由三个单相同步CUK转换器组成的三相AC/DC转换器

由三个单相同步cuk转换器组成的三相ac/dc转换器
1.本发明是在政府的支持下，由高级研究计划局-能源(arpa-e)授予的de-ar0000903号赠款下完成的。政府在本发明中享有某些权利。
技术领域
2.本公开涉及用于电池系统的充电系统，并且特别地，涉及用于对电动车辆的电池充电的改进的系统和方法。


背景技术：

3.与传统的化石燃料车辆相比，电动车辆(ev)在市场上的竞争日益激烈。在这方面，人们对气候变化以及化石燃料在推动气候变化中所起的作用的认识提高，加强了替代个人和公共交通解决方案的必要性和可取性，因此，正在致力于对电动车辆进行重大研究，以取代传统燃油车辆。价格、效率、充电时间和续航里程均是目前行业面临的挑战，这些挑战正在推动直流电(dc)快速充电系统的发展，以克服这些障碍。然而，目前可用的电动车辆dc快速充电系统通常效率低下(即有损耗)且体积庞大。
4.本文所公开的系统和方法为这些问题和其它问题提供了解决方案。


技术实现要素：

5.提供本发明内容以按简化的形式介绍概念的选择，所述概念将在下面的具体实施方式中进一步描述。本发明内容不旨在识别所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。
6.在一方面，存在一种用于对电池充电的系统。该系统包含具有输入端的功率模块，该输入端被配置为从三相交流电(ac)电源接收ac。第一子模块接收由ac电源提供的ac信号的第一相，并且调制ac信号的第一相以提供第一输出信号，而第二和第三子模块分别接收由ac电源提供的ac信号的第二和第三相，并且分别调制ac信号的第二和第三相以提供相应的第二和第三输出信号。输出端将组合的第一、第二和第三输出信号作为直流电(dc)输出递送到电池。第一、第二和第三子模块被配置为差模转换器。
7.在实施例中，功率模块执行ac信号到dc信号的单级转换。在一些实施例中，功率模块在不使用变压器的情况下将ac信号转换为dc信号，但是在其它实施例中，功率模块包含变压器。在实施例中，子模块中的每一个包含使用不连续调制来调制ac信号的相应相的半导体切换装置。在实施例中采用无气隙集成磁阵列。
8.在实施例中，功率模块包含故障响应电路系统，该故障响应电路系统被配置为协调ac侧保护件、dc侧保护件和执行该调制的切换组件的保护件的故障控制响应。故障响应电路系统包含第一保护组件，该第一保护组件被配置为监测切换组件，当检测到过压、欠压和/或过流状况时或当检测到全局故障信号时使切换组件停止操作，并且当检测到过压、欠压和/或过流状况中的任一种时输出第一故障信号。故障响应电路系统还包含第二保护组件，该第二保护组件被配置为监测ac电源与第一、第二和第三子模块的切换组件之间的功
率模块的ac侧，当检测到ac侧故障时或当检测到全局故障信号时使一个或多个ac侧保护组件启动，并且当检测到ac侧故障时输出第二故障信号。进一步地，故障响应电路系统包含第三保护组件，该第三保护组件被配置为监测第一、第二和第三子模块与电池之间的功率模块的dc侧，当检测到dc侧故障时或当检测到全局故障信号时使一个或多个dc侧保护组件启动，并且当检测到dc侧故障时输出第三故障信号。协调电路系统被配置为接收第一、第二和第三故障信号，并且当检测到第一、第二或第三故障信号中的任一种时输出全局故障信号。
附图说明
9.图1是将本说明书的模块化充电系统置于上下文中的高级框图。
10.图2是根据置于图1的上下文中的本说明书的功率模块的框图。
11.图3是说明所描述系统的模块化的框图。
12.图4a是使用多级ac-dc功率转换的现有技术充电系统的框图。
13.图4b是实施单级ac-dc功率转换的新型充电系统的框图。
14.图5a是差模转换器模块的示例实施例的示意图。
15.图5b是图5a的功率模块的示例子模块的替代实施例的示意图。
16.图6a是示出根据本说明书使用不连续调制的三个子模块中的每一个的输出信号的曲线图。
17.图6b是示出根据现有技术使用连续调制的三个子模块中的每一个的输出信号的曲线图。
18.图7a是示出根据本说明书使用不连续调制的三个子模块中的每一个的功率输出的曲线图。
19.图7b是示出根据现有技术使用连续调制的三个子模块中的每一个的功率输出的曲线图。
20.图8a是示例集成磁阵列的说明。
21.图8b是图8a的示例集成磁阵列的另一个视图的说明。
22.图9a是集成磁阵列的第二示例的透视图。
23.图9b是图9a的集成磁阵列的第二示例的透视图，其具有部分剖视图。
24.图9c是图9a和9b的集成磁阵列的内芯的一组等距视图。
25.图9d是图9a和9b的集成磁阵列的外芯的一组等距视图。
26.图9e是图9a-9d的集成磁阵列的透视图，其示出了其上的线圈绕组。
27.图10是说明根据本说明书的各种故障检测和缓解组件的组合框图和示意图。
28.图11是说明示例协调故障检测和缓解策略的状态图。
29.图12描绘了根据本说明书的示例功率模块的计算机辅助设计(cad)模型。
30.对于本领域技术人员来说，根据以下对已经通过说明的方式示出和描述的优选实施例的描述，优势将变得更加明显。如将认识到的，本发明实施例可具有其它和不同的实施例，并且可在各个方面对其细节进行修改。因此，附图和说明书将在本质上被视为是说明性的而非限制性的。
具体实施方式
31.本文描述了一种基于三相差模转换器的电池充电技术。如将要描述的，在各种实施例中，电池充电技术包含各种新型的组件和特征，包含集成磁体、用于在操作期间协调设备和人员保护的系统、损耗缓解技术和模块化可扩展性。
32.图1以高层次描绘了当前描述的模块化充电系统环境100。在环境100内，三相交流电(ac)电源110耦接到模块化充电系统120，该模块化充电系统将从ac电源110提供的ac功率信号转换为直流电(dc)，该直流电(dc)被提供给电池系统130以对电池系统130充电。尽管在图1中描绘，并且在整个本说明书中，作为单个元件，电池系统130本身可包含多个分立的电池元件，这些电池元件电耦接在一起以提供耦接到电池系统130的能源消耗者(例如，电动车辆)所期望和/或所需的电压和电流。电池系统130还可包含用于控制电池系统130的充电和/或放电、用于维持电池系统130的安全操作等的附加电路，但是这些系统不是本说明书的关注点，并且在本文不作描述。
33.图2稍微更详细地描绘了模块化充电系统120。在模块化充电系统120中描绘了单个差模转换功率模块140。从图2可看出，差模转换功率模块140(以下简称为“功率模块”)本身由三个子模块142、144、146组成。如通常所理解的，ac电源110是三相电源。子模块142-146中的每一个电耦接到三相系统的相应相。也就是说，子模块a142经由第一输入连接112接收由ac电源110提供的电功率的第一相，子模块b 144经由第二输入连接114接收由ac电源110提供的电功率的第二相，并且子模块c 146经由第三输入连接116接收由ac电源110提供的电功率的第三相。如本领域普通技术人员将理解的，第一、第二和第三连接112、114、116中的每一个具有两个输入端，这是建立电压差所必需的。如图2所示，第一、第二和第三连接112、114、116中的每一个的相应第二输入端113、115、117是公共的。子模块142-146中的每一个经由相应连接112-117接收ac信号，切换或调制ac线路电压，并且输出对应的切换输出信号，使得当相应的切换输出信号组合时，它们形成输出到电池系统130的dc信号。
34.功率模块140可电耦接到附加的功率模块140以实现可扩展性，如图3所示。每个功率模块140可从480v三相ac源产生例如60kw的功率。功率模块140可作为“超级模块”150彼此耦接以产生对应的大功率输出端。也就是说，每个耦接到ac电源110的功率模块140的数目n在组合时可产生(60
×
n)kw的功率。这种可扩展性允许模块化充电系统120与各种操作的功率要求兼容(例如，关于电动车辆充电，用于低功率l1-l2操作、高功率l3-l5操作等)。附加地，虽然本文描述为耦接到480v三相ac电源110，但是模块化充电系统120的可扩展性也与其它电压的系统兼容。
35.图4a和4b在高水平上说明了当前描述的实施例相对于现有技术的一个区别。图4a示出了现有技术充电系统160的框图。现有技术充电系统160包含多个功率转换级，特别地，包含ac-dc转换电路162，其接收三相ac功率信号，并且将dc信号输出到dc-dc转换电路164、高频变压器隔离166和整流电路168。相比之下，图4b示出了根据当前设想的实施例的功率模块140中的单级功率转换电路170。单级功率转换电路包含子模块142-146。
36.功率模块140中的子模块142-146中的每一个以类似的方式配置。图5a描绘了代表性功率模块175和示例子模块142-146的示意图。每个子模块142-146包含输入端182，该输入端包括正极端子184和公共端子186。正极端子184电耦接到ac电源110的对应相的正侧188，而公共端子186电耦接到其它子模块的相应公共端子186。每个子模块142-146包含两
个开关(例如，s1和s2)，它们协作以执行线路信号的高频切换(调制)。在实施例中，开关s1和s2协作以执行不连续调制，并且具体而言，将子模块142-146的活动持续时间限制为线路周期的2/3，从而降低传导和切换损耗并因此提高效率。
37.图5b描绘了功率模块175的替代实施例的示意图，并且具体而言，其中子模块142-146中的每一个被配置为如图所示的子模块180(例如，子模块142-146中的一个)的实施例的示意图。子模块180包含输入端182，该输入端包括正极端子184和公共端子186。正极端子184电耦接到ac电源110的对应相的正侧188，而公共端子186电耦接到三相ac电源110的公共节点190。子模块180包含执行线路信号的高频切换(调制)的软切换模块200。在实施例中，软切换模块200执行不连续调制，并且具体而言，将软切换模块200的有效持续时间限制为线路周期的2/3，从而降低传导和开关损耗并因此提高效率。在一些实施例中，软切换模块200被实施为sic jfet级联电路。在一些实施例中，软切换模块22被实施为sic mosfet电路。
38.在实施例中，如图5a和5b所示，子模块142-146和180各自包含耦接在三相源的对应相的正极端子184和公共节点190之间的电容器c1以及耦接在电池或负载103的正极端子196之间的电容器c1。电容器c3串联耦接在两个电感器l1和l2之间。电感器l1在一个端子处耦接到电容器c3的第一端子，并且在另一端子处耦接到电容器c1和正极端子184。电感器l2在一个端子处耦接到电容器c3的第二端子，并且在另一端子处耦接到电容器c2以及电池或负载103的正极端子196。因此，电感器l1和l2与电容器c3串联。开关s1在第一端子处耦接到电感器l1和电容器c3，并且在第二端子处耦接到公共节点190，如图5a和5b所示。开关s2在第一端子处耦接到电感器l2和电容器c3，并且在第二端子处耦接到公共节点190，如图5a和5b所示。
39.简要转向图6a和6b，三个模块中的每一个(即，每个模块一个相)输出的信号显示为它们得自不连续调制方案(图6a)和得自现有技术连续调制方案(图6b)。在图6a中，很明显，每一相在相应线路周期的三分之一内没有形成输出信号，这是由于三个子模块中的一个在任何给定时间不执行高频切换的不连续切换。相比之下，在图6b中，很明显，每一相几乎在整个线路周期内均会形成输出信号，预计暂时处于其最小值，因为高频切换是连续发生的。
40.类似地，简要地转向图7a和7b，这些图描绘了分别由不连续和连续调制方案形成的每模块功率输出信号。在图7a中，三个模块中的每一个的功率输出在相应线路周期的三分之一期间为空。在每个相周期的任何给定点，其中一个模块没有功率流过它，从而降低了循环功率。如图7a所示，在周期的第一部分191(即，六分之一)期间，子模块146中不存在功率流，并且子模块142和144两者中均存在正向功率流；在周期的第二部分193(即十二分之一)期间，子模块146中不存在功率流，子模块144中存在一些反向功率流，并且子模块中存在正向功率流模块142；在周期的第三部分195(即，十二分之一)期间，子模块144中不存在功率流，子模块146中存在反向功率流，并且子模块中存在正向功率流142；在周期的第四部分197(即，六分之一)期间，子模块144中不存在功率流，并且子模块142和146两者中均存在正向功率流。如应理解的，在整个三相周期的剩余部分中，类似的模式重复(在子模块142-146的不同组合中的功率流)。相比之下，在图7b中，三个模块中的每一个的功率输出在相同的三分之一线路周期的大部分时间均为负，并且仅在瞬间为零，形成在线路周期的该三分
之一期间的循环功率。在相周期中的每一个的几乎每个给定点，模块中的每一个均有一些功率流过它，从而形成显著的循环功率。如图7b所示，在周期的第一部分199(即，六分之一)期间，两个子模块中存在正向功率流且模块中的一个中存在反向功率流；在周期的第二部分203(即，六分之一)期间，一个子模块中存在正向功率流且模块中的两个中存在反向功率流；在周期的第三部分205(即，六分之一)期间，两个子模块中存在正向功率流且模块中的一个中存在反向功率流；等等。现有技术系统中的循环功率表现出显著的低效率。
41.现在回到图5a和5b，在实施例中，子模块180中的每一个包含一个或多个电感器192、194以降低电流纹波，进而降低功率总谐波失真功率。电感器192可耦接在输入端182的正极端子184和软切换模块之间，而电感器194可耦接在输出端198的正极端子196之间。
42.在实施例中，电感器192、194被构造为集成磁阵列，使得每个电感器穿透其一个或多个相邻者的芯，如图8a和8b所示。图8a和8b描绘了集成磁阵列201，其中八个电感器202-216中的每一个均在第一取向(图8a)和第二取向(图8b)上围绕集成磁阵列的长度轴旋转90度，穿透其一个或多个相邻电感器的芯。从图8a和8b中可看出，电感器202-216中的每一个均穿过其一个或多个相邻电感器的芯，致使电感器202-216中的至少一些没有气隙。在阵列201中，例如，消除了不在阵列201末端处的电感器中的每一个中的气隙。也就是说，电感器204、206、208、210、212和214中没有气隙。
43.在替代实施例中，集成磁阵列可能不是由如图8a和8b中的阵列201的布置形成的，其中每个电感器的芯穿过其相邻者的芯，但可依赖于如图9a-9e所示的新型磁芯设计220。图9a和9b分别示出了新型芯设计220和新型芯设计220的部分剖视图。参考图9a和9b，新型芯设计220包含中央芯222和外芯224。在实施例中，中心芯222是如图9c中的三个等距视图中描绘的中空长方体(即，矩形棱柱)结构。中央芯222具有从顶面228延伸到底面230的空隙226。空隙226由具有一定厚度的壁232限定，壁232的外表面限定中央芯222的前部234、后部236和侧表面238、240，如图9c所示。
44.外芯224类似地是如图9d中的三个等距视图中描绘的长方体结构。外芯224具有从外芯224的前表面244延伸到外芯224的后表面246的两个空隙242。两个空隙242协作以限定从外芯224的顶表面250延伸到外芯224的底表面252的中心柱248，以及由空隙242和外芯224的侧面258和260定义的两个外柱254和256。
45.内芯222和外芯224被配置和定大小使得内芯222的空隙226适合围绕外芯224的中心柱248，并且使得内芯222的侧面238和240穿过外芯224的空隙242，并且使得围绕外芯224的外柱254和256以及围绕内芯224的外表面234、236、238和240有足够的空间用于绕线。在图9e中用绕组描绘了这种配置。
46.在实施例中，内芯224和外芯226由高磁导率磁性材料构成，并且具体而言，可由如材料、或其它高性能铁氧体的材料构成。在实施例中，制造内芯和外芯224、226的材料当施加的外部磁场超过250a/m时产生超过0.4t的通量密度，当施加的外部磁场超过500a/m时产生超过0.8t的通量密度，和/或当施加的外部磁场超过1500a/m时产生超过1.4t的通量密度。
47.上述集成磁体减小了装置中磁体的大小和重量，从而形成比其中磁体包括分立组件的模块更小、更轻的模块。附加地，集成磁性元件的使用降低了纹波电流。应理解，磁性(即电感)元件需要围绕磁芯的金属线圈。然而，随着频率的增加，芯和电阻的损耗也会增
加。随着频率的增加，需要更软的芯(高磁导率)磁性材料来减轻这些损耗。然而，随着芯变软，磁饱和度会增加，这会致使电感器更快地失去其电感属性。减轻这种饱和的一种方法是使用气隙。然而，气隙增加了磁体的大小。通过集成磁体——将多个电感器耦接到同一磁芯——可采用更软的芯材，同时仍然消除气隙，而不会降低性能。
48.在各种实施例的另一方面，功率模块140和/或模块化充电系统120包含对一个或多个电路中的保护装置的协调控制。图10说明了这些概念，并且描绘了ac侧保护件(在连接到ac电源110和子模块142-146之间的保护件)、dc侧保护件(在子模块142-146和电池130之间的保护件)，以及功率模块保护件(保护功率模块140和子模块142-146内的电路并提供过压保护件、欠压锁定保护件和/或过流保护件)。附加地，在控制器300中体现的协调控制层协调各种保护装置之间的控制，如下所述。
49.在一些实施例中，ac侧保护件包含ac继电器302，该ac继电器被配置为独立地用作ac电源110的每个相或所有相一起的断路器。一个或多个熔断器304-306——例如，来自ac电源110的每相/线一个熔断器——也可配置在ac电源110和功率模块140之间。在各种实施例中，一个或多个金属氧化物变阻器(mov)也可用作ac侧保护件。特别地，mov 310可在第一端子310a处耦接到ac电源110的中性点，并且在第二端子310b处耦接到ac电源110的底板接地。附加地或替代地，mov 312-316可针对每一相在第一端子312-316a处耦接到相应子模块142-146的输入，并且在第二端子312-316b处耦接到ac电源110的中性点。
50.在一些实施例中，dc侧保护件包含接地故障继电器318。接地故障继电器318可经由在功率模块140的输出端326的端子322、324之间实施的电阻分压网络320耦接。电阻分压网络320可便于检测单端故障的发生并可使接地故障继电器318相应地作出反应以减轻故障。在实施例中，dc侧保护件还可包含反向电流保护二极管327，该反向电流保护二极管在一个端子处耦接到功率模块140的输出端326的端子322，并且在第二端子处经由一个或多个组件电耦接到电池130的正极端子。熔断器328可耦接在功率模块140的输出端326的端子322和324中的每一个与电池130的相应正极端子和负极端子之间。在实施例中，一个或多个压敏电阻也可包含在dc侧保护件中。举例来说，变阻器330可耦接在功率模块140的输出端326的端子322和324之间和/或变阻器332可耦接(直接或经由一个或多个其它组件)在电池130的正极端子和功率模块140的输出端326的端子322之间。在实施例中，保护开关334也或另选地耦接(直接或经由一个或多个其它组件)在电池130的正极端子和功率模块140的输出端326的端子322之间。
51.功率模块保护件可包含过压保护件、欠压锁定保护件和过流保护件中的一种或多种。特别地，功率模块保护件可体现在驱动子模块中的每一个中的开关s1和s2的栅极驱动器中。栅极驱动器包含内置于栅极驱动器封装中的欠压锁定保护件、过压保护件和过流保护件，并且包含指示保护电路何时跳闸的输出信号。
52.故障检测控制模块300可包含各种传感器和/或从ac-、dc-和功率模块保护中的组件接收各种信号，并且可响应于感测到或接收到的信号来控制各种组件。举例来说，在实施例中，故障检测控制模块300可响应于检测到故障(例如，ac侧故障)而致动ac继电器302。类似地，故障检测控制模块300可响应于检测到故障(例如，dc侧故障)而致动保护开关334，或者可响应于检测到故障而致动接地故障继电器318。
53.图11是说明可由控制模块300和关于图10描述的各种组件实施的示例协调故障检
测和缓解策略的状态图。状态335表示模块和子模块的标称操作。状态336a-g表示可能发生的各种故障，其包含：线路-线路短路(状态336a)；线路-接地短路(状态336b)、线路-线路-接地短路(状态336c)；线路-线路-线路短路(状态336d)；过压状况(状态336e)；过流状况(状态336f)；以及p-n短路(状态336g)。状态336a-g中的每一个形成表示ac侧故障的状态(状态338)、表示dc侧故障的状态(状态340)和/或表示ubs(转换器)故障的状态(状态342))。状态338-342中的每一个形成一个或多个缓解状态。缓解状态包含关闭所有开关的状态344、打开ac继电器302的状态346、关闭快速动作开关的状态348、关闭脉宽调制信号的状态350以及在其中向当前描述的系统连接的电池管理系统发送警报的状态352。从图11的状态图中可看出，ac侧、dc侧和转换器故障形成状态344；ac侧和转换器故障形成状态346；dc侧故障形成状态348；ac侧、dc侧和转换器故障形成状态350；并且ac侧、dc侧和转换器故障形成状态352。在实施例中，在控制模块300处接收到dc侧故障、ac侧故障或转换器故障中的任一种的指示将致使控制模块300输出全局故障信号，该全局故障信号触发ac侧保护件、dc侧保护件和转换器(切换)保护件中的保护组件。
54.本文所设想和所要求保护的各种实施例解决了遇到的许多技术挑战。举例来说，使用传统mosfet会形成高切换损耗。实施了利用快速转换sic jfet模块的软切换方案，以减轻切换损耗并提高效率。传统的磁性元件(即电感器)体积庞大且需要较大的占位面积，从而致使功率密度较低。创建涵盖处理和传感装置两者的单片单元，使用更高的切换频率，结合先进的控制方案，减少了组件尺寸，并且允许优化布局，提高功率密度。集成磁体的使用还减少了占地面积，而高磁导率芯的使用在零气隙的情况下实现了更高的电感，减少了磁体的损耗和偏置水平。
55.作为解决遇到的挑战的结果，本文所设想的功率模块实现超过95％的效率，并且在实施例中超过98％；实现超过85w/in3的功率密度，并且在实施例中实现超过85w/in3的功率密度，并且在更进一步的实施例中，实现超过150w/in3的功率密度；并且实现超过3.75kw/kg的比功率，并且在实施例中超过5kw/kg。
56.图12描绘了根据本说明书的示例功率模块140的计算机辅助设计(cad)模型。功率模块140适合270mm
×
402mm
×
104mm的体积，总体积为11,288cm3(小于0.4ft3)。
57.鉴于本公开，应认识到，虽然被描述为向电池供电，但由于连续输入和输出电流两者以及对称结构，功率模块140的架构既适合电池充电应用，也适合并网逆变器。也就是说，该装置可支持双向应用，包含电网到车辆(g2v)操作和车辆到电网(v2g)操作两者。
58.附加方面
59.以下方面的列表反映了本公开明确设想的各种实施例。本领域的普通技术人员将容易理解，下面的方面既不是对本文所公开的实施例的限制，也不是对从上面的公开中可想到的所有实施例的穷举，而是意图在本质上是示例性的。
60.1.一种用于对电池充电的模块化系统，该系统包括：功率模块，其包括第一、第二和第三子模块；第一、第二和第三子模块中的每一个：(i)被配置为接收三相交流电(ac)信号的相应第一、第二或第三相；(ii)包括相应的半导体装置，其被配置为通过将接收到的三相ac信号的相应第一、第二或第三相的活动持续时间限制在线路周期的相应第一、第二或第三部分，来不连续地调制接收到的三相ac信号的相应第一、第二或第三相，并且将接收到的三相ac信号的相应第一、第二或第三相转换为直流电(dc)；以及(iii)将dc提供给电池以
对电池充电。
61.2.根据方面1所述的系统，其中相应线路周期的第一、第二和第三部分中的每一个包括相应线路周期的三分之二。
62.3.根据方面1或方面2所述的系统，其进一步包括电流传感器，该电流传感器被配置为对流入和流出电池的电流求和；其中功率模块进一步被配置为，如果流入和流出电池的电流之和高于预设值，则停止向电池提供dc。
63.4.根据方面1至3中任一项所述的系统，其进一步包括反向电流保护二极管，该反向电流保护二极管被配置为：(i)允许电流从功率模块流向电池，以及(ii)防止电流从电池流向功率模块。
64.5.根据方面1至4中任一项所述的系统，其进一步包括保护开关：(i)在功率模块与电池之间，以及(ii)被配置为连接和断开功率模块和电池。
65.6.根据方面1至5中任一项所述的系统，其中第一、第二子或第三子模块均不包含对ac信号的相应第一、第二或第三相的电压进行变换的变压器。
66.7.根据方面1至6中任一项所述的系统，其中第一、第二和第三子模块中的每一个：包括具有输入端的相应初级侧电感器，该输入端被配置为接收ac信号的相应第一、第二或第三相的电流；被配置为将来自相应初级侧电感器的输出端的电流穿过相应电容器传递到相应次级侧电感器的输入端；并且提供来自相应次级侧电感器的输出端的电流作为dc的一部分以对电池充电。
67.8.根据方面1至7中任一项所述的系统，其中第一、第二和第三子模块中的每一个包括由高磁导率材料制成的电感器。
68.9.根据方面1至8中任一项所述的系统，其中第一、第二和第三子模块中的每一个包括由金属玻璃制成的电感器。
69.10.根据方面1至9中任一项所述的系统，其中第一、第二和第三子模块中的每一个包括电感器，该电感器的芯中没有气隙。
70.11.根据方面1至9中任一项所述的系统，其中第一、第二和第三子模块中的每一个包括具有实芯的电感器。
71.12.根据方面1至11中任一项所述的系统，其中第一、第二和第三子模块中的每一个包括具有环形芯的电感器。
72.13.根据方面1至12中任一项所述的系统，其中：第一、第二和第三子模块中的每一个包括相应初级侧电感器和相应初级侧电容器，其中第一、第二和第三子模块中的每一个被配置为通过相应的初级侧电感器和相应的初级侧电容器两者接收三相ac信号的相应的第一、第二或第三相；相应半导体装置是与相应初级侧电感器和相应中间电容器的第一侧耦接的第一相应半导体装置；并且第一、第二和第三子模块中的每一个进一步包括：(i)与相应中间电容器的第二端和相应次级侧电感器耦接的第二相应半导体装置，以及(ii)与次级侧电感器耦接的相应次级侧电容器。
73.14.根据方面1至13中任一项所述的系统，其中：第一子模块被配置为通过对第一子模块的半导体装置执行高频切换来不连续地调制所接收的三相ac信号的第一相；第二子模块被配置为通过对第二子模块的半导体装置执行高频切换来不连续地调制所接收的三相ac信号的第二相；第三子模块被配置为通过对第三子模块的半导体装置执行低频切换来
不连续地调制所接收的三相ac信号的第三相。
74.15.一种对电池充电的方法，该方法包括：在功率模块处接收三相交流电(ac)信号；对于三相ac信号的每一相，将ubs中的相应半导体装置的有效持续时间功率限制为线路周期的相应第一、第二和第三部分，以不连续地调制接收到的ac信号并将接收到的ac信号转换为直流电(dc)；并且提供dc以对电池充电。
75.16.根据方面15所述的方法，其中接收三相ac信号包括在功率模块的相应第一、第二或第三子模块处接收三相ac信号的每一相。
76.17.根据方面15或16所述的方法，其中所述线路周期的第一部分、第二部分和第三部分中的每一个包括线路周期的三分之二。
77.18.根据方面15至17中任一项所述的方法，其进一步包括：使用电流传感器对流入和流出电池的电流求和；确定流入和流出电池的电流之和是否高于预设值；以及响应于确定流入和流出电池的电流之和高于预设值，停止向电池供应dc。
78.19.根据方面15至18中任一项所述的方法，其进一步包括：允许电流通过反向电流保护二极管从功率模块流向电池；以及防止电流通过反向保护二极管从电池流向功率模块。
79.20.根据方面15至19中任一项所述的方法，其进一步包括使用连接在功率模块与电池之间的保护开关来防止电流响应于过电流情况流向电池。
80.21.根据方面16至20中任一项所述的方法，其中第一子模块、第二子模块或第三子模块均不包含对ac信号的相应第一、第二或第三相的电压进行变换的变压器。
81.22.根据方面16至21中任一项所述的方法，其中：接收三相ac信号包括用第一、第二和第三子模块中的每一个的相应初级侧电感器的相应输入来接收ac信号的相应第一、第二和第三相的电流；该方法进一步包括将电流从相应初级侧电感器的相应输出端穿过相应电容器传递到相应次级侧电感器的相应输入端；以及提供dc以对电池充电包括从相应次级侧电感器的各个输出端向电池提供电流。
82.23.根据方面16至22中任一项所述的方法，其中第一、第二和第三子模块中的每一个包括由高磁导率材料制成的电感器。
83.24.根据方面16至22中任一项所述的方法，其中第一、第二和第三子模块中的每一个包括由金属玻璃制成的电感器。
84.25.根据方面16至24中任一项所述的方法，其中第一、第二和第三子模块中的每一个包括电感器，该电感器的芯中没有气隙。
85.26.根据方面16至24中任一项所述的方法，其中第一、第二和第三子模块中的每一个包括具有实心芯的电感器。
86.27.根据方面16至24中任一项所述的方法，其中第一、第二和第三子模块中的每一个包括具有环形芯的电感器。
87.28.根据方面16至27中任一项所述的方法，其中：第一、第二和第三子模块中的每一个包括相应初级侧电感器和相应初级侧电容器，其中接收ac信号的相应相包括使用相应初级侧电感器和相应初级侧电容器两者接收ac信号的相应相；相应半导体装置是第一、第二和第三子模块中的每一个的第一相应半导体装置，并且其中第一相应半导体装置与相应初级侧电感器和相应中间电容器的第一侧耦接；并且第一、第二和第三子模块中的每一个
进一步包括：(i)与相应中间电容器的第二端和相应次级侧电感器耦接的第二相应半导体装置，以及(ii)与相应次级侧电感器耦接的相应次级侧电容器。
88.29.根据方面15至28中任一项所述的方法，其中：三相ac信号的第一相的不连续调制包括第一半导体装置的高频切换；三相ac信号的第二相的不连续调制包括第二半导体装置的高频切换；并且三相ac信号的第三相的不连续调制包括第三半导体装置的低频切换。
89.30.根据方面15至29中任一项所述的方法，其中功率模块是第一功率模块，并且所述方法进一步包括：在第二功率模块处接收三相ac信号；对于三相ac信号的每一相，将第二功率模块中的相应半导体装置的有效持续时间功率限制为线路周期的相应第一、第二和第三部分，以不连续地调制接收到的ac信号并将接收的ac转换为直流电(dc)；并且提供dc以对电池充电。
90.31.一种功率模块，包括：输入端，其被配置为从三相交流电(ac)电源接收ac；第一子模块，其被配置为接收由ac电源提供的ac信号的第一相，并且调制ac信号的第一相以提供第一输出信号；第二子模块，其被配置为接收由ac电源提供的ac信号的第二相，并且调制ac信号的第二相以提供第二输出信号；第三子模块，其被配置为接收由ac电源提供的ac信号的第三相，并且调制ac信号的第三相以提供第三输出信号；以及输出端，其被配置为将组合的第一、第二和第三输出信号作为直流电(dc)输出递送到电池，其中第一、第二和第三子模块被配置为差模转换器。
91.32.根据方面31所述的功率模块，其中第一、第二和第三子模块协作以执行ac信号到dc信号的单级转换。
92.33.根据方面31或方面32的任一方面所述的功率模块，其中第一、第二和第三子模块协作以在不使用变压器的情况下将ac信号转换为dc信号。
93.34.根据方面31至33中任一项所述的功率模块，其中第一、第二和第三子模块中的每一个包括调制ac信号的相应相的半导体切换装置。
94.35.根据方面35所述的功率模块，其中半导体切换装置是sic结型栅场效应晶体管(jfet)级联装置。
95.36.根据方面31至35中任一项所述的功率模块，其中第一、第二和第三子模块中的每一个被配置为使用不连续调制方案来调制ac信号的相应相。
96.36a.根据方面31至36中任一项所述的功率模块，其中第一、第二和第三子模块中的每一个被配置为调制ac信号的相应相，使得仅在相应线路周期的2/3期间执行高频切换。
97.37.根据方面31至36a中任一项所述的功率模块，其中线路电感被集成到第一、第二和第三子模块中的每一个中。
98.38.根据方面37的功率模块，其中线路电感包括无气隙集成磁阵列。
99.39.根据方面37所述的功率模块，其中集成磁阵列包括多个分立电感器，每个电感器均穿透其一个或多个相邻者的芯。
100.40.根据方面38或方面39所述的功率模块，其中集成磁阵列包括多个分立电感器，该多个分立电感器以致使消除分立电感器的芯中的任何气隙的方式耦接。
101.41.根据方面37至40中任一项所述的功率模块，其中线路电感包括具有高磁导率芯材的一个或多个电感器。
102.42.根据方面41所述的功率模块，其中当施加的外部磁场超过250a/m时，高磁导率
芯材产生超过0.4t的通量密度。
103.43.根据方面41所述的功率模块，其中当施加的外部磁场超过500a/m时，高磁导率芯材产生超过0.8t的通量密度。
104.44.根据方面41所述的功率模块，其中当施加的外部磁场超过1500a/m时，高磁导率芯材产生超过1.4t的通量密度。
105.45.根据方面31至44中任一项所述的功率模块，其进一步包括故障响应电路系统，该故障响应电路系统被配置为协调ac侧保护件、dc侧保护件和执行该调制的切换组件的保护件的故障控制响应。
106.45a.根据方面45所述的功率模块，其中故障响应电路系统包括：第一保护组件，其被配置为监测切换组件，当检测到过压、欠压和/或过流状况时或当检测到全局故障信号时使切换组件停止操作，并且当检测到过压、欠压和/或过流状况中的任一种时输出第一故障信号；第二保护组件，其被配置为监测ac电源与第一、第二和第三子模块的切换组件之间的功率模块的ac侧，当检测到ac侧故障时或当检测到全局故障信号时使一个或多个ac侧保护组件启动，并且当检测到ac侧故障时输出第二故障信号；第三保护组件，其被配置为监测第一、第二和第三子模块与电池之间的功率模块的dc侧，当检测到dc侧故障时或当检测到全局故障信号时使一个或多个dc侧保护组件启动，并且当检测到dc侧故障时输出第三故障信号；协调电路系统，其被配置为接收第一、第二和第三故障信号，并且当检测到第一、第二或第三故障信号中的任一种时输出全局故障信号。
107.46.根据方面45或方面45a所述的功率模块，其中ac侧保护件针对三相ac电源的每一相包括被配置为断路器的ac继电器。
108.47.根据方面45、45a或46所述的功率模块，其中ac侧保护件针对三相ac电源的每一相包括熔断器。
109.48.根据方面45至47中任一项所述的功率模块，其中ac侧保护件针对三相ac电源的每一相包括金属氧化物变阻器，所述金属氧化物变阻器在第一端子处耦接到该相的相应线路电压，并且在第二端子处耦接到ac电源的底板接地。
110.49.根据方面45至48中任一项所述的功率模块，其中dc侧保护件包括接地故障继电器。
111.50.根据方面45至49中任一项所述的功率模块，其中dc侧保护件包括反向电流保护二极管。
112.51.根据方面45至50中任一项所述的功率模块，其中dc侧保护件包括耦接到dc输出端的第一端子和dc输出端的第二端子的金属氧化物变阻器。
113.52.根据方面45至51中任一项所述的功率模块，其中转换系统保护件包括过压保护件。
114.53.根据方面45至52中任一项所述的功率模块，其中转换系统保护件包括欠压锁定保护件。
115.54.根据方面45至53中任一项所述的功率模块，其中转换系统保护件包括过流保护件。
116.55.根据方面31至54中任一项所述的功率模块，其中功率模块的效率超过95％，特别是超过98％。
117.56.根据方面31至55中任一项所述的功率模块，其中功率模块的功率密度超过87w/in3，特别是超过100w/in3，更特定地超过150w/in3。
118.57.根据方面31至56中任一项所述的功率模块，其中功率模块的比功率超过3.75kw/kg，特别是超过5kw/kg。