Polarität zwischen einer zu einer positiven Hauptspannung +V_MAIN proportionalen Spannung und einer zu der negativen Hauptspannung –V_MAIN proportionalen Spannung um. Die Proportionalität ist auf das Verhältnis zwischen der Anzahl von Windungen der zweiten Wicklung 224 und der Anzahl von Windungen der Hauptwicklung 220 zurückzuführen:
wobei V₂ die Spannung an der zweiten Wicklung 224 und N₂ die Anzahl der Windungen der zweiten Wicklung ist. Im Betrieb wandelt der zweite Leistungswandler 214 die Spannung V₂ an der zweiten Wicklung 224 in die hohe Wechselspannung V_AC1 130 des zweiten Leistungsanschlusses 212 um.
2 zeigt auch den dritten Leistungsanschluss 216. Bei einem Beispiel ist der dritte Leistungsanschluss 216 an eine Wechselspannungsleitung 132 mit einer Wechselspannung V_AC2 und Frequenz f₂ gekoppelt. Die an den dritten Leistungsanschluss 216 gekoppelte AC-Hochspannungsleitung 132 kann ein Beispiel für ein Übertragungsnetz sein. Der dritte Leistungsanschluss 216 ist auch an die dritte Wicklung 226 des Energieübertragungselements T1 202 durch den dritten Leistungswandler 218 gekoppelt. Der dritte Leistungsanschluss 216 ist ein bidirektionaler Leistungsanschluss und kann Energie sowohl an das Energieübertragungselement T1 202 liefern als auch von dort empfangen. Der dritte Leistungswandler 218 enthält die Schalter S13 260, S14 262, S15 264 und S16 266, die in einer H-Brücke miteinander gekoppelt sind. Die Schalter S13 260, S14 262, S15 264 und S16 266 können Vier-Quadranten-Schalter sein. Weiterhin sind in dem dritten Leistungswandler 218 die Induktionsspule 268 und der Kondensator 270 enthalten. Wie in 2 gezeigt, ist der dritte Leistungswandler 218 ein bidirektionaler Wechselstromleistungswandler.
Typische bidirektionale Wechselstromleistungswandler können in vier Stufen unterteilt werden. In der ersten Stufe wird eine Wechselspannung in eine Gleichspannung umgewandelt. In der zweiten Stufe wird die Gleichspannung dann in eine geschaltete Spannung umgewandelt, die ein Energieübertragungselement (wie etwa einen Trenntransformator) ansteuert. Allgemein ist die erste Stufe an die Wechselstromleitung und die zweite Stufe an das Energieübertragungselement (Trenntransformator) gekoppelt. Es gibt auch zwei Stufen auf der anderen Seite des Energieübertragungselements mit einer gleichen Anzahl an Schaltern, Volumenkondensatoren, Induktionsspulen, Treibern, Controllern usw., die die ersten beiden Stufen spiegeln. Obgleich die Anzahl an Komponenten pro Stufe eine Funktion der verschiedenen Implementierungen der Stufe ist, kann jede Stufe bis zu acht Schalter verwenden, um vier äquivalente Wandler zu implementieren: einen bidirektionalen AC-DC-Wandler, einen bidirektionalen DC-DC-Wandler und/oder einen DC-AC-Wandler. Bei dem typischen bidirektionalen Leistungswandler würde dies etwa 16 oder 32 Schalter betragen. Jeder Schalter weist in der Regel seinen eigenen Treiber zum Steuern des Schalten des Schalters auf, was 16 oder 32 Treibern für den herkömmlichen isolierten bidirektionalen Leistungsanschluss entspricht. Die bei einem herkömmlichen bidirektionalen Leistungswandler verwendeten Schalter können 4-Quadranten-Schalter sein. Allgemein gestatten 4-Quadranten-Schalter einen Stromfluss in beiden Richtungen durch den Schalter, und die Polarität der Spannung an dem Schalter kann eine positive oder negative Polarität sein. Vier-Quadranten-Schalter können jeweils einen Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) vom n-Typ enthalten, der in Reihe mit einem anderen MOSFET vom n-Typ gekoppelt ist.
Bei einem typischen isolierten bidirektionalen Leistungswandler kann das Signal, das die Schalter in der zweiten Stufe steuert, als das Wechselstrommodulationssignal bezeichnet werden, da die Ausgänge an eine Wechselspannungsleitung gekoppelt sind. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nutzen eine räumliche Modulation, um den typischen isolierten bidirektionalen Leistungswandler mit einer Wechselspannungsleitung zu vereinfachen. Wie weiter erörtert wird, wird eine einzelne H-Brücke in dem bidirektionalen Leistungsanschluss 218 verwendet. Das Ansteuersignal zum Steuern der Schalter der H-Brücke ist jedoch eine Kombination aus Hauptansteuersignal U_MAIN und dem Wechselstrommodulationssignal. Bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung steuert das Ausgangssignal eines XOR (Exclusive OR) das Schalten der Schalter in dem Brückengleichrichter des bidirektionalen dritten Leistungswandlers 218. Ein Eingangssignal des XOR ist das Wechselstrommodulationssignal, während das andere Eingangssignal des XOR das Hauptansteuersignal U_MAIN ist. Erörterte Ausführungsformen verwenden das Hauptansteuersignal U_MAIN 272 mit einem XOR-Modulationsverfahren, um den bidirektionalen Leistungswandler auf eine einzelne Stufe pro Seite des Energieübertragungselements anstatt zwei Stufen auf jeder Seite des Energieübertragungselements für den herkömmlichen bidirektionalen Leistungswandler zu vereinfachen. Wenn weniger Schalter verwendet werden, minimiert dies auch die Anzahl der Controller, Treiber, Filter usw. für den Leistungswandler und senkt die Kosten, die Größe und das Gewicht des Leistungsversorgungssystems und verbessert die Effizienz des Leistungsversorgungssystems.
Wie gezeigt, ist die dritte Wicklung 226 an die H-Brücke gekoppelt, die aus Schaltern S13 260, S14 262, S15 264 und S16 266 besteht. Ein Ende der dritten Wicklung 226 ist an ein Ende der Schalter S13 260 und S14 262 gekoppelt. Das andere Ende der dritten Wicklung 226 ist weiterhin an ein Ende der Schalter 215 264 und S16 266 gekoppelt. Die Induktionsspule 268 ist an einen Knoten zwischen den Schaltern S13 260 und S15 264 gekoppelt. Die Induktionsspule ist weiterhin an den Kondensator 270 gekoppelt. Der dritte Leistungsanschluss V_AC2 216 ist ebenfalls über den Kondensator 270 gekoppelt. Der Kondensator 270 und der dritte Leistungsanschluss 216 sind weiter an einen Knoten zwischen dem Schalter S14 262 und dem Schalter S16 266 gekoppelt. Bei dem gezeigten Beispiel ist der dritte Leistungswandler 218 Teil eines bidirektionalen und isolierten Wechselstromleistungswandlers.
Der Schalter S13 260 und der Schalter S16 266 empfangen das von dem Controller 217 generierte dritte Ansteuersignal U_XOR 284. Bei einer Ausführungsform öffnen und schließen die Schalter S13 260 und S16 266 als Reaktion auf das dritte Anssteuersignal U_XOR 284. Bei einer Ausführungsform generiert der Controller 217 das dritte Ansteuersignal U_XOR als Reaktion auf ein Signal, das die Wechselspannung V_AC2 132 repräsentiert, um die Leistungsübertragung zwischen der Wechselstrom-Spannungsquelle und der dritten Wicklung 226 zu steuern. Das dritte Ansteuersignal U_XOR 284 ist eine Rechteckimpulswellenform mit Sektionen mit logischem H und logischem L. Bei einem Beispiel, wenn das dritte Ansteuersignal U_XOR 284 ein logisches H ist, sind die Schalter S13 260 und S16 266 geschlossen. Wenn das dritte Ansteuersignal U_XOR 284 ein logisches L ist, sind die Schalter S13 260 und S16 266 offen. Wenngleich 2 die Schalter S13 260 und S16 266 so zeigt, dass sie beide das dritte Ansteuersignal U_XOR 284 vom Controller 217 empfangen, kann jeder Schalter stattdessen das dritte Ansteuersignal U_XOR 284 von separaten Treibern empfangen.
Bei einer Ausführungsform empfangen Schalter S13 262 und Schalter S15 264 das vom Controller 217 generierte invertierte dritte Ansteuersignal
286.
Die Schalter S14 262 und S15 264 öffnen und schließen als Reaktion auf das invertierte dritte Ansteuersignal
286. Wenn das dritte Ansteuersignal _UXOR 284 ein logisches H ist, ist das invertierte dritte Ansteuersignal
286 ein logisches L und umgekehrt. Wenngleich 2 die Schalter S14 262 und S15 264 so zeigt, dass sie beide das invertierte dritte Ansteuersignal
286 vom Controller 217 empfangen, kann alternativ ein Treiber zum Generieren des dritten Ansteuersignals U_XOR 284 verwendet werden, während ein anderer Treiber zum Generieren des invertierten dritten Ansteuersignals
286 verwendet wird. Dennoch kann ein separater Treiber für jeden Schalter verwendet werden. Wie oben erwähnt, sind die Schalter S13 260, S14 262, S15 264 und S16 266 in einer H-Brücke miteinander gekoppelt. Bei einer Ausführungsform werden die Schalter S13 260 und S16 266 als ein Paar geöffnet und geschlossen und die Schalter S14 262 und S15 264 als ein Paar geöffnet und geschlossen. Wenn außerdem die Schalter S13 260 und S16 266 offen sind, sind die Schalter S14 262 und S15 264 geschlossen und umgekehrt.
Wie unten weiter unter Bezugnahme auf 5 erörtert wird, kann der dritte Leistungswandler 218 ein XOR-Modulationsverfahren mit einem Signal verwenden, das das gleiche Tastverhältnis wie das Hauptansteuersignal U_MAIN 272 aufweist, um den bidirektionalen Leistungswandler von zwei Stufen auf eine einzelne Stufe zu vereinfachen. Bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird das ursprüngliche Ansteuersignal für den dritten Leistungswandler 218 mit einem Signal moduliert, das das gleiche Tastverhältnis wie das Hauptansteuersignal U_MAIN 272 aufweist, um das dritte Ansteuersignal U_XOR 284 zu erzeugen.
Bei einer Ausführungsform ist die Übertragung von Leistung zwischen dem dritten Leistungsanschluss 216 und der Wicklung 226 des Energieübertragungselements 202 unabhängig von der Übertragung von Leistung zwischen dem ersten Leistungsanschluss 208 und dem Energieübertragungselement 202 und auch unabhängig von der Übertragung von Leistung zwischen dem zweiten Leistungsanschluss 212 und dem Energieübertragungselement 202. Der Hauptleistungsanschluss 204 und die Hauptanschlussschnittstelle 206 wirken als ein Energievermittler, der etwaige überschüssige Leistung empfängt oder überschüssige Leistung liefert, wenn ein Defizit an Leistung vorliegt. Beispielsweise kann der Controller 217 in dem Leistungswandler 218 enthalten sein, so dass keine Rückkopplungsinformationen beim Controller 217 über den Ist-Zustand eines beliebigen der Anschlüsse 204, 208 und 212, der Leistungswandler 210 und 214 oder die Hauptanschlussschnittstelle 206 empfangen werden. Die Spannung V₃ an der dritten Wicklung 226 ist proportional zu der Spannung V_M der Hauptwicklung 220. Die Hauptwicklung 220 kehrt ihre Polarität zwischen einer positiven Hauptspannung +V_MAIN und einer negativen Hauptspannung –V_MAIN um. Aufgrund der niedrigeren Impedanz Z_M des Hauptleistungsanschlusses 204 kehrt die Spannung V₃ an der dritten Wicklung 226 auch ihre Polarität zwischen einer zu einer positiven Hauptspannung +V_MAIN proportionalen Spannung und einer zu der negativen Hauptspannung -V_MAIN proportionalen Spannung um. Die Proportionalität ist auf das Verhältnis zwischen der Anzahl von Windungen der dritten Wicklung 226 und der Anzahl von Windungen der Hauptwicklung 220 zurückzuführen:
wobei V₃ die Spannung an der dritten Wicklung 226 ist und N₃ die Anzahl der Windungen der dritten Wicklung 226 ist. Im Betrieb wandelt der dritte Leistungswandler 218 die Spannung (V₃) an der dritten Wicklung 226 in die Wechselspannung V_AC2 des dritten Leistungsanschlusses 216 um.
3 ist eine Wellenform, die ein beispielhaftes Hauptansteuersignal U_MAIN 272 für das Leistungsversorgungssystem von 2 darstellt, einschließlich dem Hauptansteuersignal U_MAIN 272, invertiertem Hauptansteuersignal
274, Controller 302, Einschaltzeit t_ON 304, Ausschaltzeit t_OFF 306 und Schaltperiode T_S 308. Wie gezeigt, liefert der Controller 302 sowohl das Hauptansteuersignal U_MAIN 272 als auch das invertierte Hauptansteuersignal
274 an die in 2 gezeigten Schalter. Es versteht sich jedoch, dass zwei separate Treiber das Hauptansteuersignal U_MAIN 272 und das invertierte Hauptansteuersignal
274 liefern können.
Wie in 3 gezeigt, ist das Hauptansteuersignal U_MAIN 272 eine Rechteckimpulswellenform mit Sektionen mit logischem H und logischem L. Die Sektionen mit logischem H besitzen eine Länge, die als die Einschaltzeit t_ON 304 bezeichnet ist, und die Sektionen mit logischem L besitzen eine Länge, die als die Ausschaltzeit t_OFF 306 bezeichnet ist. Zu Beginn der Einschaltzeit t_ON 304 pulst das Hauptansteuersignal U_MAIN 272 auf einen logischen H-Wert und bleibt bei dem logischen H-Wert für den Rest der Einschaltzeit t_ON 304 und die Schalter, die das Hauptansteuersignal U_MAIN 272 empfangen, werden geschlossen. Zu Beginn der Ausschaltzeit t_OFF 306 geht das Hauptansteuersignal U_MAIN 272 in den logischen L-Wert über und bleibt auf dem logischen L-Wert für den Rest der Ausschaltzeit t_OFF 306, und die Schalter, die das Hauptansteuersignal U_MAIN 272 empfangen, sind offen. Die Schaltperiode T_S 308 ist die Summe aus der Einschaltzeit t_ON 304 und der Ausschaltzeit t_OFF 306. Bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weist das Hauptansteuersignal U_MAIN 272 eine im Wesentlichen feste Einschaltzeit t_ON 304, Ausschaltzeit t_OFF 306 und Schaltperiode T_S 308 auf. Als solches ist auch das Tastverhältnis (das Verhältnis aus der Einschaltzeit t_ON 304 zu der Schaltperiode T_S 308) im Wesentlichen fest. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Tastverhältnis bei im Wesentlichen 50% fest. Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Tastverhältnis bei unter 50% im Wesentlichen fest, um die Zeit zu berücksichtigen, die ein Schalter benötigt, um von einem EIN-Zustand zu einem AUS-Zustand überzugehen. Mit anderen Worten ist die Einschaltzeit t_ON 304 auf 50% der Schaltperiode T_S 308 minus der Übergangszeit des Schalters, um von einem EIN-Zustand zu einem AUS-Zustand überzugehen, eingestellt. Analog kann die gleiche Übergangszeit von der Ausschaltzeit t_OFF 306 subtrahiert werden.
4 ist ein Diagramm, das einen Controller 400 zeigt, der einen Pulsweitenmodulator (PWM) 402 verwendet und einen Dreieckswellenformgenerator 404 und Vergleicher 406 enthält. Wenngleich nicht gezeigt, sind auch andere Komponenten in dem Controller 400 enthalten. 4 zeigt weiterhin eine Rückkopplungsschaltung 408, ein Dreieckswellenformsignal U_TRI 410, eine Ausgangsgröße U_O 412, ein Rückkopplungssignal U_FB 414 und ein Ansteuersignal 416. Der Controller 400 ist ein Beispiel für einen Controller, der das zweite Ansteuersignal U_B 280 liefern kann.
Bei dem Beispiel von 4 enthält der PWM 402 einen Dreieckswellenformgenerator 404 und einen Vergleicher 406. Die Dreieckswellenform 410 ist an den invertierenden Eingang des Vergleichers 406 gekoppelt und erzeugt ein Dreieckswellenformsignal U_TRI 410. Bei einer Ausführungsform ist das Dreieckswellenformsignal U_TR1 410 ein Spannungssignal. Bei einer anderen Ausführungsform kann ein Sägezahnwellenformgenerator anstelle eines Dreieckswellenformgenerators verwendet werden. Die Rückkopplungsschaltung 408 ist an den nichtinvertierenden Eingang des Vergleichers 406 gekoppelt. Es versteht sich, dass die Rückkopplungsschaltung 408 in dem Controller 400 enthalten oder nicht enthalten sein kann. Die Rückkopplungsschaltung 408 empfängt eine Ausgangsgröße U_O 412, und die Ausgangsgröße U_O 412 kann ein Stromsignal oder ein Spannungssignal sein. Die Ausgangsgröße U_O 412 ist proportional zu einer Ausgangsspannung, einem Ausgangsstrom oder beidem. Die Rückkopplungsschaltung 408 ist so gekoppelt, dass sie die Ausgangsgröße U_O 412 von dem Leistungswandler erfasst und das Rückkopplungssignal U_FB 414 erzeugt. Das Rückkopplungssignal U_FB 414 kann ein Spannungssignal oder ein Stromsignal sein. Das Rückkopplungssignal U_FB 414 ist reprasentativ für die Ausgangsgröße U_O 412 und wird an dem nichtinvertierenden Eingang des Vergleichers 406 empfangen. Der Vergleicher 406 gibt dann das Ansteuersignal 416 zum Steuern des Schaltens eines Schalters aus.
Wenn im Betrieb das Rückkopplungssignal U_FB 414 und die Dreieckswellenform 414 beides Spannungssignale sind, gibt der Vergleicher 406 einen logischen H-Wert aus, wenn das Rückkopplungssignal U_FB 414 größer ist als die Dreieckswellenform 410. Andererseits gibt der Vergleicher 406 einen logischen L-Wert aus, wenn die Dreieckswellenform 410 größer ist als das Rückkopplungssignal U_FB 414. Das Ansteuersignal 416 kann ein Beispiel eines zweiten Ansteuersignals U_B 280 sein. Weiterhin kann die Ausgangsgröße U_O 412 repräsentativ für die Wechselspannung V_AC1 132 des zweiten Leistungsanschlusses 212 sein.
5 ist ein Diagramm, das einen Controller 500 zeigt, der eine XOR-Modulation verwendet, einschließlich Pulsweitenmodulation (PWM) 502 und XOR-Gatter 504. Wenngleich nicht gezeigt, sind auch andere Komponenten in dem Controller 500 enthalten. Die PWM 502 enthält weiterhin einen Dreieckswellenformgenerator 506 und Vergleicher 508. 5 zeigt auch eine Rückkopplungsschaltung 510, einen Inverter 512, ein Dreieckswellenformsignal U_TRI 514, eine AC2-Größe U_AC2 516, ein Rückkopplungssignal U_FB 518, ein Wechselstrommodulationssignal 520, eine Hauptgröße U_MAIN' 522, ein drittes Ansteuersignal U_XOR 284 und ein invertiertes drittes Ansteuersignal
286. Der Controller 500 ist ein Beispiel für einen Controller, der das dritte Ansteuersignal U_XOR 284 und das invertierte dritte Ansteuersignal
286 liefern kann, wie bezüglich 2 gezeigt. Es versteht sich, dass die Rückkopplungsschaltung 510 und der Inverter 512 in dem Controller 500 enthalten oder nicht enthalten sein können.
Der Controller 500 ist ein Beispiel für die räumliche Modulation, auf die bezüglich 2 und des dritten Leistungswandlers 218 Bezug genommen wird. Wie oben erwähnt, verwendet ein herkömmlicher bidirektionaler AC-AC-Leistungswandler zwei Stufen von Leistungswandlern, einen AC-DC-Leistungswandler gefolgt von einem DC-AC-Leistungswandler. Für die zweite Stufe kann das zum Steuern des Schaltens der Schalter verwendete Steuerverfahren als das Wechselstrommodulationssignal bezeichnet werden, da der dritte Leistungsanschluss 216 eine Wechselspannungsleitung ist. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vereinfachen den herkömmlichen bidirektionalen AC-AC-Leistungswandler durch Verwenden einer XOR-Modulation mit einer einzelnen Stufe von Brückengleichrichtern. Der Controller 500 ist ein Beispiel für das Modulieren des Wechselstrommodulationssignals mit einem Signal, das das Hauptansteuersignal U_MAIN 272 repräsentiert. Wie in 5 gezeigt, wird das Wechselstrommodulationssignal 520 mit einem Signal moduliert, das für das Hauptansteuersignal U_MAIN 272 (Hauptgröße U_MAIN' 522) repräsentativ ist. Das für das Hauptansteuersignal U_MAIN 272 (Hauptgröße U_MAIN' 522) repräsentative Signal kann durch einen Hauptgrößen-U_MAIN'-Signalgenerator 524 im Controller 500 generiert werden. Außerdem kann das für das Hauptansteuersignal U_MAIN 272 (Hauptgröße U_MAIN' 522) repräsentative Signal mit dem Hauptansteuersignal U_MAIN 272 synchronisiert oder nicht synchronisiert sein. Für einfache Leistungsversorgungssysteme kann die Hauptgröße U_MAIN' 522 mit dem Hauptansteuersignal U_MAIN 272 synchronisiert werden. Für komplexere Leistungsversorgungssysteme mit mehreren Hauptleistungsanschlüssen und Hauptanschlussschnittstellen wird die Hauptgröße U_MAIN' 522 möglicherweise nicht mit dem Hauptansteuersignal U_MAIN 272 synchronisiert. Somit kann bei einer Ausführungsform die Übertragung von Leistung zwischen dem dritten Leistungsanschluss 216 und der Wicklung 226 des Energieübertragungselements 202 unabhängig von der Übertragung von Leistung zwischen dem Hauptleistungsanschluss 204 und dem Energieübertragungselement 202 sowie unabhängig von der Übertragung von Leistung des ersten Leistungsanschlusses 208 und des zweiten Leistungsanschlusses 212 sein.
Der PWM 502, der Dreieckswellenformgenerator 506, der Vergleicher 508 und die Rückkopplungsschaltung 510 sind ähnlich gekoppelt wie entsprechende, in 4 gezeigte Komponenten und funktionieren ähnlich. Die Rückkopplungsschaltung 510 empfangt die AC2-Größe U_AC2 516. Die AC2-Größe U_AC2 516 kann ein Spannungssignal oder ein Stromsignal sein und ist bei einem Beispiel repräsentativ für die Wechselspannung V_AC2 132 des dritten Leistungsanschlusses 216. Die Rückkopplungsschaltung 510 ist so gekoppelt, dass sie die AC2-Größe U_AC2 516 von dem dritten Leistungsanschluss 216 erfasst und das Rückkopplungssignal U_FB 518 erzeugt. Das Rückkopplungssignal U_FB 518 kann ein Spannungssignal oder ein Stromsignal sein. Das Rückkopplungssignal U_FB 518 ist repräsentativ für die AC2-Größe U_AC2 516 und wird an dem nichtinvertierenden Eingang des Vergleichers 508 empfangen. Der Vergleicher empfängt die Dreieckswellenform U_TRI 514 von dem Dreieckswellenformgenerator 506 an dem invertierenden Eingang des Vergleichers 508. Der Vergleicher 508 gibt das Wechselstrommodulationssignal 520 aus. Bei anderen Anwendungen ist das Wechselstrommodulationssignal 520 äquivalent einem Ansteuersignal zum Steuern des Schaltens eines Schalters. Bei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung jedoch wird das Wechselstrommodulationssignal 520 weiter mit der Hauptgröße U_MAIN' 522 moduliert, um das dritte Ansteuersignal U_XOR 284 zu erzeugen. Durch Modulieren des Wechselstrommodulationssignals 520 mit der Hauptgröße U_MAIN' 522 kann der herkömmliche bidirektionale Leistungswandler auf nur eine H-Brückenstufe vereinfacht werden.
Der Ausgang des Vergleichers 508 ist an einen Eingang des XOR-Gatters 504 gekoppelt und empfängt das Wechselstrommodulationssignal 520. Der andere Eingang des XOR-Gatters 504 ist so gekoppelt, dass er ein das Hauptansteuersignal U_MAIN 272 repräsentierendes Signal, Hauptgröße U_MAIN' 522, empfängt. Wie gezeigt, ist das Ausgangssignal des XOR-Gatters 504 das dritte Ansteuersignal U_XOR 284. In einem Beispiel ist weiterhin der Inverter 512 an den Ausgang des XOR-Gatters 504 gekoppelt. Der Inverter 512 empfängt das dritte Ansteuersignal U_XOR 284 und gibt das invertierte dritte Ansteuersignal
286 aus.
6 ist ein Zeitsteuerdiagramm 600, das verschiedene Wellenformen des Controllers 500 veranschaulicht. Das Zeitsteuerdiagramm 600 veranschaulicht Beispiele der Dreieckwellenform U_TRI 514, des Rückkopplungssignals U_FB 518, des Wechslstrommodulationssignals 520, der Hauptgröße U_MAIN' 522 und des dritten Ansteuersignals U_XOR 284.
Wie gezeigt, ist die Dreieckswellenform U_TRI 514 eine Wellenform, die zwischen einer positiven und negativen Spannung schwingt, und das Rückkopplungssignal U_FB 518 ist eine sinusförmige Wellenform. 6 zeigt eine Periode des Rückkopplungssignals U_FB 518. Wie oben erwähnt ist das Rückkopplungssignal U_FB 518 repräsentativ für die Wechselspannung V_AC2 des dritten Leistungsanschlusses 216. Zwischen der Zeit t₁ 602 und der Zeit t₂ 604 ist die Größe der Dreieckswellenform U_TRI 514 größer als die Größe des Rückkopplungssignals U_FB 518. Als solches hat das Wechselstrommodulationssignal 520 (das von dem Vergleicher 508 ausgegeben wird) einen logischen L-Wert. Zwischen der Zeit t₁ 602 und der Zeit t₂ 604 hat die Hauptgröße U_MAIN' 522 (die das Hauptansteuersignal U_MAIN 272 repräsentiert) einen logischen L-Wert. Folglich sind das Ausgangssignal des XOR-Gatters 504 und das dritte Ansteuersignal U_XOR 284 auf logisch L.
Zwischen der Zeit t₂ 604 und t₃ 606 ist die Größe der Dreieckswellenform U_TRI 514 immer noch größer als die Größe des Rückkopplungssignals U_FB 518, und das Wechselstrommodulationssignal 520 hat einen logischen L-Wert. Die Hauptgröße U_MAIN' 522 geht jedoch von einem logischen L-Wert zu einem logischen H-Wert über, was dazu führt, dass das Ausgangssignal des XOR-Gatters 504 und das dritte Ansteuersignal U_XOR 284 auf einen logischen H-Wert übergehen.
Wenngleich die hierin offenbarte Erfindung mit Hilfe spezifischer Ausführungsformen, Beispiele und Anwendungen davon beschrieben wurde, könnten daran von dem Fachmann zahlreiche Modifikationen und Variationen vorgenommen werden, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung, wie in den Ansprüchen dargelegt, abzuweichen.

Claims

Leistungsversorgungsnetzwerk zum Übertragen von Leistung zwischen mehreren Leistungsanschlüssen, wobei das Leistungsversorgungsnetzwerk Folgendes umfasst: ein Energieübertragungselement mit einer ersten Wicklung, einer zweiten Wicklung und einer dritten Wicklung, wobei ein erster Leistungswandler gekoppelt werden soll zum Übertragen von Leistung zwischen einem ersten Leistungsanschluss und der ersten Wicklung und wobei ein zweiter Leistungswandler gekoppelt werden soll zum Übertragen von Leistung zwischen der zweiten Wicklung und einem zweiten Leistungsanschluss; einen Hauptleistungsanschluss zum Koppeln an eine Gleichspannung und eine zwischen den Hauptleistungsanschluss und die dritte Wicklung gekoppelte Hauptanschlussschnittstelle zum zyklischen Umkehren der Gleichspannung und zum Bereitstellen einer zyklisch umgekehrten Spannung an die dritte Wicklung mit einem festen Tastverhältnis, wobei der erste Leistungswandler die Übertragung von Leistung zwischen dem ersten Leistungsanschluss und der ersten Wicklung unabhängig von der Übertragung von Leistung zwischen der zweiten Wicklung und dem zweiten Leistungsanschluss steuern soll und wobei der Hauptleistungsanschluss eine effektive Impedanz aufweist, die kleiner ist als eine effektive Impedanz des ersten Leistungsanschlusses und kleiner ist als eine effektive Impedanz des zweiten Leistungsanschlusses.
Leistungsversorgungsnetzwerk von Anspruch 1, wobei der Hauptleistungsanschluss ein bidirektionaler Leistungsanschluss ist und wobei der Hauptleistungsanschluss gekoppelt ist zum Empfangen von Leistung von der dritten Wicklung und zum Übertragen von Leistung zu der dritten Wicklung.
Leistungsversorgungsnetzwerk von Anspruch 1, wobei die Hauptanschlussschnittstelle eine Brücke mit mehreren Schaltern enthält, zwischen den Hauptleistungsanschluss und die dritte Wicklung gekoppelt, um die Gleichspannung als Reaktion auf ein Hauptsteuersignal zyklisch zu vertauschen, wobei das Hauptsteuersignal das feste Tastverhältnis aufweist.
Leistungsversorgungsnetzwerk von Anspruch 1, wobei das Energieübertragungselement einen einzelnen Magnetkern enthält und wobei die erste Wicklung, die zweite Wicklung und die dritte Wicklung über den einzelnen Magnetkern magnetisch aneinander gekoppelt sind.
Leistungsversorgungsnetzwerk zum Übertragen von Leistung zwischen mehreren Leistungsanschlüssen, wobei das Leistungsversorgungsnetzwerk Folgendes umfasst: ein Energieübertragungselement mit einer ersten Wicklung, einer zweiten Wicklung und einer dritten Wicklung; einen ersten Leistungswandler, der gekoppelt ist zum Übertragen von Leistung zwischen einem ersten Leistungsanschluss und der ersten Wicklung; einen zweiten Leistungswandler, der gekoppelt ist zum Übertragen von Leistung zwischen der zweiten Wicklung und einem zweiten Leistungsanschluss; einen Hauptleistungsanschluss zum Koppeln an eine Spannung und eine zwischen den Hauptleistungsanschluss und die dritte Wicklung gekoppelte Hauptanschlussschnittstelle zum Bereitstellen einer zyklisch vertauschten Spannung an die dritte Wicklung mit einem festen Tastverhältnis, wobei der erste Leistungswandler die Übertragung von Leistung zwischen dem ersten Leistungsanschluss und der ersten Wicklung unabhängig von der Übertragung von Leistung zwischen der zweiten Wicklung und dem zweiten Leistungsanschluss steuert und wobei der Hauptleistungsanschluss eine effektive Impedanz aufweist, die kleiner ist als eine effektive Impedanz des ersten Leistungsanschlusses und kleiner als eine effektive Impedanz des zweiten Leistungsanschlusses.
Leisturigsversorgungsnetzwerk von Anspruch 5, wobei eine Spannung an der ersten Wicklung und eine Spannung an der zweiten Wicklung jeweils im Wesentlichen proportional zu der zyklisch vertauschten Spannung der dritten Wicklung sind.
Leistungsversorgungsnetzwerk von Anspruch 5, wobei der zweite Leistungswandler die Übertragung von Leistung zwischen der zweiten Wicklung und dem zweiten Leistungsanschluss unabhängig von der Übertragung von Leistung zwischen dem ersten Leistungsanschluss und der ersten Wicklung steuert.
Leistungsversorgungsnetzwerk von Anspruch 5, wobei der erste Leistungswandler Folgendes umfasst: einen Schalter, der gekoppelt ist zum Steuern der Übertragung von Leistung zwischen dem ersten Leistungsanschluss und der ersten Wicklung als Reaktion auf ein Ansteuersignal; und einen Controller, der gekoppelt ist zum Generieren des Ansteuersignals zum Regeln eines Ausgangssignals des ersten Leistungswandlers unabhängig von der zweiten Wicklung, unabhängig von dem zweiten Leistungsanschluss und unabhängig von dem zweiten Leistungswandler.
Leistungsversorgungsnetzwerk von Anspruch 8, wobei der Controller keine Rückkopplungsinformationen über die zweite Wicklung, den zweiten Leistungsanschluss und den zweiten Leistungswandler empfängt.
Leistungsversorgungsnetzwerk von Anspruch 5, wobei der erste Leistungsanschluss ein unidirektionaler Leistungsanschluss ist und wobei der erste Leistungswandler gekoppelt ist zum Übertragen von Leistung nur in der Richtung von dem ersten Leistungsanschluss zu der ersten Wicklung.
Leistungsversorgungsnetzwerk von Anspruch 5, wobei der zweite Leistungsanschluss ein unidirektionaler Leistungsanschluss ist und wobei der zweite Leistungswandler gekoppelt ist zum Übertragen von Leistung nur in der Richtung von der zweiten Wicklung zu dem zweiten Leistungsanschluss.
Leistungsversorgungsnetzwerk nach Anspruch 5, wobei der zweite Leistungsanschluss ein bidirektionaler Leistungsanschluss ist und wobei der zweite Leistungswandler ein bidirektionaler Leistungswandler ist, der gekoppelt ist zum Übertragen von Leistung in einer ersten Richtung von der zweiten Wicklung zu dem zweiten Leistungsanschluss und in einer zweiten Richtung von dem zweiten Leistungsanschluss zu der zweiten Wicklung.
Leistungsversorgungsnetzwerk von Anspruch 5, wobei der zweite Leistungswandler ein AC-AC-Leistungswandler ist und wobei der zweite Leistungsanschluss eine Ausgangswechselspannung liefert.
Leistungsversorgungsnetzwerk von Anspruch 5, wobei der erste Leistungswandler ein DC-AC-Leistungswandler ist und wobei der erste Leistungsanschluss gekoppelt werden soll zum Empfangen einer Gleichspannung.
Leistungsversorgungsnetzwerk von Anspruch 5, wobei der Hauptleistungsanschluss ein bidirektionaler Leistungsanschluss ist und wobei der Hauptleistungsanschluss gekoppelt ist zum Empfangen von Leistung von der dritten Wicklung und zum Übertragen von Leistung zu der dritten Wicklung.
Leistungsversorgungsnetzwerk von Anspruch 5, wobei die Hauptanschlussschnittstelle eine Brücke mit mehreren Schaltern enthält, gekoppelt zwischen den Hauptleistungsanschluss und die dritte Wicklung, um die an dem Hauptleistungsanschluss empfangene Spannung als Reaktion auf ein Hauptsteuersignal zyklisch zu vertauschen, wobei die Spannung eine Gleichspannung ist.
Leistungsversorgungsnetzwerk von Anspruch 16, wobei die Hauptanschlussschnittstelle weiterhin einen Controller enthält, der gekoppelt ist zum Liefern des Hauptsteuersignals mit dem festen Tastverhältnis.
Leistungsversorgungsnetzwerk von Anspruch 17, wobei der Controller gekoppelt ist zum Liefern des Hauptsteuersignals mit dem festen Tastverhältnis und mit einer festen Frequenz.
Leistungsversorgungsnetzwerk von Anspruch 5, wobei der Hauptleistungsanschluss an ein Energiespeicherelement gekoppelt werden soll zum Speichern von von dem Energieübertragungselement empfangener Leistung und zum Liefern gespeicherter Leistung an das Energieübertragungselement.
Leistungsversorgungsnetzwerk von Anspruch 5, wobei der zweite Leistungswandler Folgendes umfasst: Einen Pulsweitenmodulator (PWM), der gekoppelt ist zum Empfangen eines Rückkopplungssignals, das ein Ausgangssignal des zweiten Leistungsanschlusses repräsentiert, wobei der PWM weiterhin gekoppelt ist zum Generieren eines Modulationssignals; und eine XOR-Logikschaltung (exklusives-ODER), die gekoppelt ist zum Empfangen des Modulationssignals und gekoppelt ist zum Empfangen eines Signals mit dem festen Tastverhältnis, wobei die XOR-Logikschaltung weiterhin gekoppelt ist zum Ausgeben eines Ansteuersignals zum Steuern der Übertragung von Leistung zwischen der zweiten Wicklung und dem zweiten Leistungsanschluss als Reaktion auf das Modulationssignal und das Signal mit dem festen Tastverhältnis.
Leistungsversorgungsnetzwerk von Anspruch 5, wobei das Energieübertragungselement einen einzelnen Magnetkern enthält und wobei die erste Wicklung, die zweite Wicklung und die dritte Wicklung über den einzelnen Magnetkern magnetisch aneinander gekoppelt sind.
Leistungsversorgungssystem, das Folgendes umfasst: einen ersten Leistungsanschluss, einen zweiten Leistungsanschluss und einen Hauptleistungsanschluss; einen elektrischen Leistungsgenerator, der gekoppelt ist zum Liefern von Leistung an den ersten Leistungsanschluss; ein Energiespeicherelement, das gekoppelt ist zum Liefern einer Gleichspannung an den Hauptleistungsanschluss; ein Leistungsversorgungsnetzwerk zum Übertragen von Leistung zwischen dem ersten Leistungsanschluss, dem zweiten Leistungsanschluss und dem dritten Leistungsanschluss, wobei das Netzwerk Folgendes umfasst: ein Energieübertragungselement mit einer ersten Wicklung, einer zweiten Wicklung und einer dritten Wicklung; einen ersten Leistungswandler, der gekoppelt ist zum Übertragen von Leistung zwischen dem ersten Leistungsanschluss und der ersten Wicklung; einen zweiten Leistungswandler, der gekoppelt ist zum Übertragen von Leistung zwischen der zweiten Wicklung und dem zweiten Leistungsanschluss und eine zwischen den Hauptleistungsanschluss und die dritte Wicklung gekoppelte Hauptanschlussschnittstelle zum zyklischen Umkehren der Gleichspannung und zum Bereitstellen einer zyklisch umgekehrten Spannung an die dritte Wicklung mit einem festen Tastverhältnis, wobei der erste Leistungsanschluss die Übertragung von Leistung zwischen dem ersten Leistungsanschluss und der ersten Wicklung unabhängig von der Übertragung von Leistung zwischen der zweiten Wicklung und dem zweiten Leistungsanschluss steuert und wobei der Hauptleistungsanschluss eine effektive Impedanz aufweist, die kleiner ist als eine effektive Impedanz des ersten Leistungsanschlusses und kleiner ist als eine effektive Impedanz des zweiten Leistungsanschlusses.
Leistungsversorgungssystem von Anspruch 22, wobei eine Spannung an der ersten Wicklung und eine Spannung an der zweiten Wicklung jeweils im Wesentlichen proportional zu der zyklisch vertauschten Spannung der dritten Wicklung sind.
Leistungsversorgungssystem von Anspruch 22, wobei der zweite Leistungswandler die Übertragung von Leistung zwischen der zweiten Wicklung und dem zweiten Leistungsanschluss unabhängig von der Übertragung von Leistung zwischen dem Leistungsanschluss und der ersten Wicklung steuert.
Leistungsversorgungssystem von Anspruch 22, wobei der zweite Leistungsanschluss ein bidirektionaler Leistungsanschluss ist und wobei der zweite Leistungswandler ein bidirektionaler Leistungswandler ist, der gekoppelt ist zum Übertragen von Leistung in einer ersten Richtung von der zweiten Wicklung zu dem zweiten Leistungsanschluss und in einer zweiten Richtung von dem zweiten Leistungsanschluss zu der zweiten Wicklung.
Leistungsversorgungssystem von Anspruch 22, wobei der Hauptleistungsanschluss ein bidirektionaler Leistungsanschluss ist und wobei der Hauptleistungsanschluss gekoppelt ist zum Empfangen von Leistung von der dritten Wicklung und zum Übertragen von Leistung zu der dritten Wicklung.
Leistungsversorgungssystem von Anspruch 22, wobei die Hauptanschlussschnittstelle eine Brücke mit mehreren Schaltern enthält, zwischen den Hauptleistungsanschluss und die dritte Wicklung gekoppelt, um die Gleichspannung als Reaktion auf ein Hauptsteuersignal zyklisch zu vertauschen, wobei das Hauptsteuersignal das feste Tastverhältnis aufweist.
Leistungsversorgungssystem nach Anspruch 22, wobei das Energiespeicherelement eine Batterie enthält zum Speichern von von dem Energieübertragungselement empfangener Leistung und zum Liefern von gespeicherter Leistung an das Energieübertragungselement.
Leistungsversorgungssystem von Anspruch 22, wobei der zweite Leistungswandler Folgendes umfasst: einen Pulsweitenmodulator (PWM), der gekoppelt ist zum Generieren eines Modulationssignals als Reaktion auf ein Rückkopplungssignal, das ein Ausgangssignal des zweiten Leistungsanschlusses repräsentiert; und eine XOR-Logikschaltung (exllusives-ODER), die gekoppelt ist zum Empfangen des Modulationssignals und gekoppelt ist zum Empfangen eines Signals mit dem festen Tastverhältnis, wobei die XOR-Logikschaltung weiterhin gekoppelt ist zum Ausgeben eines Ansteuersignals zum Steuern der Übertragung von Leistung zwischen der zweiten Wicklung und dem zweiten Leistungsanschluss als Reaktion auf das Modulationssignal und das Signal mit dem festen Tastverhältnis
Leistungsversorgungssystem von Anspruch 22, wobei das Energieübertragungselement einen einzelnen Magnetkern enthält und wobei die erste Wicklung, die zweite Wicklung und die dritte Wicklung über den einzelnen Magnetkern magnetisch aneinander gekoppelt sind.
Leistungsversorgungssystem von Anspruch 22, wobei der elektrische Leistungsgenerator eine Fotovoltaikzelle beinhaltet.