组合的共模电感器和差分信号变压器的制作方法

本文公开的发明涉及电气系统中的通信，并且具体涉及用于差模信号的发送或接收并且同时用于共模噪声的抑制的共模电感器。

背景

信号(诸如，通信信号)的传输与电气系统相关。信号可以携带与系统的不同部件的控制和操作有关的信息，并且可以特别地用于传递与所测量的操作参数有关的信息以及控制或优化系统性能的指令。在例如电力转换系统中，为了实现系统的有效操作，期望快速且有效地传送与输入电力、电力转换器(多个电力转换器)的性能、输出电力和/或操作指令有关的信息。此外，对共模噪声的抑制也可能在这种系统中受到关注，因为共模电流和/或电压可能干扰系统本身以及周围的其它系统，并且可能通过例如电力网传送很远的距离。

在例如wo2014/131734和pct/ep2012/066782中已经解决了该问题的一部分，其中，借助于无线或公共线路通信信道在中央适配单元和功率逆变器系统的多个开关单元之间传送控制信号。

尽管存在用于实现这种通信信道的众所周知的方法，但仍需要用于以具有成本效益并且节能的方式结合这种功率逆变器系统来传送信息的替代方案和改进的方法。

概述

本发明的实施例中的至少一些实施例的目标是提供上述技术的改进的替代方案。

因此，本发明提供了具有独立权利要求的特征的共模电感器、系统和方法。从属权利要求限定有利的实施例。

在第一方面，提供了用于共模噪声的抑制和差分信号的传输的共模电感器。电感器包括磁芯，该磁芯具有第一绕组和第二绕组，其中，第一绕组和第二绕组形成布置成传送差分通信信号的导体对。此外，第三绕组被布置成沿着第一绕组的至少一部分延伸，并且第四绕组被布置成沿着第二绕组的至少一部分延伸。第三绕组和第四绕组可以分别局部感应耦合到第一绕组和第二绕组。此外，第三绕组和第四绕组彼此串联连接，使得变换到第三绕组和第四绕组的第一绕组和第二绕组上的差分信号可以彼此相加(即，被放大)。第三绕组和第四绕组因此可以适于提供由在第一绕组和第二绕组中的差分通信信号感应出的传感器信号。

根据第二方面，提供了一种系统。该系统包括：适于接收输入电力并且输出输出电压波形和交流电流的开关单元，以及根据第一方面的共模电感器。输出电压是差分信号，因此可以由电感器传送。

根据第三方面，提供了一种用于测量在根据第一方面的共模电感器中的差分通信信号的方法，差分通信信号可以具有比输出ac信号高得多的频率。该方法包括将差分通信信号传输通过第一绕组和第二绕组，并且测量变换到第三绕组和第四绕组的差分通信信号。

共模信号可以被理解为在第一绕组和第二绕组中具有相同符号的信号。由这种信号生成的场可以在磁芯中相加，电感器因此可以用作阻挡信号或使信号衰减的高阻抗部件。相反，差分信号可以被理解为在第一绕组和第二绕组中具有不同符号的信号，这些场可能在很大程度上相互抵消。因此，电感器可以用作让信号通过的低阻抗部件。

虽然第一绕组和第二绕组可以被布置为使得差分信号可以在磁芯中生成相互抵消或衰减的场，但是第三绕组和第四绕组可以分别感应耦合到第一绕组和第二绕组，以提供变换效果。

本方面利用了第三绕组和第四绕组可以用于形成用于测量通过电感器传输的差分信号的传感器绕组的理解。这在已经包括共模电感器的系统中是特别有利的，因为部件可以借助附加的第三布线和第四布线补充或升级到组合的传感器设备。因此，可以提供传感器或测量功能而无需另外添加单独的感测或测量设备。此外，这允许在公共(电力)线中传输的信号被测量，这可以消除对单独的通信信道和附加电缆或无线通信装置的需要。此外，通过使用现有的部件，不需要用于接收信号的附加感测级或接收器。相反，电力系统的现有设备可以用于附加的通信目的，这允许减少材料、尺寸和与例如制造和维护相关的成本的支出。

如已经提到的那样，共模电感器(也称为共模扼流圈或共模扼流线圈或线圈)在本申请的上下文中可以指用作针对共模电流但不是针对差模电流的电感器的电气部件。共模电感器因此可用于在差分信号传送或功率传输中的滤波的目的，其中，主要结合共模，可期望滤波效果。导体可以包括形成在磁芯上以相反方向缠绕的差分导体对的两个线圈。绕组可以以这样的方式配置，即由绕组中的差模电流产生的磁场倾向于彼此抵消，而来自绕组中的共模电流的磁场倾向于加在一起，由此提供抑制共模噪声的阻抗。

通过沿第一绕组和第二绕组的至少一部分布置传感器绕组(即，第三绕组和第四绕组)，可以在第一绕组和/或第二绕组与传感器绕组之间实现电磁相互作用。由于电磁相互作用，当差分信号或电力流过电感器时，传感器绕组中可能感应出传感器信号。第三绕组和第四绕组的串联允许以差模方式在第三绕组和第四绕组中在相同方向上感应出电流。相反地，可以以共模的方式在不同方向上感应出电流，使得在第三绕组中感应出的电流可以对抗或抵消在第四绕组中感应出的电流。在差模操作期间感应出的电流因此可以加起来成为可以从传感器绕组提取的传感器信号，并且其可以用作以差模的方式流过共模电感器的差分信号的量度。

传感器信号可以对应于差分信号，并且因此可以用于确定或测量差分信号。由此，本方面允许抑制共模噪声，同时即使对于相对较低的差模分量，也可以变换差模信号。

差分信号可以例如包括与系统中的电压或电流有关的信息以及与例如电气系统的温度、容量和性能有关的其他参数。

根据实施例，共模电感器的磁芯可以是铁磁性的和/或环形的、c形的或e形的。

根据实施例，第一绕组和第二绕组可以适于从连接到输入电源(诸如，dc源)的开关单元传送差分输出ac。差模电力可以与差模通信信号一起在公共线中传送，并由此由电感器的传感器绕组测量。差分通信信号可以例如作为差分输出ac上的叠加信号传送。此外，差分通信信号可以包括用于操作开关单元的指令。本实施例在开关单元中是有利的，因为它可以输出ac并且经由相同的线路接收信息，诸如，例如操作指令。差分信号不需要额外的通信信道。同时，共模信号可以被电感器阻挡或衰减。

根据一个实施例，开关单元可以形成功率逆变器系统的一部分，功率逆变器系统包括以级联配置彼此电连接的多个开关单元。开关单元中的每一个开关单元可以适于从例如光伏面板接收相应的输入电力。此外，每个开关单元可以被单独控制，以便产生输出到公共线的组合输出ac。开关单元可以响应于可以经由差分信号传输并且借助共模电感器的传感器绕组接收到的命令信号来操作。

开关单元的单独控制特别对其中相应输入电力随时间的推移而变化和/或难以预测的应用和系统有意义。在例如光伏元件或太阳能电池板中可能是这种情况，其中，可以通过电压和电流之间的非线性关系来确定输出电力。类似快速通过的阴影的情况，或由于污染、不同的老化水平导致的面板的性能的差异的情况，或生产期间导致差异的情况，都可能妨碍面板的阵列作为整体运行在其最高效率点上。本方面提供了一种解决方案，其中，每个面板可以连接到相应的开关单元，该开关单元可以响应于每个开关单元处的共模电感器测量的差分信号而单独操作。因此，开关单元的操作可以适应在操作期间的特定要求。

根据实施例，功率逆变器系统可以连接到中央单元，该中央单元适于生成用于控制开关单元中的至少一些开关单元的操作的命令信号。中央单元可以适于接收指示开关单元中的一个或几个开关单元的当前状态的信息、指示输入电压或电流、生成的输出电压或电流的量度、或与例如期望的输出ac、连接到功率逆变器系统的光伏面板的温度或性能有关的额外信息。中央单元可以被配置为生成命令信号，该命令信号经由公共线传输到开关单元，在开关单元中可以借助共模电感器来确定该命令信号。功率逆变器系统的切换操作因此可以基于由命令信号携带的所接收的信息或参数。

在一些示例中，命令信号可以包括使开关单元输出或接收电力的，并且优选地输出处于某个电平的电压(正电压、零电压、负电压或在其之间的电压)的状态命令。另外地或可选地，状态命令可以导致开关单元停止输出电力或电压。命令信号还可以包括使开关单元输出正电压、负电压、零电压和在其之间的电压中的两个或更多个电压的任意组合的额外的或可选的命令。

根据实施例，开关单元是h桥转换器。h桥转换器可以例如包括四个金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)或任何其他类型的半导体开关或晶体管。开关单元也可以由例如半桥转换器形成。然而应理解，在本申请的上下文中，术语“开关单元”可以指能够接收输入dc电力并且产生两个或更多个不同电压/电流电平的多电平输出的任何电气部件。

根据实施例，开关单元可以以逆变器模式操作，在逆变器模式中，它们响应于命令信号的切换命令而单独地被切换，以便产生在公共线上传送的组合输出电压波形，并且开关单元可以以通信模式操作，在通信模式中，开关单元在两个连续的切换命令之间切换，以便产生在公共线上传输的通信信号。开关单元中的至少一个开关单元可以以通信模式操作，同时剩余的开关单元保持处于它们的当前状态，即，同时，剩余的开关单元未切换。本实施例有利之处在于，输出电压波形的静默时段，即，位于开关单元的两个相互邻近的切换事件之间且多电平输出电压波形的电压相对恒定并且具有相对较低的谐波分量的时间段，可用于在组合输出电压波形上传输叠加的通信信号。可以通过切换开关单元中的一个或几个开关单元同时让剩余开关单元“静默”(即，保持不切换当前状态)来提供通信信号。换句话说，开关单元可以被认为是以两种不同的模式工作——生成组合的多级输出电压波形的逆变器模式和生成通信信号的通信模式。在逆变器模式中，开关单元中的每个开关单元或至少一些开关单元可基于命令信号的切换命令而被切换，以便形成期望的多级输出电压波形。由两个相互邻近的切换命令限定的周期可以被称为多级输出电压波形的静默时段，因为在该时段期间关于不想要谐波的输出可能相对较低。换句话说，输出电压波形可以在该静默时段期间具有相对较低的噪声，这对于信号传送来说是特别有利的，因为相对较低的噪声水平可以减少对通信信号的滤波和放大的需要。在该静默时段，开关单元中的一个或几个开关单元可以以通信模式操作，其中，它们可以被多次切换，以生成叠加的通信信号。

应当理解的是，中央单元可以包括开关单元，该开关单元适于以与上述类似的方式(即，使用静默时段来传输信号)操作和生成命令信号。

根据实施例，共模电感器可以被提供在中央单元处，并且被布置为经由公共线接收在开关单元(多个开关单元)处生成的通信信号。通信信号可以表示所需电压波形(诸如，例如电网电压波形)的频率、相位、振幅和谐波中的至少一个。该信息可以由适合于基于接收的通信信号计算命令信号的处理器来处理。所计算的命令信号随后可以经由公共线输出并且被传送到开关单元，开关单元可以据此被单独控制，使得来自多个开关单元的组合输出产生与所需电压波形匹配的电压波形。

在本申请的上下文中，术语“输出电压波形”、“输出电压”、“输出电力”、“ac”、“交流电”和“交流电压”可以互换使用。从功率逆变器系统或开关单元输出的电力可以被理解为驱动交流电的交流电压。

还应理解的是，本方面可以在高功率传输系统中实现或者体现为高功率传输系统。

本方面可作为计算机可读指令实施用于以执行上面概述的方法的方式控制可编程计算机。所述指令可以包括存储指令的计算机可读介质的计算机程序产品的形式分布。具体地说，指令可以加载到中央单元的微控制器中。

当学习以下详细描述的公开内容、附图和所附权利要求时，本方面的另外的目的、特征和优点将变得明显。本领域技术人员了解到，本方面的不同特征(即使是在不同权利要求中所引用的)可以被组合在除了如下所描述的那些实施例之外的实施例中。

附图简述

通过本发明的实施例的以下说明性且非限制性的详细描述，将更好地理解本发明的以上以及另外的目的、特征和优点。将参考附图，其中：

图1显示了根据本发明的实施例的共模电感器；

图2图示了根据实施例的包括共模电感器的功率逆变器系统；

图3显示了根据实施例的开关单元；

图4示意性地示出根据实施例的系统的布局及其相关联的信号传送路径；以及

图5是示出根据实施例的来自系统的组合多电平输出电压波形的图示。

所有附图都是示意性的，且通常只示出必要的部件，以便解释本发明，而其它部件可被省略或仅仅被提及。

具体实施例

图1显示了根据实施例的共模电感器。在该示例中，共模电感器10具有围绕环形磁芯15以相反方向缠绕的第一绕组11和第二绕组12。绕组的布置可能产生磁芯15中的感应磁场，其中，共模电流可以感应协同磁场(cooperatingmagneticfields)，并且差模电流可以感应彼此抵消的相反磁场。因此，共模电感器可以起到主要与共模电流相关的高阻抗的作用，而它对差模电流几乎没有或没有显著影响。

共模电感器10还可以包括第三绕组13和第四绕组14，它们一起可以形成传感器绕组13、14。第三绕组13可以平行于、或沿着第一绕组11的至少一部分缠绕，使得在第一绕组11中流动的电流可以在第三绕组13中感应出电流。类似地，第四绕组14可以平行于、或沿着第二绕组12的至少一部分缠绕，使得在第二绕组12中流动的电流可以在第四绕组14中感应出电流。分别在第三绕组13和第四绕组14中的感应电流可以分别具有与在第一绕组11和第二绕组12中流动的电流相同的方向。由于第三绕组13和第四绕组14的串联连接，因此可以在传感器绕组13、14中以共模的方式在相反方向上感应出电流。因此在共模下感应电流可以彼此抑制乃至相互抵消，这导致在传感器绕组13、14中流动的净电流相对较低或为零。相应地，可以以差模的方式在相同方向上感应出电流，这导致了第三绕组13中的感应电流与第四绕组14中的感应电流协同。感应电流可以处于差模状态，因此加起来成为可以从传感器绕组13、14提取的并且可以用作流过电感器10的差分信号的量度的传感器信号。

图2显示根据实施例的连接到中央单元130的功率逆变器系统100。功率逆变器系统100可以包括多个开关单元(诸如，h桥转换器110)，每个开关单元被布置为被提供来自相应的源(诸如，例如光伏元件)(图1未示出)的输入dc电力和电压vdc。h桥转换器110可以级联，以产生多电平输出电压vout，其可以经由公共线120被馈送到中央单元130。每个开关单元110可以包括共模电感器10，共模电感器10可以与结合图1所讨论的实施例类似地配置，并且连接到相应的开关单元110的输出侧。在差模工作期间，传感器信号因此可以从传感器绕组13、14中被提取。信号可以例如对应于来自中央控制单元130的命令信号。所测量的差分信号可以被传送到控制电路(诸如，微控制器)，其适于基于测量的差分信号来控制对应的开关单元。

中央单元130可以适于输出与电网ac匹配的acvac，并且生成用于控制在开关单元110中一个或几个开关单元的操作的命令信号。命令信号可以由例如在中央单元130处的开关单元生成，其中，开关单元可以适于以通信模式操作，其中，组合输出acvout的静默时段(即，不发生逆变器模式切换的时段)被用于生成命令信号。命令信号可以叠加在组合输出acvout上，并且经由公共线120传输到功率逆变器系统100，它在功率逆变器系统100中可以由共模电感器10测量并且用于控制开关单元110的操作。

在输入电压源是光伏面板的情况下，每个h桥转换器110和共模电感器10可以集成在例如相应面板的接线盒中。

图3显示了与参考图1和图2所讨论的实施例类似地配置的共模电感器10和开关单元110的示例性实施例。更具体地说，示出了耦合到h桥转换器21的输出端子的共模电感器10的电路图，该h桥转换器21包括四个开关q1、q2、q3、q4，其处于四个金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)q1、q2、q3、q4的形式。然而，任何其他适当的开关元件可以用于共模电感器10，诸如绝缘栅双极型晶体管(igbt)或双极结型晶体管(bjt)。

共模电感器10可以连接到开关单元110的输出端子52、54以便抑制共模噪声，特别是与输出ac信号的频率相比具有相对较高频率的噪声。如图3所指，共模电感器10的第一绕组11可以连接到开关单元110的第一输出端子52，并且第二绕组12连接到开关单元110的第二输出端子54。差分信号可以被测量为第三绕组13和第四绕组14中的感应电流。

第一晶体管q1的漏极d1和第二晶体管q2的漏极d2可以电连接至输入dc电源(诸如，例如光伏面板)(未示出)的正极15，而相应的第一晶体管q1和第二晶体管q2的源极s1和s2可以分别电连接至第四晶体管q4和第三晶体管q3的漏极d4和d3。第三晶体管q3和第四晶体管q4的源极s3和s4可以电连接至输入dc电源的负极43。第一晶体管q1的源极s1可以在第一输出端子52处电连接至第四晶体管q4的漏极d4，而第二晶体管q2的源极s2可以在第二输出端子54处电连接至第三晶体管q3的漏极d3。第一输出端子52和第二输出端子54可以连接到功率逆变器系统的公共线(图3中未示出)。

四个晶体管q1、q2、q3、q4的栅极端子g1、g2、g3、g4可以电连接至开关控制电路或微控制器60，或者适于通过提供栅极电压给它们相应的栅极g1、g2、g3、g4以控制mosfetq1、q2、q3、q4。开关控制电路或微控制器60可以例如开关单元110一起安装在印刷电路板(未示出)上。微控制器60也可以连接到共模电感器10，为微控制器提供正在公共线上传输的信息。

微控制器60可适于在逆变器模式下操作开关单元110，通过这种方式使得来自功率逆变器系统100的多个开关单元110的组合输出产生与所需ac匹配的组合多电平ac。此外，微控制器60可以以通信模式操作开关单元110，其中，开关单元110在多个开关单元110中的任何开关单元的两个连续切换事件之间的静默时段中可以产生通信信号。这可以借助微控制器60来实现，微控制器60可以操作开关单元q1、q2、q3、q4以便生成形成期望的通信信号的输出。微控制器60可以被配置成借助共模电感器10的传感器绕组13、14接收来自中央单元的命令信号，并且据此以逆变器模式来操作开关单元110。

图4显示了与参考图1至3讨论的实施例类似地配置的功率逆变器系统和中央单元。功率逆变器系统100可以包括多个级联的开关单元110，其连接到中央单元130，中央单元130可以适于接收由功率逆变器系统100生成的通信信号并且传输控制功率逆变器系统100的操作的命令信号。此外，开关单元110中的每一个开关单元可以连接到用于测量公共线120中的差分信号的共模电感器10。如图4所示，还可以提供另外的部件，诸如，例如用于减少公共线120中的通信信号的反射的端接器122。另外的部件可以是例如用于在输出acvac被输出到例如电网之前对其进行滤波的滤波器126，以及用于对例如命令信号进行滤波的滤波器124。滤波器124、126可以例如在结构上与中央单元130结合。

在图4中，通信信号和命令信号由虚线表示，其中，提供箭头以示意性地指示在功率逆变器系统100和中央单元130的操作期间信号的路径。如所指示的，通信信号和命令信号从功率逆变器系统100的开关单元110经由公共线120循环到中央单元130，命令信号(其可以基于通信信号)从中央单元130输出/返回到开关单元110的共模电感器10。组合输出acvout可以与通信信号和/或命令信号在相同的公共线120中传输，但是还可以作为输出acvac传输至例如电网。

图5是示出来自功率逆变器系统的组合多电平输出acvout的图示，其可以与参考图1至4中的任何一个图所描述的实施例类似地配置。在该图示中，组合输出acvout被表示为随着时间t(水平轴)变化的电流i(垂直轴)。在当前，使用说明性示例12的级联的开关单元来生成匹配期望的正弦acvac的组合多电平输出acvout。开关单元的切换事件由水平轴上的t0、t1、...tn表示，并且可以对应于导致开关单元在不同的输出电平之间切换的命令信号的切换命令。可以用于信号传送的静默时段通过两个连续的切换命令或切换事件tn、tn+1之间的平顶示意性地表示。在本图中，通信信号是在切换事件t0和t1之间的静默时段t期间生成的。该信号可以例如通过在该时段期间通过在通信模式下操作开关单元中的一个开关单元(即，通过在t0与t1之间多次切换开关单元和/或通过以类似的方式切换中央单元的开关单元)来生成。通信信号和/或命令信号因此可以叠加在组合多电平ac上。

还应该理解的是，如参照上述实施例中的任一个实施例讨论的共模电感器可以用于如前所述的用于测量差分通信信号的方法。根据该方法，可以通过第一绕组和第二绕组传输差分通信信号，并且基于在第三绕组和第四绕组中感应出的传感器信号来测量差分通信信号。这种方法可作为计算机可执行指令实施，计算机可执行指令以包括储存了这种指令的计算机可读介质的计算机程序产品的形式被分布和使用。通过示例，计算机可读介质可包括计算机存储介质和通信介质。如本领域技术人员所熟知的，计算机存储介质包括易失的和非易失的、可移除和不可移除介质，其以任何方法或技术被实现以用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其它数据的信息。计算机存储介质包括，但不限于，ram、rom、eeprom、闪存或其它储存技术、cd-rom、数字通用光盘(dvd)或其他光盘存储、卡式磁带、磁带、磁盘存储或其它磁存储设备。另外，技术人员已知通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或诸如载波或其它传输机制的已调制数据信号中的其它数据并包括任何信息传递介质。