CN105322776A - 一种多态功率因数校正电路和电力变换设备 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种多态功率因数校正电路和电力变换设备，用以解决现有的交错并联功率因数校正电路电流采样电路个数多和电流控制器结构复杂的问题。交错并联结构需要采样2n(n≥2)个电流信号进行电流控制，而多态功率因数校正结构中只需要采样两个电流信号，减少了采样电路的个数，降低了电流采样电路成本。该电路通过变压器实现同一多态开关电路中各个桥臂上的电流的自动均衡，不需要单独控制每个桥臂的电流和专门的均流控制器，电流控制器结构较交错并联结构简单。本方案是同时提高系统功率密度和效率的有效方法。

Description

一种多态功率因数校正电路和电力变换设备

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种多态功率因数校正电路和电力变换设备。

背景技术

功率因数校正(PFC,PowerFactorCorrection)电路广泛应用在通信电源和不间断电源(UPS，UninterruptedPowerSupply)中，它除了需要把交流电压转换为直流电压外，同时还要校正输入的功率因数，满足各种标准对输入特性的要求。三电平功率因数校正电路中的开关管的电压应力是相同母线电压下两电平功率因数校正电路的开关管的电压应力的一半，同时相同功率和开关频率下的三电平功率因数校正电路中的电感体积小于两电平功率因数校正电路中的电感体积，因此，三电平功率因数校正电路得到广泛应用。

随着高功率密度需求的不断增加，提高功率因数校正电路中的开关管的开关频率成为提高其功率密度的一个途径。然而，虽然提高开关频率可以减小无源器件电感、变压器、电容等的体积，但是，开关频率高了以后开关损耗增加，这样功率因数校正电路的效率又很难保证，最终无法同时实现高功率密度和高效率。

为了同时提高效率和功率密度，交错并联的结构被提出，但是交错并联结构存在如下问题：需要采样流过各交错并联单元的电感或者开关管的电流，进行电流的单独控制，同时需要增加均流控制器消除各交错并联单元间的环流，这样增加了采样的成本，同时也使得均流控制器结构复杂。而且交错并联的单元数量多的时候(如大于两个并联单元)均流控制的复杂度增加很多，控制难度加大。

综上所述，为了同时提高现有的功率因数校正电路的效率和功率密度，功率因数校正电路中常采用交错并联结构，由于需要采样流过各交错并联的单元的电感或者开关管的电流，并消除各交错并联的单元间的环流，这样增加了采样的成本，同时也使得均流控制器结构复杂，控制难度加大。

发明内容

本发明实施例提供了一种多态功率因数校正电路，用以解决现有的交错并联功率因数校正电路电流采样电路个数多和电流控制器结构复杂的问题。。

基于上述问题，本发明实施例提供的一种多态功率因数校正电路，包括两个防反灌元件和两个母线电容，所述两个母线电容串联在所述多态PFC电路的两个输出端之间，还包括两个多态开关电路；

每个多态开关电路中包括一个变压器和n个桥臂，每个多态开关中的n个桥臂并联后连接在所述多态PFC电路的一个输出端与所述两个母线电容的中点之间，每个多态开关中的n个桥臂并联后连接的所述多态PFC电路的输出端不同；每个桥臂均包含一个可控开关元件和一个整流元件，该可控开关元件的一端与该整流元件的一端相连，该可控开关元件的另一端为该桥臂的一端，该整流元件的另一端为该桥臂的另一端；且每个桥臂中的可控开关元件连接所述两个母线电容的中点；n为不小于2的整数；

当n＝2时，每个防反灌元件连接在，一个不同的多态开关电路中的变压器的原边绕组的同名端与该变压器的副边绕组的异名端相连的接线端与交流电压源的第一输出端之间；该变压器的原边绕组的异名端及其副边绕组的同名端分别连接该多态开关电路中的不同连接点；该变压器的原边绕组的匝数与其副边绕组的匝数相等；

当n≥3时，每个防反灌元件连接在，一个不同的多态开关电路中的变压器的n个原边绕组的同名端相连的接线端与所述交流电压源的第一输出端之间，每个变压器的n个副边绕组首尾连接构成电回路；该变压器的n个原边绕组的异名端分别连接该多态开关电路中的不同连接点；该变压器的原边绕组的匝数与副边绕组的匝数相等；

其中，一个连接点是一个多态开关电路的一个桥臂中的可控开关元件和该桥臂中的整流元件相连的连接点；所述交流电压源的第二输出端连接所述两个母线电容的中点。

本发明实施例提供的一种电力变换设备，包括本发明实施例提供的多态PFC电路。

本发明实施例提供的一种用于三相交流电中的PFC电路，包括三个本发明实施例提供的多态PFC电路；

三个多态PFC电路中输出正电压的输出端相连，三个多态PFC电路中输出负电压的输出端相连；

每个多态PFC电路连接的交流电压源的第一输出端为三相交流电中的一相；三个多态PFC电路中的母线电容的中点相连。

本发明实施例提供的一种电力变换设备，包括发明实施例提供的用于三相交流电中的PFC电路。

本发明实施例的有益效果包括：

本发明实施例提供的多态功率因数校正电路，当多态功率因数校正电路中的每个多态开关电路中包括两个桥臂时，每个多态开关电路中的不同桥臂中的可控开关元件分别连接同一个变压器的原边绕组和该变压器的副边绕组，由于该变压器的原边绕组的同名端与其副边绕组的异名端相连，并且该变压器的原边绕组的匝数与其副边绕组的匝数相等，因此，该变压器的原边绕组上的电流与其副边绕组上的电流相等；而当多态功率因数校正电路中的每个多态开关电路中包括三个或三个以上桥臂时，每个多态开关电路中的不同桥臂中的可控开关元件分别连接一个变压器的不同原边绕组，由于该变压器的原边绕组的同名端相连，该变压器的副边绕组首尾连接构成电回路，并且该变压器的原边绕组的匝数与其副边绕组的匝数相等，因此，该变压器的各个原边绕组上的电流相等，即变压器可以实现自动均流，因此，只需要采样该多态开关电路与相连的防反灌元件导线上的电流就可以控制输入电流，这减少了采样电路的个数，简化了电流控制器的结构。

附图说明

图1为现有技术中的交错并联三电平PFC电路的结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的多态PFC电路的结构示意图；

图3a-图3d为图2所示的PFC电路工作在不同开关状态下的等效电路图；

图4为本发明实施例二提供的多态PFC电路的结构示意图；

图5为本发明实施例三提供的多态PFC电路的结构示意图；

图6为本发明实施例四提供的多态PFC电路的结构示意图；

图7-图10为本发明实施例五至八提供的多态PFC电路的结构示意图；

图11-图12为本发明实施例九提供的用于三相交流电中的PFC电路的结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供的多态功率因数校正电路，由于每个多态开关电路中的各个桥臂连接同一变压器中的各个绕组，而当多态功率因数校正电路中的每个多态开关电路中包括两个桥臂时，由于该变压器的原边绕组的同名端与其副边绕组的异名端相连，并且该变压器的原边绕组的匝数与其副边绕组的匝数相等，因此，该变压器的原边绕组上的电流与其副边绕组上的电流相等；而当多态功率因数校正电路中的每个多态开关电路中包括三个或三个以上桥臂时，由于该变压器的原边绕组的同名端相连，该变压器的副边绕组首尾连接构成电回路，并且该变压器的原边绕组的匝数与其副边绕组的匝数相等，因此，该变压器的各个原边绕组上的电流相等，即与一个多态开关电路相连的变压器可以实现自动均流，因此，在采样一个多态开关电路与相连的防反灌元件导线上的电流就可以控制输入电流，这减少了采样电路的个数，简化了电流控制器的结构。

图1是现有交错并联三电平PFC电路的一种结构，交流电源AC、电感L11、开关管S11、二极管D11、电容C1、二极管Du构成boost整流电路一；交流电源AC、电感L12、开关管S12、二极管D12、电容C1、二极管Du构成boost整流电路二；整流电路一和整流电路二组成交错并联结构一。交流电源AC、电感L21、开关管S21、二极管D21、电容C2、二极管Dd构成boost整流电路三；电源AC、电感L22、开关管S22、二极管D22、电容C2、二极管Dd构成boost整流电路四；整流电路三和整流电路四组成交错并联结构二。交错并联结构一工作在交流电源AC的正半周期，交错并联结构二工作在交流电源AC的负半周期，二极管Du和二极管Dd是防止电流反灌的二极管。由于开关管S11、开关管S12和开关管S21、开关管S22的电压应力只是直流母线(即负载L两端连接的导线)电压的一半，所以，该PFC电路具有三电平的特性，称为交错并联三电平功率因数校正电路。当交流电源AC的极性为左正右负时，交错并联结构一工作，通过控制开关管S11、S12的通断实现整流升压的目的，开关管S11、S12导通时给电感L11、L12储能，S11、S12关断时电感L11、L12和交流电源AC共同向电容C1充电。当交流电源AC的极性为右正左负时，交错并联结构二工作，交错并联结构二与交错并联结构一的工作方式相似。

下面结合说明书附图，对本发明实施例提供的一种多态PFC电路、用于三相交流电中的PFC电路和电力变换设备的具体实施方式进行说明。

本发明实施例一提供的多态PFC电路，如图2所示。在图2中，两个防反灌元件分别为第一二极管D1和第二二极管D2，当然，防反灌元件也可以为带有控制端的晶闸管；两个多态开关电路分别为第一多态开关电路21和第二多态开关电路22；两个母线电容分别为第一电容C1和第二电容C2，当然，母线电容也可以是由多个电容串\并联构成的结构；第一电容C1和第二电容C2串联在多态PFC电路的两个输出端之间；

每个多态开关电路中包含一个变压器和两个桥臂；各个桥臂均包含一个可控开关元件和一个整流元件，在图2中，可控开关元件为开关管，当然，可控开关元件也可以是由多个开关管串\并联构成的结构；整流元件为二极管，当然，整流元件也可以是由多个二极管串\并联构成的结构或者是带控制端的晶闸管；在图2中，第一多态开关电路21中的一个桥臂包含第一开关管S1和第三二极管D3，第一开关管S1的一端连接第三二极管D3的阳极，第一开关管S1的另一端为该桥臂的一端，第三二极管D3的阴极为该桥臂的另一端；且第一开关管S1连接两个母线电容的中点，即第一电容C1和第二电容C2相连的连接点；第一多态开关电路21中的另一个桥臂包含第二开关管S2和第四二极管D4，第二开关管S2的一端连接第四二极管D4的阳极，第二开关管S2的另一端为该桥臂的一端，第四二极管D4的阴极为该桥臂的另一端；且第二开关管S2连接两个母线电容的中点；第二多态开关电路22中的一个桥臂包含第三开关管S3和第六二极管D6，第三开关管S3的一端连接第六二极管D6的阴极，第三开关管S3的另一端为该桥臂的一端，第六二极管D6的阳极为该桥臂的另一端；且第三开关管S3连接两个母线电容的中点；第二多态开关电路22中的另一个桥臂包含第四开关管S4和第五二极管D5，第四开关管S4的一端连接第五二极管D5的阴极，第四开关管S4的另一端为该桥臂的一端，第五二极管D5的阳极为该桥臂的另一端；且第四开关管S4连接两个母线电容的中点；

在图2中，第一二极管D1连接在，第一多态开关电路21中的第一变压器T1的原边绕组的同名端与其副边绕组的异名端相连的接线端M和交流电压源AC的第一输出端1之间；第一变压器T1的原边绕组的异名端连接第三二极管D3的阳极，即第三二极管D3和第一开关管S1相连的连接点；第一变压器T1的副边绕组的同名端连接第四二极管D4的阳极，即第四二极管D4和第二开关管S2相连的连接点；第一变压器T1的原边绕组的匝数与其副边绕组的匝数相等；

第二二极管D2连接在，第二多态开关电路22中的第二变压器T2的原边绕组的同名端与其副边绕组的异名端相连的接线端N和交流电压源AC的第一输出端1之间；第二变压器T2的原边绕组的异名端连接第五二极管D5的阴极，即第五二极管D5和第四开关管S4相连的连接点；第二变压器T2的副边绕组的同名端连接第六二极管D6的阴极，即第六二极管D6和第三开关管S3相连的连接点；第二变压器的T2的原边绕组的匝数与其副边绕组的匝数相等，交流电压源AC的第二输出端连接第一电容C1和第二电容C2相连的连接点。

在图2中，各个多态开关中的变压器的原边绕组与其副边绕组部分耦合，即第一变压器T1的原边绕组与其副边绕组部分耦合，第二变压器T2的原边绕组与其副边绕组部分耦合，因此，每个变压器都可以等效为一个电感和一个变压器串联。

当交流电压源AC输出的电压处于正半周期，即交流电压源AC的第一输出端1输出正电压，交流电压源AC的第二输出端2输出负电压时，图2所示的多态PFC电路中包括第一二极管D1、第一多态开关电路21和第一电容C1的整流电路工作，根据第一开关管S1、第二开关管S2的导通状态不同可以有如下四种开关模式：

图3a是第一开关管S1导通，第二开关管S2关断时图2所示的多态PFC电路的等效电路图，图3a中箭头所指方向为电流方向，流过交流电压源AC、第一二极管D1和第一等效电感L1e的电流分成两路，一路通过第一等效变压器T1e的原边绕组流过第一开关管S1给第一等效电感L1e储能，另一路通过第一等效变压器T1e的副边绕组和第四二极管D4给第一电容C1充电；图3b是第一开关管S1关断、第二开关管S2导通时图2所示的多态PFC电路的等效电路图，图3b中箭头所指方向为电流方向，流过交流电压源AC、第一二极管D1和第一等效电感L1e的电流分成两路，一路通过第一等效变压器T1e的副边绕组流过第二开关管S2给第一等效电感L1e储能，另一路通过第一等效变压器T1e的原边绕组和第三二极管D3给第一电容C1充电；

图3c是第一开关管S1和第二开关管S2都导通时图2所示的多态PFC电路的等效电路图，图3c中箭头所指方向为电流方向，流过交流电压源AC、第一二极管D1和第一等效电感L1e的电流分成两路，一路通过第一等效变压器T1e的原边绕组流过第一开关管S1给第一等效电感L1e储能，另一路通过第一等效变压器T1e的副边绕组流过第二开关管S2给第一等效电感L1e储能，母线电容(第一电容C1和第二电容C2)处于完全放电状态；

图3d是第一开关管S1和第二开关管S2都关断时图2所示的多态PFC电路的等效电路图，图3d中箭头所指方向为电流方向，流过交流电压源AC、第一二极管D1和第一等效电感L1e的电流分成两路，一路通过第一等效变压器T1e的原边绕组流过第三二极管D3给第一电容C1充电，另一路通过第一等效变压器T1e的副边绕组和第四二极管D4给第一电容C1充电。

由于图2中的第一变压器T1的原边绕组与其副边绕组部分耦合，因此图3a、图3b、图3c和图3d中的第一等效电感L1e和第一等效变压器T1e是由图2中的第一变压器T1等效而来的。图3a、图3b、图3c和图3d中的第一等效变压器T1e的原边绕组与其副边绕组完全耦合。

由图3a和图3b的等效电路图可以看出，这二者的工作过程是相同的，因此在交流电压源AC输出的交流电压的正半周期图2所示的多态PFC电路的工作模式有三种状态。

在图3a和图3b所示的等效电路中，由于第一等效变压器T1e的原边绕组与其副边绕组串联，所以这两个绕组上的电压之和等于第一电容C1上的电压，又因为这两个绕组的匝数相同，忽略第四二极管D4上的压降，Vtp＝Vts＝0.5*Vc1，Vtp为第一等效变压器T1e的原边绕组上的电压，Vts为第一等效变压器T1e的副边绕组上的电压，Vc1为第一电容C1上的电压，而Vc1＝0.5Vo，Vo为图2所示的多态PFC电路输出的电压，因此，忽略第一二极管D1的压降，那么第一等效电感L1e上的电压VL1＝Vin-0.25Vo，Vin为交流电压源AC输出的电压。

在图3c所示的等效电路图中，由于第一等效变压器T1e的原边绕组与其副边绕组串联，所以两个绕组上的电压都为0，忽略第一二极管D1的压降，那么第一等效电感L1e上的电压VL1＝Vin，Vin为交流电压源AC输出的电压。

在图3d所示的等效电路图中，假设第三二极管D3和第四二极管D4完全相同，因此，这两个二极管与第一等效变压器T1e的绕组的连接点的电压相等，由于第一等效变压器T1e的原边绕组与其副边绕组串联，因此，第一等效变压器T1e的原边绕组与其副边绕组上的电压均为零，因此，第一等效电感L1上的电压VL1＝Vin-0.5Vo，Vo为图2所示的多态PFC电路输出的电压，Vin为交流电压源AC输出的电压。因此，图2所示的多态PFC电路称为三态PFC电路。

根据上述对图3a、图3b、图3c和图3d所示的等效电路的说明可以看出，第一等效变压器T1e和第一等效电感L1e的连接点的电势与母线电容的中点的电势差为0、0.5Vo、0.25Vo，也就是说在图2所示的多态PFC电路的工作过程中，第一等效电感L1e的电压有Vin、Vin-0.5Vo、Vin-0.25Vo三个值。因此，图2所示的多态PFC电路中的多态开关电路使得第一等效电感L1e的电压为三电平，这可以减小滤波电感的感量。而且当第一开关管S1或者第二开关管S2的开关频率为f的时候，在第一等效电感L1e上的电流的纹波频率为2f。因此，图2所示的多态PFC电路可以在保持低开关频率的情况下提高无源器件的频率，从而降低开关损耗，并增加无源器件的频率，进而提高功率密度。

图2所示的多态PFC电路在交流电压源AC输出的交流电压的负半周期时的工作模式与其在交流电压源AC输出的交流电压的正半周期时的工作模式类似，也有三种等效的开关状态，这里不再赘述。

本发明实施例二提供的多态PFC电路，如图4所示。当图4所示的多态PFC电路中的变压器是原边绕组与副边绕组完全耦合的变压器时，图4所示的多态PFC电路与图2所示的多态PFC电路的区别在于：图4所示的多态PFC电路中的第三变压器T3的原边绕组与其副边绕组是完全耦合的，第四变压器T4的原边绕组与其副边绕组也是完全耦合的；图2所示的多态PFC电路中的第一变压器T1的原边绕组与其副边绕组是部分耦合的，第二变压器T2的原边绕组与其副边绕组也是部分耦合的，图2中的第一变压器T1等效于图4中的第三电感L3和第三变压器T3，图2中的第二变压器T2等效于图4中的第四电感L4和第四变压器T4。

当图4所示的多态PFC电路中的变压器是原边绕组与副边绕组部分耦合的变压器，图4所示的多态PFC电路中的每个变压器都可以等效为一个电感和一个原边绕组和副边绕组完全耦合的变压器的串联的结构，即与图2中的原边绕组和副边绕组部分耦合的变压器的等效结构相同。

图4所示的多态PFC电路的工作方式与图2所示的多态PFC电路的工作方式相同，在此不再赘述。

本发明实施例三提供的多态PFC电路，如图5所示，在图5所示的多态PFC电路中，每个多态开关电路中包括一个变压器和3个并联的桥臂。在图5中，两个防反灌元件分别为第七二极管D7和第八二极管D8，当然，防反灌元件也可以为带有控制端的晶闸管；两个多态开关电路分别为第三多态开关电路53和第四多态开关电路54；两个母线电容分别为第三电容C3和第四电容C4，当然，母线电容也可以是由多个电容串\并联构成的结构；第三电容C3和第四电容C4串联在多态PFC电路的两个输出端之间；

每个多态开关电路中的各个桥臂均包含一个可控开关元件和一个整流元件，在图5中，可控开关元件为开关管，当然，可控开关元件也可以是由多个开关管串\并联构成的结构；整流元件为二极管，当然，整流元件也可以是由多个二极管串\并联构成的结构；在图5中，第三多态开关电路53中的第一个桥臂包括第五开关管S5和第九二极管D9，第五开关管S5的一端连接第九二极管D9的阳极，第五开关管S5的另一端为该桥臂的一端，第九二极管D9的阴极为该桥臂的另一端；且第五开关管S5连接两个母线电容的中点，即第三电容C3和第四电容C4相连的连接点；第三多态开关电路53中的第二个桥臂包括第六开关管S6和第十二极管D10，第六开关管S6的一端连接第十二极管D10的阳极，第六开关管S6的另一端为该桥臂的一端，第十二极管D10的阴极为该桥臂的另一端；且第六开关管S6连接两个母线电容的中点；第三多态开关电路53中的第三个桥臂包括第七开关管S7和第十一二极管D11，第七开关管S7的一端连接第十一二极管D11的阳极，第七开关管S7的另一端为该桥臂的一端，第十一二极管D11的阴极为该桥臂的另一端；且第七开关管S7连接两个母线电容的中点；第四多态开关电路54中的第一个桥臂包括第八开关管S8和第十四二极管D14，第八开关管S8的一端连接第十四二极管D14的阴极，第八开关管S8的另一端为该桥臂的一端，第十四二极管D14的阳极为该桥臂的另一端，且第八开关管S8连接两个母线电容的中点；第四多态开关电路54中的第二个桥臂包括第九开关管S9和第十三二极管D13，第九开关管S9的一端连接第十三二极管D13的阴极，第九开关管S9的另一端为该桥臂的一端，第十三二极管D13的阳极为该桥臂的另一端；且第九开关管S9连接两个母线电容的中点；第四多态开关电路54中的第三个桥臂包括第十开关管S10和第十二二极管D12，第十开关管S10的一端连接第十二二极管D12的阴极，第十开关管S10的另一端为该桥臂的一端，第十二二极管D12的阳极为该桥臂的另一端；且第十开关管S10连接两个母线电容的中点；

在图5中，第七二极管D7连接在，第三多态开关电路53中的第五变压器T5的3个原边绕组的同名端相连的接线端M’和交流电压源AC的第一输出端1之间；第五变压器T5的第一个原边绕组的异名端连接第九二极管D9的阳极，即第九二极管D9和第五开关管S5相连的连接点；第五变压器T5的第二个原边绕组的异名端连接第十二极管D10的阳极，即第十二极管D10和第六开关管S6相连的连接点；第五变压器T5的第三个原边绕组的异名端连接第十一二极管D11的阳极，即第十一二极管D11和第七开关管S7相连的连接点；第五变压器T5的三个副边绕组首尾相连构成电回路，即第五变压器T5的第一个副边绕组的异名端连接第五变压器T5的第二个副边绕组的同名端，第五变压器T5的第二个副边绕组的异名端连接第五变压器T5的第三个副边绕组的同名端，第五变压器T5的第三个副边绕组的异名端连接第五变压器T5的第一个副边绕组的同名端；第五变压器T5中原边绕组的匝数与副边绕组的匝数相等；

第八二极管D8连接在，第四多态开关电路54中的第六变压器T6的3个原边绕组的同名端相连的接线端N’和交流电压源AC的第一输出端1之间；第六变压器T6的第一个原边绕组的异名端连接第十二二极管D12的阴极，即第十二二极管D12和第十开关管S10相连的连接点；第六变压器T6的第二个原边绕组的异名端连接第十三二极管D13的阴极，即第十三二极管D13和第九开关管S9相连的连接点；第六变压器T6的第三个原边绕组的异名端连接第十四二极管D14的阴极，即第十四二极管D14和第八开关管S8相连的连接点；第六变压器T6的三个副边绕组首尾相连构成电回路，即第六变压器T6的第一个副边绕组的异名端连接第六变压器T6的第二个副边绕组的同名端，第六变压器T6的第二个副边绕组的异名端连接第六变压器T6的第三个副边绕组的同名端，第六变压器T6的第三个副边绕组的异名端连接第六变压器T6的第一个副边绕组的同名端；第六变压器T6中的原边绕组的匝数与副边绕组的匝数相等。

第五变压器T5的原边绕组和副边绕组不完全耦合和，因此，第五变压器T5可以等效为电感与变压器串联的结构；第六变压器T6的原边绕组和副边绕组不完全耦合，因此，第六变压器T6也可以等效为电感与变压器串联的结构。

图5所示的多态PFC电路，根据同一多态开关电路中的3个开关管的导通/关断状态可以分为四种工作模式：工作模式一为3个开关管全部导通，工作模式二为一个开关管导通、两个开关管关断，工作模式三为两个开关管导通、一个开关管关断，工作模式四为3个开关管全部关断。

图5所示的多态PFC电路在交流电压源AC输出的交流电压的正半周期工作时，图5所示的多态PFC电路在四个工作模式下，第五变压器T5等效出的电感与其等效出的变压器的连接点的电压与母线电容的中点的电压差分别为：0(工作模式一)、Vo/6(工作模式二)、Vo/3(工作模式三)和Vo/2(工作模式四)，其中，Vo为图5所示的多态PFC电路输出的电压，即负载L两端的电压差。也就是说在图5所示的多态PFC电路的工作过程中，第五变压器T5等效出的电感的电压为四电平，即Vin、Vin-Vo/6、Vin-Vo/3和Vin-Vo/2，这可以减小滤波电感的感量。而且当第五开关管S5、第六开关管S6或者第七开关管S7的开关频率为f的时候，在第五变压器T5等效出的电感上的电流的纹波频率为3f。因此，图5所示的多态PFC电路可以在保持低开关频率的情况下提高无源器件的频率，从而降低开关损耗，并提高无源器件的频率，进而提高功率密度。

图5所示的多态PFC电路在交流电压源AC输出的交流电压的负半周期工作时的工作模式，与其在交流电压源AC输出的交流电压的正半周期工作时的工作模式相同，在此不再赘述。

本发明实施例四提供的多态PFC电路，如图6所示。当图6所示的多态PFC电路中的变压器是原边绕组与副边绕组完全耦合的变压器时，图6所示的多态PFC电路与图5所示的多态PFC电路的区别在于：图6所示的多态PFC电路中的第七变压器T7的原边绕组与副边绕组是完全耦合的，第八变压器T8的原边绕组与副边绕组也是完全耦合的；图5所示的多态PFC电路中的第五变压器T5的原边绕组与副边绕组是部分耦合的，第六变压器T6的原边绕组与副边绕组也是部分耦合的，因此，图5中的第五变压器T5等效于图6中的第五电感L5和第七变压器T7，图5中的第六变压器T6等效于图6中的第六电感L6和第八变压器T8。

当图6所示的多态PFC电路中的变压器是原边绕组与副边绕组部分耦合的变压器，图6所示的多态PFC电路中的每个变压器都可以等效为一个电感和一个原边绕组和副边绕组完全耦合的变压器的串联的结构。

图6所示的多态PFC电路的工作方式与图5所示的多态PFC电路的工作方式相同，在此不再赘述。

当本发明实施例提供的多态PFC电路中的多态开关电路中包括n(n大于3)个桥臂时，根据同一多态开关电路中的n个开关管的导通/关断状态可以分为n+1种工作模式：工作模式一为n个开关管全部导通，工作模式二为一个开关管导通、n-1个开关管关断，工作模式三为两个开关管导通、n-2个开关管关断，…，工作模式n为n个开关管全部关断。在这n+1中工作模式下，当多态PFC电路中的变压器的原边绕组与副边绕组部分耦合时，变压器等效出的电感与其等效出的原边绕组与副边绕组完全耦合的变压器的连接点的电压与母线电容的中点的电压差分别为：0，Vo/2n，Vo/n，…，(n-1)Vo/2n和Vo/2；当多态PFC电路中的变压器的原边绕组与副边绕组完全耦合时，因此，多态PFC电路中的的电感与变压器的连接点的电压与母线电容的中点的电压差分别为：0，Vo/2n，Vo/n，…，(n-1)Vo/2n和Vo/2，其中，Vo为本发明实施例提供的多态PFC电路输出的电压，即负载L两端的电压差。因此，当n大于3时，本发明实施例提供的多态PFC电路可以在保持低开关频率的情况下提高无源器件的频率，从而降低开关损耗，并提高无源器件的频率，进而提高功率密度。

本发明实施例五提供的多态PFC电路，如图7所示，本发明实施例五提供的多态PFC电路与本发明实施例一提供的多态PFC电路的区别仅在于：本发明实施例五提供的多态PFC电路所连接的交流电压源AC的第一输出端与其第二输出端之间还可以连接电磁干扰(EMI，ElectromagneticInterference)滤波器71，从而降低包含本发明实施例提供的多态PFC电路的共模噪声和差模噪声，防止它进入电网，污染电磁环境，危害其他设备。本发明实施例五提供的多态PFC电路的工作原理与本发明实施例一提供的多态PFC电路的工作原理相同，在此不再赘述。

本发明实施例六提供的多态PFC电路，如图8所示，本发明实施例六提供的多态PFC电路与本发明实施例二提供的多态PFC电路的区别仅在于：本发明实施例六提供的多态PFC电路所连接的交流电压源AC的第一输出端与其第二输出端之间还可以连接电磁干扰(EMI，ElectromagneticInterference)滤波器71，从而降低包含本发明实施例提供的多态PFC电路的共模噪声和差模噪声，防止它进入电网，污染电磁环境，危害其他设备。本发明实施例六提供的多态PFC电路的工作原理与本发明实施例二提供的多态PFC电路的工作原理相同，在此不再赘述。

本发明实施例七提供的多态PFC电路，如图9所示，本发明实施例七提供的多态PFC电路与本发明实施例三提供的多态PFC电路的区别仅在于：本发明实施例七提供的多态PFC电路所连接的交流电压源AC的第一输出端与其第二输出端之间还可以连接电磁干扰(EMI，ElectromagneticInterference)滤波器71，从而降低包含本发明实施例提供的多态PFC电路的共模噪声和差模噪声，防止它进入电网，污染电磁环境，危害其他设备。本发明实施例七提供的多态PFC电路的工作原理与本发明实施例三提供的多态PFC电路的工作原理相同，在此不再赘述。

本发明实施例八提供的多态PFC电路，如图10所示，本发明实施例八提供的多态PFC电路与本发明实施例四提供的多态PFC电路的区别仅在于：本发明实施例八提供的多态PFC电路所连接的交流电压源AC的第一输出端与其第二输出端之间还可以连接电磁干扰(EMI，ElectromagneticInterference)滤波器71，从而降低包含本发明实施例提供的多态PFC电路的共模噪声和差模噪声，防止它进入电网，污染电磁环境，危害其他设备。本发明实施例八提供的多态PFC电路的工作原理与本发明实施例四提供的多态PFC电路的工作原理相同，在此不再赘述。

当本发明实施例一至八提供的任一多态PFC电路工作时，可以采用任意一种调制方式对该多态PFC电路中的多态开关电路中的可控开关元件进行控制，如空间矢量调制、基于各种载波的脉冲宽度调制、脉冲频率调制等。较佳地，对于同一多态开关电路中的可控开关元件的驱动信号的位相差为360°/n，n为该多态开关电路中的桥臂的个数，这样可以消除多态PFC电路输出的电压和电流中的n次谐波。

本发明实施例提供的电力变换设备，包括本发明实施例一至八提供的任一多态PFC电路。

本发明实施例九提供的用于三相交流电中的PFC电路，包括3个本发明实施例一至八提供的任一多态PFC电路；

三个多态PFC电路中输出正电压的输出端相连，三个多态PFC电路中输出负电压的输出端相连；

每个多态PFC电路连接的交流电压源的第一输出端为三相交流电中的一相；三个多态PFC电路中的母线电容的中点相连。

以本发明实施例二提供的多态PFC电路为例，若三相交流电为三相三线制，即每一相的一个输出端向外输出电压，每一相的另外一个输出端连接在一起作为三相交流电的公共点，但该公共点并不与外接电路相连，此时，每一相交流电作为一个交流电压源，这相当于每个交流电压源仅有第一输出端，没有第二输出端，本发明实施例九提供的用于三相交流电中的PFC电路，如图11所示，图11中的电容C5相当于本发明实施例二中的3个第一电容C1并联，电容C6相当于本发明实施例二中的3个第二电容C2并联。

以本发明实施例二提供的多态PFC电路为例，若三相交流电为三相四线制，即每一相的一个输出端向外输出电压，每一相的另外一个输出端连接在一起作为三相交流电的公共点，且该公共点与外电路相连，此时，每一相交流电作为一个交流电压源，每个交流电压源的第二输出端为三相交流电的公共点，本发明实施例九提供的用于三相交流电中的PFC电路，如图12所示，图12中的电容C5相当于本发明实施例二中的3个第一电容C1并联，电容C6相当于本发明实施例二中的3个第二电容C2并联。

本发明实施例一至九提供的任一多态PFC电路可以与DC/DC变换器连接，从而提供特定的直流电压，也可以与逆变器连接作为UPS，提供不间断的交流电压。

本发明实施例提供的电力变换设备，包括本发明实施例九提供的用于三相交流电中的PFC电路。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域技术人员可以理解实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述进行分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种多态功率因数校正PFC电路，其特征在于，包括两个防反灌元件和两个母线电容，所述两个母线电容串联在所述多态PFC电路的两个输出端之间，还包括两个多态开关电路；

每个多态开关电路中包括一个变压器和n个桥臂，每个多态开关中的n个桥臂并联后连接在所述多态PFC电路的一个输出端与所述两个母线电容的中点之间，每个多态开关中的n个桥臂并联后连接的所述多态PFC电路的输出端不同；每个桥臂均包含一个可控开关元件和一个整流元件，该可控开关元件的一端与该整流元件的一端相连，该可控开关元件的另一端为该桥臂的一端，该整流元件的另一端为该桥臂的另一端；且每个桥臂中的可控开关元件连接所述两个母线电容的中点；n为不小于2的整数；

当n＝2时，每个防反灌元件连接在，一个不同的多态开关电路中的变压器的原边绕组的同名端与该变压器的副边绕组的异名端相连的接线端与交流电压源的第一输出端之间；该变压器的原边绕组的异名端及其副边绕组的同名端分别连接该多态开关电路中的不同连接点；该变压器的原边绕组的匝数与其副边绕组的匝数相等；

当n≥3时，每个防反灌元件连接在，一个不同的多态开关电路中的变压器的n个原边绕组的同名端相连的接线端与所述交流电压源的第一输出端之间，每个变压器的n个副边绕组首尾连接构成电回路；该变压器的n个原边绕组的异名端分别连接该多态开关电路中的不同连接点；该变压器的原边绕组的匝数与副边绕组的匝数相等；

其中，一个连接点是一个多态开关电路的一个桥臂中的可控开关元件和该桥臂中的整流元件相连的连接点；所述交流电压源的第二输出端连接所述两个母线电容的中点。

2.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电路中还包括两个电感；

当n＝2时，每个防反灌元件通过一个不同的电感连接一个多态开关电路中的变压器的原边绕组的同名端与其副边绕组的异名端相连的接线端；

当n≥3时，每个防反灌元件通过一个不同的电感连接一个多态开关电路中的变压器的n个原边绕组的同名端相连的接线端。

3.如权利要求1或2所述的电路，其特征在于，所述交流电压源的两端之间连接电磁干扰滤波器；

所述电磁干扰滤波器，用于降低包含所述多态PFC电路的系统的共模和差模噪声。

4.如权利要求3所述的电路，其特征在于，每个多态开关电路中的不同桥臂中的可控开关元件接收的驱动信号的位相差为360°/n。

5.如权利要求1所述的电路，其特征在于，所述可控开关元件为以下元器件中的一种：

硅基金属-氧化层半导体场效晶体管、碳化硅基金属-氧化层半导体场效晶体管、氮化镓基金属-氧化层半导体场效晶体管、绝缘栅双极晶体管、结型场效应晶体管、集成门极换流晶闸管、场控晶闸管和绝缘栅场效应管。

6.一种电力变换设备，其特征在于，包括如权利要求1～5任一所述的多态功率因数校正PFC电路。

7.一种用于三相交流电中的功率因数校正PFC电路，其特征在于，包括三个如权利要求1～5任一所述的多态PFC电路；

三个多态PFC电路中输出正电压的输出端相连，三个多态PFC电路中输出负电压的输出端相连；

每个多态PFC电路连接的交流电压源的第一输出端为三相交流电中的一相；三个多态PFC电路中的母线电容的中点相连。

8.如权利要求7所述的电路，其特征在于，每个多态PFC电路连接的交流电压源的第二输出端均为三相交流电的公共点。

9.一种电力变换设备，其特征在于，包括如权利要求7或8所述的用于三相交流电中的功率因数校正PFC电路。