CN103427637B - 功率转换电路 - Google Patents

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Abstract

一种功率转换电路，包括被构造为接收输入电压和输入电流的输入端子，以及被构造为提供输出电压和输出电流的输出端子。升压转换级耦接在输入端子和输出端子之间。功率转换电路适于根据输出电压以第一操作模式、第二操作模式和第三操作模式中的一个操作。第一、第二和第三操作模式彼此不同，在第一、第二和第三操作模式中的每个操作模式下，输入电流根据输入电压来控制。

Description

功率转换电路
技术领域
本发明的实施方式涉及功率转换电路，特别是用于对电池充电的功率转换电路。
背景技术
在诸如便携电子装置或电动车辆的移动应用中广泛使用可充电电池。特别地，随着电驱动的车辆的重要性不断增加，对那些车辆的电池有效地再充电变得越来越重要。
发明内容
第一实施方式涉及一种功率转换电路，其包括：输入端子，用于接收输入电压和输入电流；输出端子，用于提供输出电压和输出电流；以及耦接在输入端子和输出端子之间的升压转换级。功率转换电路适于根据输出电压以第一操作模式、第二操作模式和第三操作模式中的一个操作。第一、第二和第三操作模式彼此不同，在第一、第二和第三操作模式中的每个操作模式下，输入电流根据输入电压来控制。
第二实施方式涉及一种用于操作功率转换电路的方法，功率转换电路包括：输入端子，用于接收输入电压和输入电流；输出端子，用于提供输出电压和输出电流；以及耦接在输入端子和输出端子之间的升压转换级。该方法包括，根据输出电压，以第一操作模式、第二操作模式和第三操作模式中的一个操作功率转换电路。第一、第二和第三操作模式彼此不同，在第一、第二和第三操作模式中的每个操作模式下，根据输入电压来控制输入电流。
第三实施方式涉及一种电路。该电路包括功率转换电路，其具有：输入端子，用于接收输入电压和输入电流；输出端子，用于提供输出电压和输出电流；以及耦接在输入端子和输出端子之间的升压转换级。该电路进一步包括耦接至功率转换电路的输出端子的可充电电池。功率转换电路适于根据输出电压以第一操作模式、第二操作模式和第三操作模式中的一个进行操作。第一、第二和第三操作模式彼此不同，在第一、第二和第三操作模式中的每个操作模式下，输入电流根据输入电压来控制。
附图说明
现在将参照附图说明实例。附图用来说明基本原理，使得仅示出理解基本原理所必需的方面。附图不是成比例的。在图中，相同的参考字符表示相似的特征。
图1示意性地示出了功率转换电路的第一实施方式，其包括具有半导体开关的升压转换级，并包括用于控制升压转换级的控制电路；
图2A和图2B示出了半导体开关的不同实施方式；
图3示出了用作具有多个电池单元的可充电电池的负载的一个实施方式；
图4示出了根据第一实施方式的功率转换电路的工作原理；
图5示出了根据第二实施方式的功率转换电路的工作原理；
图6示出了控制电路的第一实施方式；
图7示出了控制电路的第二实施方式；
图8示出了控制电路的基本工作原理；
图9示出了控制电路中的一个控制器的一个实施方式；
图10示出了功率转换电路的另一实施方式，其包括具有半导体开关的升压转换级，并包括用于控制升压转换级的控制电路。
具体实施方式
在以下详细描述中，参照了形成详细描述的一部分的附图，并且，在图中示出了可实践本发明的示例性具体实施方式。
本发明的实施方式涉及功率转换电路，特别是用于对电池充电的功率转换电路。用于对电池充电的传统功率转换电路（电池充电器）包括两个级，即，由AC栅极电压产生DC电压的第一级，和由DC电压对电池产生限定充电电流的第二级。这两级的每个级都可包括开关转换器，每个开关转换器包括至少一个半导体开关，其以几千赫兹（kHz）或者更大的频率循环地接通和断开，以控制第一级中的DC电压和第二级中的输出电流。驱动半导体以高开关频率开关，然而，导致开关损耗，其中，当开关频率增加时，这些损耗通常增加。
图1示出了功率转换电路的第一实施方式，特别是用于对可充电电池提供功率的功率转换电路的第一实施方式。与用于对电池充电的传统功率转换电路不同，根据本实施方式的功率转换电路是单级功率转换电路，其仅包括具有适于对电池充电的输出特性和取决于以下说明的特殊调节方案的输入特性的一个转换级。
参考图1，功率转换电路包括：输入端子11，12，用于接收输入电压V输入和输入电流I输入；输出端子13，14，用于使负载4与其耦接，并向负载4提供输出电压V输出和输出电流I输出。功率转换电路进一步包括耦接在输入端子11，12和输出端子13，14之间的升压转换级2。升压转换级2包括至少一个半导体开关21，被构造为接收驱动信号S21，特别是PWM（脉冲宽度调制的）驱动信号。
参考图1，转换级2可具有传统的升压转换拓扑。在图1的实施方式中，升压转换级2包括具有电感存储元件22（例如，扼流圈）和半导体开关21的串联电路，并包括整流器元件23（例如，二极管）。具有电感存储元件22和半导体开关21的串联电路耦接在输入端子11，12之间，电感存储元件22和半导体开关21的公共电路节点通过二极管23耦接至第一输出端子13。具有半导体开关21和整流器元件23的串联电路耦接在输出端子13，14之间。
可选地，电感存储元件24耦接在输出端子13，14之间。
参考图2A和图2B，可将半导体开关21实施为传统的半导体开关，例如，MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）（见图2A），或IGBT（绝缘栅双极晶体管）（见图2B）。参考图1，半导体开关21具有：用于接收驱动信号S21的控制电路，以及与电感存储元件22串联的负载路径。在图2A的MOSFET中，栅极端子G形成控制端子，漏极-源极-路径D-S形成负载路径。在图2B的IGBT中，栅极端子G形成控制端子，集电极-发射极路径C-E形成负载路径。
输入电压V输入是交流电压，例如，通过整流器从正弦功率栅极电压V栅极获得的交流电压。参考图1，整流器可以是桥式整流器10。功率转换电路被构造为根据输入电压V输入控制输入电流I输入，使得在输入电压V输 入和输入电流I输入之间具有预定相差，例如零。然而，还可能有这样的操作情况，其中，希望具有非零相差。
功率转换电路进一步被构造为，产生满足可充电电池需求的输出电压V输出和输出电流I输出。参考图3，可充电电池4可包括多个串联连接的电池单元。可充电电池可以是锂离子电池，或任何其他类型的可充电电池。
为了满足可充电电池的需求和/或满足提供输入电压的功率栅极的需求，升压转换级适于根据输出电压以三种不同操作模式中的一种操作。在这些操作模式中的每个中，根据输入电压来控制输入电流，并控制至少一个额外的参数，其中，所控制的参数或控制该参数的方式在三个不同的操作模式的每个中都是不同的。
参考图1，功率转换电路进一步包括控制电路3，其被构造为产生PWM驱动信号S21。控制电路3控制功率转换电路的操作，并被构造为，根据输出电压V输出以三个不同的操作模式操作功率转换电路。输出电压V输出表示可充电电池4的充电状态，使得功率转换电路根据可充电电池4的充电状态以三个不同的操作模式中的一个来操作。这些操作模式参考以下在图4和图5中示出的实施方式来说明。由于控制电路3控制功率转换电路的操作，所以操作模式在下面也将叫做控制模式。
在这三个控制模式中的每个操作模式下，控制输出电流I输出的平均值、输入电流I输入的平均值以及输出电压V输出中的至少一个。此外，在这三个控制模式中的每个操作模式下，根据输入电压V输入来控制输入电流I输入，使得输入电流I输入和输入电压V输入之间具有预定相差。
控制电路3接收表示输入电压的输入电压信号SV输入、表示输入电流I输入的输入电流信号SI输入，以及表示输出电压V输出的至少一个输出电压信号SV输出。
例如，当输入电压V输入是整流的正弦栅极电压时，以及当控制输入电流I输入与输入电压V输入同相时，输入电流I输入是AC电流（具有与整流的正弦信号的波形相应的电流波形），频率是栅极电压的频率的两倍。当栅极电压V栅极的频率分别是50Hz或60Hz时，AC输入电流I输入的频率是100Hz或120Hz。由于输入电流I输入以栅极电压V栅极的频率的两倍的频率变化的原因，具有相应的输出电流I输出的变化。由于输入电流I输入变化的原因，具有相应的输出电流I输出的变化。假设可将可充电电池4的充电状态（以及由此输出电压V输出）认为是在输入电流I输入的几个循环内是恒定的，那么输出电流I输出具有与正弦方波信号相应的波形。在下面，平均输入电流是输入电流I输入的一个循环内的输入电流I输入的平均值，平均输出电流是输出电流I输出的一个循环内的交流输出电流I输出的平均值。
下面参考图4和图5说明功率转换电路的工作原理。图4和图5示出了功率转换电路的平均电流I平均的期望值（设定值），其分别取决于输出电压V输出或可充电电池4的充电状态。平均电流I平均是功率转换电路的平均输入电流或平均输出电流。
参考图4，功率转换电路被构造为，根据输出电压V输出采用三个不同操作模式中的一个。功率转换电路的操作模式由控制电路3管理，控制电路3以在各个操作模式下以不同的方式控制功率转换电路。操作模式在下面也将叫做控制模式。当输出电压V输出处于第一电压V1和第二电压V2之间的第一电压范围中时，功率转换电路处于第一控制模式。根据一个实施方式，第一电压V1是功率转换电路的最小输出电压V输出最小。此最小输出电压比输入电压V输入的最大可能峰值电压高。在第一控制模式下，控制电路3产生驱动信号S21，使得平均电流I平均遵循第一电流特性。平均电流I平均的“电流特性”描述平均电流I平均对输出电压V输出的依赖性。根据一个实施方式，平均电流I平均被控制为使得其在第一电压范围[V1,V2]中基本上恒定。在图4中，第一电压范围中的期望平均输出电流I平均称为I最大。
在图4中，示出了取决于输出电压V输出的平均电流I平均的期望值（设定值）。当然，平均输出电流I平均的瞬时值在功率转换电路的操作中可能变化。
根据另一实施方式，控制输入电流I输入的最大值在第一电压范围[V1,V2]内恒定。
控制平均电流I平均，以当输出电压V输出处于第二电压范围中时，具有第二电流特性，第二电压范围包括第二电压V2和第三电压V3之间的电压。在第二电压范围中，平均电流I平均被控制为使得，当输出电压V输 出增加时，平均电流I平均减小。参考图4，当输出电压V输出增加时，平均电流I平均可连续减小。根据一个实施方式，平均电流I平均被控制为使得电压转换电路的输入功率或输出功率恒定。用平均输入电压V输入和平均输入电流I输入的乘积给出平均输入功率，并用平均输出电流和输出电压V输出的乘积给出平均输出功率。
当输出电压V输出高于第二电压范围时，功率转换电路进入第三控制模式，在该控制模式下，控制输出电压V输出。根据一个实施方式，控制输出电压V输出基本上恒定。参考图1，可充电电池4可用并联电路表示，该并联电路包括：具有电容器和第一电阻器的串联电路，以及与该串联电路并联连接的第二电阻器。通常，第二电阻器比第一电阻器大得多，并对电容器形成放电路径。当输出电压V输出被控制为恒定时，仍对电池4提供输出电流I输出，其对电池充电。为了将输出电压V输出保持为恒定，输出电流I输出减小，以减小与电容器串联的第一电阻器上的电压降。根据一个实施方式，控制电路3监测输出电流I输出或输入电流I输入，并且，当所监测的电流的平均值已经降至预定电流阈值之下时，停止功率转换电路的操作。停止操作可包括持久地断开半导体开关21。
不应使可充电电池（例如，锂离子电池）放电，使得电池两端的电压降至低于最小电压。根据一个实施方式，第一电压V1或最小输出电压V输出最小由电池的最小电压限定。例如，当电池包括N个电池单元时，最小电压V输出最小由电池单元的数量和每个电池单元的最小电压V最小的乘积N·V最 小给出。等价地，每个可充电电池具有最大电压，其中，不应对电池充电，使得电压增加超过最大电压。根据一个实施方式，第三电压V3相当于可充电电池的最大电压V输出最大。当可充电电池包括N个串联连接的电池单元时，最大电压V输出最大由乘积N·V最大限定，其中，V最大是各个电池单元的最大电压。
图5示出了根据另一实施方式的功率转换电路的工作原理。在图5的实施方式中，当输出电压V输出在第二电压范围[V2,V3]中增加时，平均电流I平均不连续减小，但是逐渐减小。第二电压范围被细分成三个子范围，其中，对各个子范围给出平均电流IAVG的不同设定值。在第二电压V2和第一中间电压V21之间的第一子范围中，平均电流I平均的设定值是I21，其比第一电压范围[V1,V2]中的电流小。在第一中间电压V21和第二中间电压V22之间的第二子范围中，平均电流I平均的设定值是I22，其比I21小，即，I22＜I21。在第二中间电压V22和第三电压V3之间的第三子范围中，平均电流I平均的设定值是I23，其中I23＜I22＜I21。将第二电压范围细分成三个子范围，如图5所示，仅是一个实例。还可以将第二电压范围仅细分成两个子范围或细分成多于三个子范围。各个子范围的大小（其等于每个子范围的上电压和下电压之间的差）可以相等。然而，还可对各个子范围选择不同的大小。此外，分配给一个子范围的设定值和分配给相邻子范围的设定值之间的差，例如I22和I21之间或I23和I22之间的差，可相等。然而，还可选择设定值I21，I22，I23，使得分配给相邻子范围的设定值之间的差不同。
图6示出了示出控制电路3的基本控制方案的结构图。控制电路3包括脉冲宽度调制器34，其以由在调制器34的输入处接收的占空比（dutycycle，工作循环）信号SDC限定的占空比产生PWM驱动信号S21。控制电路3进一步包括第一控制器31，其接收输入电流信号SI输入和输入电压信号SV输入，并基于这些信号产生第一占空比信号SDC1。第一占空比信号SDC1由第一控制器31产生，使得占空比SDC1在AC输入电压V输入的一个周期（循环）内变化，使得输入电流I输入和输入电压V输入之间具有预定相差，例如零。
参考图6，控制电路3包括第二控制器30，其接收输入电流信号SI输 入和输入电压信号SV输入，并接收至少输出电压信号SV输出。第二控制器30提供控制信号SC1，其通过乘法器33而与第一控制器31的第一占空比信号SDC1相乘。乘法器33的输出信号是由调制器34接收的占空比信号SDC。
虽然第一占空比信号SDC1可在输入电压V输入的一个周期内变化，但是，第二控制器30被构造为使得控制信号SC1变化得比第一占空比信号SDC1慢，使得，可认为第一控制信号SC1在输入电压V输入的一个周期内是几乎恒定的。由第二控制器30提供的控制信号SC1通常增加或减小占空比信号SDC。第一占空比信号SDC1用来控制输入电流I输入，使得在输入电流I输入和输入电压V输入之间具有期望相差，而控制信号SC1用来控制各个控制模式下的功率转换电路的期望参数。因此，控制信号SC1用来控制第一和第二控制模式下的平均电流I平均，其可以是平均输入电流或平均输出电流，并用来控制第三控制模式下的输出电压V输出。可选地，第二控制器30还接收输出电流信号S输出。
图6的控制电路3包括两个控制回路，即，具有控制输入电流I输入的第一控制器31的第一控制回路，和具有控制功率转换电路的各个控制模式下的平均电流I平均或输出电压V输出的第二控制器30的第二控制回路。第一控制回路（也可称作内控制回路）通常比第二控制回路（也可称作外控制回路）快。
可以许多不同的方式执行图6的控制电路3。图6的结构图用来说明控制电路3的基本工作原理。然而，也可并不严格地按图6所示地分离控制电路3的各个电路图。
图7示出了控制电路3的一个实施方式，其具有与参考图6的结构图说明的相同功能。图7的控制电路3包括参考图6说明的第二控制器30，其提供控制信号SC1。乘法器37将控制信号SC1与输入电压信号SV输入’相乘，以提供基准信号S基准。比较器35在第一输入接收基准信号S基准，并在第二输入接收输入电流信号S输入。在图7的实施方式中，第一比较器输入是非倒相输入，而第二比较器输入是倒相输入。控制电路3进一步包括触发电路（在本实施方式中，是SR触发电路）。触发电路具有：从振荡器36接收时钟信号SCLK的设定输入S，以及接收比较器35的输出信号的复位输入R。驱动信号S21可在触发电路34的输出Q（在本实施方式中的非倒相输出）处获得。
下面参考图8说明了图7的控制电路3的工作原理。图8示意性地示出了驱动信号S21的输入电流信号SI输入以及时钟信号S时钟的时序图。为了说明的目的，假设，当设置触发电路34时，驱动信号S21采用接通半导体开关21（见图1）的接通电平，并假设，当重置触发电路34时，驱动信号S21采用断开半导体开关21的断开电平。在本实施方式中，驱动信号S21的接通电平是高电平，而断开电平是低电平。
参考图7和图8，每当将触发电路34设置为通过时钟信号S时钟时，即，当驱动信号S21采用接通电平且接通半导体开关21（见图1）时，输入电流I输入以及由此输入电流信号SI输入开始增加。当输入电流SI输入达到基准信号S基准时，重置触发电路34。参考图7，基准信号S基准取决于输入电压信号SV输入，其可能是AC信号或整流的AC信号，并进一步取决于控制信号SC1。当控制信号SC1增加时，基准信号S基准增加，这导致驱动信号S21的占空比的一般增加。当控制信号SC1减小时，基准信号S基准减小，这导致占空比的一般减小。
或者，驱动信号S21可产生为使得在每个开关周期内使电开关21接通固定的时间周期，其中，接通开关21的频率可变化。当要减小瞬时输入功率或瞬时输出功率时，频率减小，并且，当要增加瞬时输入功率或瞬时输出功率时，频率增加。
根据一个实施方式，控制电路3包括信号发生器38，其接收输入电压信号SV输入并由输入电压信号SV输入提供修改的输入电压信号SV输入’。根据一个实施方式，信号发生器38简单地放大电压信号SV输入。根据另一实施方式，信号发生器38引入相移。通过由信号发生器38引入的相移，可调节输入电流I输入和输入电压V输入之间的相移。
可选地，时钟信号S时钟的频率取决于控制信号SC1和输出电压中的至少一个。根据一个实施方式，当输出电压增加时，时钟信号S时钟的频率增加。在图6和图7的实施方式中，控制电路3可选地产生分别由调制器34和振荡器36接收的频率信号Sf，并且，其被构造为调节时钟信号S时钟的频率。增加时钟信号S时钟的频率相当于增加PWM驱动信号S21的频率，并可帮助减小输入电流I输入和输出电流I输出的波动。驱动信号的占空比由时钟信号S时钟的接通周期和循环周期之间的比限定，其中，接通周期是在一个循环周期中接通开关元件21的持续时间。
图9示出了第二控制器30的一个实施方式。此控制器包括三个独立的控制单元5，6和7，即，三个控制模式中每个一个控制单元。每个控制单元5，6，7提供由选择单元8接收的一个控制信号S5，S6，S7。选择单元8将控制信号S5，S6，S7中的一个发送至可获得控制信号SC1的输出。
每个控制单元5，6，7包括：提供误差信号的误差放大器51，61，71，以及从误差放大器51，61，71接收误差信号的控制器52，62，72。控制器52，62，72是，例如，PID控制器。可用模拟电路装置，用数字电路装置，或用模拟和数字电路装置，来实施各个控制单元5，6，7。每个控制单元5，6，7负责在一个控制模式下控制功率转换电路的一个参数。因此，每个控制单元5，6，7接收表示待控制的参数的瞬时值的一个信号，以及表示相应参数的设定值的第二信号。
第一控制单元5用来在第一控制模式下控制平均电流I平均。第一控制单元5的误差放大器51接收表示待控制的电流的测量信号SI，该电流可以是输入电流I输入或输出电流I输出。在图9中，SI是代表这些电流中的一个的测量信号。此电流可以以传统的方式测量。此测量信号SI可表示输入电流I输入或输出电流I输出的瞬时值，其是AC信号。误差放大器进一步在第二输入接收平均电流的设定值SI-基准。
当测量信号SI分别表示输入电流I输入或输出电流I输出的瞬时值时，误差放大器51的输出处的误差信号SI-误差是AC信号。然而，控制器52具有集成特性，其具有足够高以补偿由测量信号SI的AC性质产生的误差信号的变化的时间常数，使得控制平均电流。控制器52由误差信号SI-误差产生控制信号S5。
根据另一实施方式，测量信号SI不表示输入电流I输入或输出电流I输 出的瞬时值，而表示输入电流I输入或输出电流I输出的平均值，或表示出现在输入电流I输入或输出电流I输出的每个周期（循环）中的输入电流I输入或输出电流I输出的最大值。
第二控制单元6在第二控制模式下控制平均电流I平均。在图9的实施方式中，第二控制单元6根据功率转换电路的输入功率或根据其输出功率，来产生控制信号S6。在误差放大器61的第一输入接收的测量信号SP表示功率转换电路的输入功率或输出功率。SP可表示瞬时输入功率或瞬时输出功率，其中，由于AC输入电压V输入和AC输入电流I输入的性质，这些功率是交流的。根据另一实施方式，测量信号SP表示功率转换电路的平均输入功率或平均输出功率。在误差放大器61的第二输入接收的设定值SP- 基准分别表示功率转换电路的期望输入功率或期望输出功率。可在误差放大器61的输出获得的误差信号SP-误差由产生控制信号S6的控制器62接收。当测量信号SP是交流信号时，误差信号SP-误差可以是交流信号。然而，控制器62具有集成特性，其具有足够高以补偿分别从瞬时输入功率或瞬时输出功率的交流性质产生的误差信号SP-误差的变化的时间常数。
第三控制单元7用来控制输出电压V输出。输出电压信号SV输出是输出电压V输出的瞬时值。此外，误差放大器71接收设定值SV输出-基准。可在误差放大器71的输出获得的误差信号SV输出-误差表示输出电压信号SV输出和设定值SV输出-基准之间的差。误差信号SV输出-误差由产生控制信号S7的控制器72接收。
根据一个实施方式，选择单元8接收输出电压信号SV输出，并操作，使得，当输出电压V输出处于第一电压范围中时，将第一控制信号S5转发至输出，当输出电压处于第二电压范围中时，将第二控制信号S6转发至输出，以及，当输出电压V输出高于第二电压范围时，将第三控制信号S7转发至输出。
根据另一实施方式，选择单元8被构造为确定三个控制信号S5，S6，S7中瞬时具有最小值的控制信号，并将具有最小值的控制信号转发至输出。
设定值SV输出-基准、SI-基准和SP-基准可以是常数值。根据另一实施方式，这些设定值是可调节的（可变的）值，其可根据栅极电压、功率转换电路的温度，以及连接至输出端子的负载的特定类型中的至少一个来调节。
图10示出了功率转换电路的另一实施方式。图10的功率转换电路基于图1的功率转换电路，其中，下面说明了这些功率转换电路之间的差异。在图10的功率转换电路中，输入端子11，12可直接接收栅极电压V栅极作为输入电压V输入，使得不需要如图1所示的桥式整流器10。
功率转换电路包括里另一半导体开关27，而不是整流器元件（图1中的二极管23）。
在下文中，已经参考图1说明的半导体开关21将称为第一半导体开关，另一半导体开关27将称为第二半导体开关。这些第一和第二半导体开关21，27均包括自由轮转元件211，271，例如，二极管。根据一个实施方式，第一和第二半导体开关21，27可被实施为MOSFET。在此情况中，整流器元件211，271可被实施为MOSFET的集成本体二极管。虽然，在图1的功率转换电路中，第二输入端子12连接至第二输出端子14，但是，在图10的功率转换电路中，第二输入端子12经由第一整流器元件25连接至第一输出端子13，并经由第二整流器元件26连接至第二输出端子14。两个整流器元件25，26在输出端子13，14之间串联连接，其中，第二输入端子12耦接至两个整流器元件25，26的公共电路节点。
参考图10，第一开关元件21由第一驱动信号S21驱动，第二半导体开关27由第二驱动信号S27驱动。第一和第二驱动信号S21，S27由电路8根据控制电路3提供的驱动信号S驱动并根据输入电压信号SV输入而提供。由控制电路3提供的驱动信号S驱动可相当于前面说过的驱动信号S21。
根据一个实施方式，提供两个驱动信号S21，S27的电路8是多路复用器，其在正弦输入电压V输入的正半周期的过程中对第一半导体开关21提供驱动信号S驱动，并在输入电压V输入的第二半周期的过程中对第二半导体开关27提供驱动信号S驱动。在此实施方式中，在输入电压V输入的第一半周期中断开第二半导体开关27，使得仅有整流器元件271是有源的（active），并且，在输入电压V输入的第二半周期的过程中断开第一半导体开关21，使得仅有整流器元件211是有源的。在输入电压V输入的第一半周期的过程中，输入电压V输入是正的，而在第二半周期的过程中，输入电压V输入是负的。
下面说明图10的功率转换电路的工作原理。在输入电压V输入的第一半周期的过程中，图10的功率转换电路像图1的功率转换电路一样操作。即，以脉冲宽度调制的方式驱动第一半导体开关21，使得输入电流I输入和输入电压V输入的平均值具有预定相差，并使得功率转换电路以三种不同的操作模式中的一个操作，以便控制平均电流、输出电压，或者，输入功率或输出功率。当接通第一半导体开关21时，将能量感应地储存在电感存储元件22中；当断开第一半导体开关21时，所储存的能量经由整流器元件271传递至输出端子13，14。在第一半周期的过程中，通过第二整流器元件26的电流相当于输入电流I输入，而通过第一整流器元件25的电流是零。
在第二半周期中，以脉冲宽度调制的方式驱动第二半导体开关27。当接通第二半导体开关27时，使具有第一整流器元件25、第二开关元件27和电感存储元件22的串联电路在输入端子11，12之间连接，使得能量感应地储存在电感存储元件22中。第一输入端子11处的输入电流I输入在与如图10所示的方向相反的方向上流动。当第二半导体开关27断开时，电流流过连接输入端子11，12、第一整流器元件25、电池4，以及第一半导体开关21的整流器元件211的电压源（未示出）。输出电流I输出的信号波形相当于图1的功率转换电路的输出电流I输出的信号波形。
根据另一实施方式，电路8不在输入电压V输入的第一半周期中简单地断开第二半导体开关27，也不在输入电压V输入的第二半周期中简单地断开第二半导体开关21。在此实施方式中，第二半导体开关27在输入电压V输入的第一半周期中用作有源整流器元件，第一半导体开关21在输入电压V输入的第二半周期中用作有源整流器元件。因此，在第一半周期期间，每当第一半导体开关21断开时，第二半导体开关27接通，并且，当第一半导体开关21再次接通时，第二半导体开关27断开。等价地，在第二半周期中，当第二半导体开关27断开时，第一半导体开关21接通，并且，当第二半导体开关27接通时，第一半导体开关21再次断开。在此实施方式中，电路8在输入电压V输入的第一半周期期间对第一半导体开关21提供驱动电路S驱动，并驱动与第一半导体开关互补的第二半导体开关27，其中，死时间（dead-time）可设置在断开第一半导体开关21和接通第二半导体开关27之间。在死时间期间，电流流过整流器元件271。等价地，电路8在第二半周期期间对第二半导体开关27提供驱动信号S驱动，并驱动与第二半导体开关27互补的第一半导体开关21。
根据一个实施方式，功率转换电路（更特别地，控制电路3）被构造为，仅在输入电压V输入的瞬时值（以及由此输入电流I输入的瞬时值）是零时，从一个操作模式变为另一操作模式。
这些图示出了单相系统中的功率转换电路。在三相系统中，可用之前说明的三个功率转换系统对电池充电，其中，可采用对三个功率转换电路提供三个驱动信号的一个控制电路。
在以上详细描述中，参考所述附图的方向来使用方向术语，例如，“顶部”、“底部”、“前面”、“后面”、“前”、“后”、“下方”、“之下”、“下”、“之上”、“上”，等等。因为这些实施方式的部件可定位在许多不同的方向上，所以，方向术语是为了说明的目的而使用的，决不是限制性的。应理解，可将这里描述的各种典型实施方式的特征彼此组合，除特别指出不是这样以外。
此外，还用诸如“第一”、“第二”等的术语来描述各种元件、区域、部分等，并且，并非旨在限制。在整篇说明书中，相似的术语指的是相似的元件。
如这里使用的，术语“具有”、“包含”、“包括（including）”、“包括（comprising）”等是开放性术语，其表示存在所述元件或特征，但是并不排除其他元件或特征。冠词“a”、“an”和“the”旨在包括复数和单数，除上下文明确地表示不是这样以外。
通过考虑以上范围的变化和应用，应理解，本发明不限于以上描述，也不限于附图。在不背离本发明的范围的前提下，可使用其他实施方式，也可进行结构或逻辑变化。因此，并不在限制性的意义上进行详细描述。相反，本发明仅由所附权利要求及其法律等价物定义和限制。

Claims (28)

1.一种功率转换电路，包括：
输入端子，被构造为接收输入电压和输入电流；
输出端子，被构造为提供输出电压和输出电流；以及
升压转换级，耦接在所述输入端子和所述输出端子之间；
其中，所述功率转换电路适于根据所述输出电压以第一操作模式、第二操作模式和第三操作模式中的一个进行操作，
其中，所述第一操作模式、所述第二操作模式和所述第三操作模式彼此不同，以及
其中，在所述第一操作模式、所述第二操作模式和所述第三操作模式中的每个操作模式下，所述输入电流根据所述输入电压来控制，
其中，所述功率转换器还适于检测所述输入电压的零交叉，并仅在零交叉时，由所述第一操作模式、所述第二操作模式和所述第三操作模式中的一个变为所述第一操作模式、所述第二操作模式和所述第三操作模式中的另一个。
2.根据权利要求1所述的功率转换电路，其中，所述升压转换级包括适于接收驱动信号的半导体开关。
3.根据权利要求2所述的功率转换电路，还包括：控制电路，被构造为控制所述操作模式以及产生所述驱动信号。
4.根据权利要求1所述的功率转换电路，
其中，在所述第一操作模式下，所述功率转换电路适于控制所述输入电流的平均值和所述输出电流的平均值中的至少一个，
其中，在所述第二操作模式下，所述功率转换电路适于控制取决于所述输入电压的平均值的所述输入电流的平均值，和取决于所述输出电压的平均值的所述输出电流的平均值中的至少一个，以及
其中，在所述第三操作模式下，所述功率转换电路适于控制所述输出电压。
5.根据权利要求1所述的功率转换电路，其中，所述功率转换电路
当所述输出电压处于第一电压范围中时，以所述第一操作模式操作，
当所述输出电压处于第二电压范围中时，以所述第二操作模式操作，其中，所述第二电压范围比所述第一电压范围大，以及
当所述输出电压高于所述第二电压范围时，以所述第三操作模式操作。
6.根据权利要求1所述的功率转换电路，其中，所述功率转换电路适于根据所述输入电压控制所述输入电流，以便所述输入电流和所述输入电压具有预定相差。
7.根据权利要求6所述的功率转换电路，其中，所述相差为零。
8.根据权利要求1所述的功率转换电路，其中，在所述第一操作模式下，所述功率转换电路适于将所述输入电流的平均值或所述输出电流的平均值控制为基本恒定。
9.根据权利要求1所述的功率转换电路，其中，在所述第二操作模式下，所述功率转换电路适于控制所述输出电流的平均值，以便当所述输出电压增加时，所述输出电流的平均值减小。
10.根据权利要求9所述的功率转换电路，其中，在所述第二操作模式下，所述功率转换电路适于将所述功率转换电路的输入功率的平均值或输出功率的平均值控制为基本恒定。
11.根据权利要求1所述的功率转换电路，其中，在所述第三操作模式下，所述功率转换电路适于将所述输出电压的平均值控制为基本恒定。
12.根据权利要求3所述的功率转换电路，其中，所述控制电路包括：
第一控制回路，适于根据所述输入电流和所述输入电压控制所述驱动信号的频率和占空比中的至少一个；以及
第二控制回路，适于按照所述第一操作模式、所述第二操作模式和所述第三操作模式中的一个控制所述驱动信号的所述频率和所述占空比中的至少一个。
13.根据权利要求3所述的功率转换电路，
其中，所述控制电路适于，根据所述输入电流和所述输出电流中的一个并根据电流基准信号产生第一控制信号；根据输入功率和输出功率中的一个并根据功率基准信号产生第二控制信号；以及根据所述输出电压和输出电压基准信号产生第三控制信号，以及
其中，所述控制电路还适于根据所述第一控制信号、所述第二控制信号和所述第三控制信号的最小值产生所述驱动信号。
14.根据权利要求3所述的功率转换电路，其中，所述控制电路适于改变所述驱动信号的频率和占空比中的至少一个。
15.一种用于操作功率转换电路的方法，所述功率转换电路包括耦接在所述功率转换电路的输入端子和输出端子之间的升压转换级，所述方法包括：
在所述功率转换电路的所述输入端子接收输入电压和输入电流；
根据输出电压，以第一操作模式、第二操作模式和第三操作模式中的一个操作所述功率转换电路；以及
在所述功率转换电路的所述输出端子提供输出电压和输出电流；
其中，所述第一操作模式、所述第二操作模式和所述第三操作模式彼此不同，以及
其中，在所述第一操作模式、所述第二操作模式和所述第三操作模式中的每个操作模式下，根据所述输入电压来控制所述输入电流。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述功率转换电路包括所述升压转换级中适于接收驱动信号的半导体开关，所述方法进一步包括：
根据所述第一操作模式、所述第二操作模式和所述第三操作模式中的一个产生所述驱动信号。
17.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：
在所述第一操作模式下，控制所述输入电流的平均值和所述输出电流的平均值中的至少一个，
在所述第二操作模式下，控制取决于所述输入电压的平均值的所述输入电流的平均值，和取决于所述输出电压的平均值的所述输出电流的平均值中的至少一个，以及
在所述第三操作模式下，控制所述输出电压。
18.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：
当所述输出电压处于第一电压范围中时，以所述第一操作模式操作所述功率转换电路，
当所述输出电压处于第二电压范围中时，以所述第二操作模式操作所述功率转换电路，其中，所述第二电压范围大于所述第一电压范围，以及
当所述输出电压高于所述第二电压范围时，以所述第三操作模式操作所述功率转换电路。
19.根据权利要求15所述的方法，进一步包括，根据所述输入电压控制所述输入电流，以便所述输入电流和所述输入电压具有预定相差。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述相差为零。
21.根据权利要求15所述的方法，进一步包括，将所述输入电流的平均值或所述输出电流的平均值控制为基本恒定。
22.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：
在所述第二操作模式下，控制所述输出电流的平均值，以便当所述输出电压增加时，所述输出电流的平均值减小。
23.根据权利要求22所述的方法，进一步包括：
在所述第二操作模式下，将所述功率转换电路的输入功率的平均值或输出功率的平均值控制为基本恒定。
24.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：
在所述第三操作模式下，将所述输出电压的平均值控制为基本恒定。
25.根据权利要求16所述的方法，其中，产生所述驱动信号包括：
使用第一控制回路根据所述输入电流和所述输入电压控制驱动信号的频率和占空比中的至少一个；以及
使用第二控制回路按照所述第一操作模式、所述第二操作模式和所述第三操作模式中的一个控制所述驱动信号的频率和占空比中的至少一个，其中，所述第二控制回路的控制速度比所述第一控制回路的控制速度慢。
26.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：
根据所述输入电流和所述输出电流中的一个并根据电流基准信号产生第一控制信号；
根据输入功率和输出功率中的一个并根据功率基准信号产生第二控制信号；
根据所述输出电压和输出电压基准信号产生第三控制信号；以及
根据所述第一控制信号、所述第二控制信号和所述第三控制信号的最小值产生所述驱动信号。
27.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：
检测所述输入电压的零交叉；以及
仅在零交叉时，由所述第一操作模式、所述第二操作模式和所述第三操作模式中的一个变为所述第一操作模式、所述第二操作模式和所述第三操作模式中的另一个。
28.一种电路，包括：
功率转换电路，包括：输入端子，用于接收输入电压和输入电流；输出端子，用于提供输出电压和输出电流；以及升压转换级，耦接在所述输入端子和所述输出端子之间；
可充电电池，耦接至所述功率转换电路的所述输出端子，
其中，所述功率转换电路适于根据所述输出电压以第一操作模式、第二操作模式和第三操作模式中的一个进行操作，
其中，所述第一操作模式、所述第二操作模式和所述第三操作模式彼此不同，以及
其中，在所述第一操作模式、所述第二操作模式和所述第三操作模式中的每个操作模式下，所述输入电流根据所述输入电压来控制。
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