CN106253718A - Ac-dc整流器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了AC‑DC整流器系统。根据一个方面，本发明的实施方式提供用于操作AC‑DC整流器的方法，该方法包括用转换器接收具有输入AC电压波形的输入AC电力、在输入AC电压波形的正半线周期期间控制转换器以将第二DC总线耦合到地、在输入AC电压波形的正半线周期期间控制转换器以在第一DC总线上维持正DC链电压、在输入AC电压波形的正半线周期期间控制输出电路以对第一输出电容器充电并将正输出电压提供到正输出端以及在输入AC电压波形的正半线周期期间使第二输出电容器放电以将负输出电压提供到负输出端。

Description

AC-DC整流器系统
发明背景
1.发明领域
本发明一般涉及用于提供AC到DC整流的系统和方法。
2.相关技术的讨论
AC-DC整流器通常用于各种应用中来将供应的AC电力转换为具有期望的电压电平的DC电力。例如，AC-DC整流器常常用作在高频隔离不间断电源(UPS)系统中、在用于为配电总线提供期望的DC电压(如，48V)的电信系统中和在为配电总线提供期望的DC电压(如，240V或380V)的高压直流(HVDC)数据中心电源中的充电器或前端转换器。
概述
本发明的至少一个方面涉及AC-DC整流器，包括被配置为耦合到AC电源并从AC电源接收具有输入AC电压波形的输入AC电力的输入端；被配置为向负载提供正输出电压的正输出端；被配置为向负载提供负输出电压的负输出端；第一DC总线；第二DC总线；耦合在第一DC总线和第二DC总线之间的电容器；耦合到输入端、第一DC总线和第二DC总线并被配置为从输入端接收输入AC电力的转换器，转换器包括耦合在第一DC总线和地之间的第一开关以及耦合在第二DC总线和地之间的第二开关；耦合到转换器、正输出端和负输出端的输出电路；耦合在正输出端和地之间的第一输出电容器；耦合在负输出端和地之间的第二输出电容器；以及耦合到转换器和输出电路的控制器；在输入AC电压波形的正半线周期期间，转换器被配置为操作第一开关以保持在断开状态、操作第二开关以将第二DC总线耦合到地、操作转换器以在第一DC总线上维持正DC链电压以及操作输出电路以对第一输出电容器充电并向正输出端提供正输出电压。
根据一个实施方式，在输入AC电压波形的正半线周期期间，第二输出电容器被配置为放电并向负输出端提供负输出电压。在另一个实施方式中，控制器还被配置为在输入AC电压波形的负半线周期期间操作第二开关以保持在断开状态、操作第一开关以将第一DC总线耦合到地、操作转换器以在第二DC总线上维持负DC链电压以及操作输出电路以对第二输出电容器充电并向负输出端提供负输出电压。在一个实施方式中，在输入AC电压波形的负半线周期期间，第一输出电容器被配置为放电并向正输出端提供正输出电压。
根据另一个实施方式，输出电路包括耦合到转换器的逆变器以及耦合到逆变器、正输出端和负输出端的整流器电路，其中逆变器包括耦合在第一DC总线和整流器电路之间的第三开关以及耦合在第二DC总线和整流器电路之间的第四开关，并且其中在输入AC电压波形的正半周期期间，控制器还被配置为在第一降压操作模式中操作第三开关，使得整流器电路生成正输出电压。在一个实施方式中，在输入AC电压波形的负半周期期间，控制器还被配置为在第二降压操作模式中操作第四开关，使得整流器电路生成负输出电压。
根据一个实施方式，输出电路包括耦合到转换器和正输出端的第一降压转换器和耦合到转换器和负输出端的第二降压转换器，第一降压转换器包括耦合在第一DC总线和正输出端之间的第三开关，第二降压转换器包括耦合在第二DC总线和负输出端之间的第四开关，其中在输入AC电压波形的正半周期期间，控制器还被配置为在第一降压操作模式中操作第三开关以生成正输出电压。在一个实施方式中，在输入AC电压波形的负半周期期间，控制器还被配置为在第二降压操作模式中操作第四开关以生成负输出电压。在另一个实施方式中，第一降压转换器包括耦合在第三开关和正输出端之间的第一电感器，第二降压转换器包括耦合在第四开关和负输出端之间的第二电感器，并且第一电感器和第二电感器在公共铁芯上实现。
根据另一个实施方式，控制器还被配置为操作转换器和输出电路以在输入端处提供功率因数校正(PFC)。在一个实施方式中，电容器是聚丙烯电容器。在另一个实施方式中，正DC链电压电平少于400V。
本发明的另一方面涉及用于操作AC-DC整流器的方法，该AC-DC整流器包括被配置为接收具有输入AC电压波形的输入AC电力的输入端；第一DC总线；第二DC总线；耦合在第一DC总线和第二DC总线之间的电容器；耦合到输入端、第一DC总线和第二DC总线的转换器；耦合到转换器的输出电路；耦合到输出电路的第一输出电容器；以及耦合到输出电路的第二输出电容器；该方法包括用转换器从输入端接收输入AC电力，在输入AC电压波形的正半线周期期间控制转换器以将第二DC总线耦合到地，在输入AC电压波形的正半线周期期间控制转换器以在第一DC总线上维持正DC链电压，在输入AC电压波形的正半线周期期间控制输出电路以对第一输出电容器充电并向正输出端提供正输出电压以及在输入AC电压波形的正半线周期期间使第二输出电容器放电以向负输出端提供负输出电压。
根据一个实施方式，该方法还包括在输入AC电压波形的负半线周期期间控制转换器以将第一DC总线耦合到地，在输入AC电压波形的负半线周期期间控制转换器以在第二DC总线上维持负DC链电压，在输入AC电压波形的负半线周期期间控制输出电路以对第二输出电容器充电并向负输出端提供负输出电压以及在输入AC电压波形的负半线周期期间使第一输出电容器放电以向正输出端提供正输出电压。
根据另一个实施方式，控制转换器以将第一DC总线耦合到地包括闭合耦合在第一DC总线和地之间的第一开关。在一个实施方式中，控制转换器以将第二DC总线耦合到地包括闭合耦合在第二DC总线和地之间的第二开关。在另一个实施方式中，控制转换器以在第一DC总线上维持正DC链电压包括向耦合在输入端和第二DC总线之间的第三开关提供脉宽调制(PWM)控制信号以生成正DC链电压。在一个实施方式中，控制转换器以在第二DC总线上维持负DC链电压包括向耦合在输入端和第一DC总线之间的第四开关提供PWM控制信号以生成负DC链电压。
根据一个实施方式，控制输出电路以对第一输出电容器充电并向正输出端提供正输出电压包括向耦合在第一DC总线和正输出端之间的第五开关提供PWM控制信号以生成正输出电压。在另一个实施方式中，控制输出电路以对第二输出电容器充电并向负输出端提供负输出电压包括向耦合在第二DC总线和负输出端之间的第六开关提供PWM控制信号以生成负输出电压。
根据另一个实施方式，该方法还包括控制转换器和输出电路以在输入端处提供PFC。在一个实施方式中，控制转换器以在第一DC总线上维持正DC链电压包括控制转换器以将正DC链电压维持在少于400V的电平。
本发明的一个方面涉及AC-DC整流器，包括被配置为耦合到AC电源并从AC电源接收具有输入AC电压波形的输入AC电力的输入端；被配置为向负载提供正输出电压的正输出端；被配置为向负载提供负输出电压的负输出端；第一DC总线；第二DC总线；耦合在第一DC总线和第二DC总线之间的电容器；耦合到输入端、第一DC总线和第二DC总线并被配置为从输入端接收输入AC电力的至少一个转换器，至少一个转换器包括耦合在第一DC总线和地之间的第一开关以及耦合在第二DC总线和地之间的第二开关；耦合到至少一个转换器、正输出端和负输出端的输出电路；耦合在正输出端和地之间的第一输出电容器；耦合在负输出端和地之间的第二输出电容器；以及耦合到至少一个转换器和输出电路的控制器；在输入AC电压波形的正半线周期期间，至少一个转换器被配置为操作第一开关以保持在断开状态，操作第二开关以将第二DC总线耦合到地，操作至少一个转换器以在第一DC总线上维持正DC链电压，操作输出电路以将能量从电容器传送到第一输出电容器以对第一输出电容器充电并向正输出端提供正输出电压以及操作输出电路以将能量从电容器传送到第二输出电容器以对第二输出电容器充电并向负输出端提供负输出电压。
根据一个实施方式，控制器还被配置为在输入AC电压波形的负半线周期期间操作第二开关以保持在断开状态，操作第一开关以将第一DC总线耦合到地，操作至少一个转换器以在第二DC总线上维持负DC链电压，操作输出电路以将能量从电容器传送到第一输出电容器以对第一输出电容器充电并向正输出端提供正输出电压以及操作输出电路以将能量从电容器传送到第二输出电容以对第二输出电容器充电并向负输出端提供负输出电压。
根据另一个实施方式，输出电路包括耦合到第一DC总线、第二DC总线、正输出端和负输出端的谐振转换器。在一个实施方式中，谐振转换器包括耦合到第一DC总线的第三开关、耦合到第二DC总线的第四开关和耦合到第三开关和第四开关的谐振回路，其中在输入AC电压波形的正半周期或负半周期期间，在控制输出电路以将能量从电容器传送到第一输出电容器和第二输出电容器时，控制器还被配置为向第三开关和第四开关提供PWM信号以生成单极脉冲并向谐振回路提供单极脉冲。
根据一个实施方式，谐振回路包括耦合到第三开关和第四开关的谐振电容器以及耦合到谐振电容器的谐振电感器，其中谐振电容器被配置为接收单极脉冲，基于单极脉冲生成双极脉冲以及向谐振电感器提供双极脉冲。在另一个实施方式中，谐振转换器还包括耦合在谐振电感器和正输出端之间的第一二极管以及耦合在谐振电感器和负输出端之间的第二二极管，第一二极管被配置为将从双极脉冲的正部分得到的能量传递到第一输出电容器以对第一输出电容器充电并向正输出端提供正输出电压，第二二极管被配置为将从双极脉冲的负部分得到的能量传递到第二输出电容器以对第二输出电容器充电并向负输出端提供负输出电压。
根据另一个实施方式，控制器还被配置为向第三开关和第四开关提供50％占空比的互补PWM信号以生成单极脉冲。在一个实施方式中，控制器还被配置为用零电压切换接通第三开关和第四开关。在另一个实施方式中，控制器还被配置为当通过每个开关的电流是负的时候接通第三开关和第四开关。在一个实施方式中，控制器还被配置为操作至少一个转换器以将正DC链电压维持在少于400V的电平。在另一个实施方式中，电容器、第一输出电容器和第二输出电容器是基于聚丙烯的电容器。在一个实施方式中，至少一个转换器包括三个转换器，三个转换器中的每个转换器被配置为耦合到3相AC电源并接收由3相电源提供的3相电力中的一相。
本发明的另一方面涉及用于操作AC-DC整流器的方法，该AC-DC整流器包括被配置为接收具有输入AC电压波形的输入AC电力的输入端；第一DC总线；第二DC总线；耦合在第一DC总线和第二DC总线之间的电容器；耦合到输入端、第一DC总线和第二DC总线的转换器；耦合到转换器的输出电路；耦合到输出电路的第一输出电容器；以及耦合到输出电路的第二输出电容器；该方法包括用转换器从输入端接收输入AC电力，在输入AC电压波形的正半线周期期间控制转换器以将第二DC总线耦合到地，在输入AC电压波形的正半线周期期间控制转换器以在第一DC总线上维持正DC链电压，在输入AC电压波形的正半线周期期间控制输出电路以将能量从电容器传送到第一输出电容器以对第一输出电容器充电并向正输出端提供正输出电压以及在输入AC电压波形的正半线周期期间控制输出电路以将能量从电容器传送到第二输出电容器以对第二输出电容器充电并向负输出端提供负输出电压。
根据一个实施方式，该方法还包括在输入AC电压波形的负半线周期期间控制转换器以将第一DC总线耦合到地，在输入AC电压波形的负半线周期期间控制转换器以在第二DC总线上维持负DC链电压，在输入AC电压波形的负半线周期期间控制输出电路以将能量从电容器传送到第一输出电容器以对第一输出电容器充电并向正输出端提供正输出电压；以及在输入AC电压波形的负半线周期期间控制输出电路以将能量从电容器传送到第二输出电容器以对第二输出电容器充电并向负输出端提供负输出电压。
根据另一个实施方式，输出电路包括具有谐振回路、耦合在第一DC总线和谐振回路之间的第三开关以及耦合在第二DC总线和谐振回路之间的第四开关的谐振转换器，并且在输入AC电压波形的正半周期或负半周期期间控制输出电路以将能量从电容器传送到第一输出电容器和第二输出电容器包括向第三开关和第四开关提供PWM信号以生成单极脉冲。在一个实施方式中，向第三开关和第四开关提供PWM信号包括向第三开关和第四开关提供50％占空比的互补PWM信号以生成单极脉冲。
根据一个实施方式，在输入AC电压波形的正半周期或负半周期期间控制输出电路以将能量从电容器传送到第一输出电容器和第二输出电容器还包括用谐振回路基于单极脉冲生成双极脉冲。在一个实施方式中，在输入AC电压波形的正半周期或负半周期期间控制输出电路以将能量从电容器传送到第一输出电容器和第二输出电容器还包括用谐振转换器将从双极脉冲中的正部分得到的能量传递到第一输出电容器以及用谐振转换器将从双极脉冲的负部分得到的能量传递能力到第二输出电容器。
附图简述
附图不旨在按比例绘制。在附图中，用相似的数字来表示在各图中示出的每个相同的或几乎相同的组件。为了清楚起见，并不是每一个组件可以被标记在每个附图中。在附图中：
图1是根据本发明的方面的非隔离AC-DC转换整流器的一个实施方式的电路图；
图2是根据本发明的方面在正半线周期期间的图1示出的非隔离AC-DC转换整流器的实际拓扑结构的电路图；
图3是示出根据本发明的方面在正半线周期上的非隔离AC-DC转换整流器的操作的图；
图4是根据本发明的方面的非隔离AC-DC转换整流器的另一个实施方式的电路图；
图5是根据本发明的方面在正半线周期期间的图4示出的非隔离AC-DC转换整流器的实际拓扑结构的电路图；
图6是根据本发明的方面的非隔离AC-DC转换整流器的另一个实施方式的电路图；
图7是根据本发明的方面在正半线周期期间的图6示出的非隔离AC-DC转换整流器的实际拓扑结构的电路图；
图8是包括示出根据本发明的方面在图6中示出的非隔离AC-DC转换整流器的操作的图的图示；
图9是示出根据本发明的方面的用于在图6中示出的非隔离AC-DC转换整流器的控制策略的流程图；
图10是根据本发明的方面的非隔离AC-DC转换整流器的另一个实施方式的电路图；
图11是根据本发明的方面的非隔离AC-DC转换整流器的另一个实施方式的电路图；
图12是根据本发明的方面的非隔离AC-DC转换整流器的另一个实施方式的电路图；
图13是根据本发明的方面的非隔离AC-DC转换整流器的另一个实施方式的电路图；
图14是根据本发明的方面的非隔离AC-DC转换整流器的另一个实施方式的电路图；以及
图15是形成可配置成实施本发明的一个或多个方面的系统的计算组件的框图。
详细描述
本文讨论的方法和系统的例子在应用中并不限于在下面的描述中阐述或在附图中示出的部件的构造和布置的细节。方法和系统能够在其他实施方式中实施并且以各种方式实践或执行。特定实现方案的示例仅出于说明目的而在本文提供且并不旨在进行限制。特别地，结合任一个或多个例子讨论的动作、部件、元件和特征并没有意图排除任何其它例子中的类似作用。
另外，此处所使用的措辞和术语是为了描述的目的，而不应被认为是限制性的。对在本文中以单数形式提到的系统和方法的例子、实施方式、部件、元件或动作的任何引用也可涵盖包括多个的实施方式，且对以复数形式对本文的任何实施方式、部件、元件或动作的任何引用也可涵盖只包括单个的实施方式。以单数或复数形式的引用并不旨在限制本文公开的系统或方法、它们的组件、动作或单元。在本文中对“包含”、“包括”、“具有”、“含有”和“涉及”及其变型的使用意指涵盖在其后面列出的项及其等效体以及另外的项。对“或”的引用应解释为包含的，使得使用“或”描述的任何术语可以指示所描述术语的单个、多于一个和所有中的任何一个。此外，在这个文档和通过引用并入本文的文档之间的术语的不一致使用的情况下，在所并入的参考中的术语用法补充本文档的术语用法；对于不可调和的不一致性，以在本文档中的术语用法为准。
如上面所讨论的，AC-DC整流器通常被用于各种各样不同的应用中。例如，由于云计算和高速网络技术的出现，对高计算能力和高能量消耗数据中心的需求已经增长。在这样的数据中心中将隔离或非隔离AC-DC整流器用作电源以提供高压DC电力到集中式电池和对应的DC配电总线已经变得普遍。为此已经开发了许多不同的AC-DC整流器拓扑结构；然而，由于对内部电解电容器的使用，这些拓扑结构典型地具有低操作效率、低功率密度、高开关损耗和/或低可靠性的问题。
相应地，在本文描述的至少一些实施方式中，非隔离AC-DC整流器拓扑结构被提供，这可限制对电解电容器的使用并可具有高可靠性、高功率密度、低开关损耗和高效率。
图1是根据本文描述的方面的非隔离AC-DC转换整流器100的一个实施方式的电路图。整流器100包括被配置为耦合到AC电源102的输入端101、正输出端117和负输出端119。整流器100还包括前端全桥式功率因数校正(PFC)转换器104、输出电路、控制器110、输出电容器C2 130和输出电容器C3 132。根据一个实施方式且如图1所示，输出电路包括逆变器106和整流器电路108。前端全桥式PFC转换器104包括第一开关(Q1)112、第二开关(Q2)114、第三开关(Q3)116、第四开关(Q4)118以及电感器L1 103。逆变器106包括第一开关(Q1)112、第二开关(Q2)114、第五开关(Q5)120、第六开关(Q6)122以及电感器(L2)124。整流器108包括二极管桥(包括第一二极管126和第二二极管128)。在一个实施方式中，每个开关(Q1-Q6)112-122是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)；然而，在其它实施方式中，其它合适类型的开关可被使用。每个开关(Q1-Q6)112-122还包括耦合在其漏极和源极之间的二极管113。
第一开关(Q1)112的源极被配置为经由电感器L1 103耦合到AC电源102并被耦合到第二开关(Q2)114的漏极。第一开关(Q1)112的漏极经由第一DC总线134被耦合到第三开关(Q3)116的漏极和第五开关(Q5)120的漏极。第三开关(Q3)116的源极和第四开关(Q4)118的漏极被耦合到地133。第五开关(Q5)120的源极被耦合到第六开关(Q6)122的漏极。第二开关(Q2)114的源极经由第二DC总线136被耦合到第四开关(Q4)118的源极和第六开关(Q6)122的源极。电感器L2 124的第一端子被耦合到第五开关(Q5)120的源极。电容器C1 138被耦合在第一DC总线134和第二DC总线136之间。
二极管D1 126的阳极被耦合到电感器L2 124的第二端子。二极管D1126的阴极经由第三DC总线127被耦合到正输出端117。二极管D2 128的阴极被耦合到电感器L2 124的第二端子。二极管D2 128的阳极经由第四DC总线129被耦合到负输出端119。电容器C2 130被耦合在第三DC总线127和地133之间。电容器C3 132被耦合在第四DC总线129和地133之间。负载140可被耦合到正输出端117和负输出端119。控制器110被耦合到每个开关(Q1-Q6)112-122的栅极。控制器110还可被耦合到输入端101、输出端117、119或被耦合到整流器100中的任何其它位置以监测整流器100的操作参数(如，电压或电流)。
电源102提供具有正弦输入电压波形(Vin)的输入AC电力到前端全桥式PFC转换器104和逆变器106。根据一个实施方式，正弦输入电压波形具有50Hz或60Hz的频率和230Vac(±15％)的振幅；然而，在其它实施方式中，正弦输入电压波形可以被不同地配置。
控制器110监测正弦输入电压波形(Vin)。在输入端101处接收的正弦输入电压波形(Vin)的正半周期期间，控制器110将第四开关(Q4)118维持在闭合状态并将第三开关(Q3)116维持在断开状态。因此，在正弦输入电压波形(Vin)的正半周期期间，第二DC总线136被耦合到地133。图2是示出在Vin的正半周期期间的整流器100的实际拓扑结构的电路图，其中开关Q4 118是闭合的并且开关Q3 116是断开的。
在Vin的正半周期期间，控制器110将开关Q2 114操作为升压开关并将开关Q5 120操作为降压开关以对电容器C2 130充电并将第三DC总线127上的电压维持在期望的电平。图3是示出在Vin的正半周期300上的整流器100的操作的图。该图包括表示正弦输入电压波形(Vin)的第一踪迹302、表示在电容器C1(VC1)上的电压的第二踪迹304、表示提供到开关Q4 118的栅极的控制信号的第三踪迹306、表示提供到开关Q2 114的栅极的控制信号的第四踪迹308以及表示提供到开关Q5 120的栅极的控制信号的第五踪迹310。
在Vin 302的正半周期300上，控制器110将高控制信号306提供到开关Q4 118的栅极以将开关Q4 118维持在闭合状态。并且，基于输入电压Vin 302的瞬时值，控制器110在升压操作模式(即，升压区域312)和降压操作模式(即，降压区域314)中操作整流器100以将第三DC总线127上的电压(即，电容器C2 130上的电压)维持在期望的电平。例如，当控制器110识别出Vin 302的瞬时值小于期望的输出电压316(例如，+190V)时，控制器110在升压操作模式312中操作整流器100。
在升压操作模式中，控制器110将脉宽调制(PWM)控制信号308提供到开关Q2 114以将开关Q2操作为升压开关并且开关Q1 112的体二极管113充当升压二极管。提供到开关Q2 114的栅极的PWM控制信号308被配置为驱动开关Q2 114的断开和闭合，使得电容器C1 138两端的电压(VC1)304被维持在仅仅在期望的输出电压316(例如，+190V)之上。提供到开关Q2 114的PWM控制信号208还被配置为控制开关Q2 114的操作，使得其平均输入电流与输入电压Vin 302成比例并且功率因数校正(PFC)被维持在输入端101处。
控制器110还将控制信号310提供到开关Q5 120以将开关Q5 120维持在闭合状态以及将控制信号提供到开关Q6 122以将开关Q6 122维持在断开状态。当开关Q5 120闭合时，电容器C2 130(即，第三DC总线127)经由电感器L2 124、第一二极管126和开关Q5 120连接在电容器C1 138两端。电容器C1 138不能吸收或支持低频电流。因此，(在每个开关周期中)通过开关Q1 112的体二极管113的电流穿过开关Q5 120、电感器L2 124和第一二极管D1 126到电容器C2 130(即，到第三DC总线127)。相应地，在第三DC总线127上(即，在电容器C2 130上)的电压被钳位到电容器C1 138两端的电压(VC1)304(即，+190V)。
当控制器110识别出Vin 302的瞬时值大于整流器100的期望的输出电压316(例如，+190V)时，控制器110在降压操作模式314中操作整流器100。在降压操作模式中，控制器110将控制信号308发送到开关Q2114以将开关Q2 114维持在断开状态以及将控制信号发送到开关Q1 112以将开关Q1 112维持在闭合状态。当开关Q1 112闭合时，电容器C1 138经由开关Q1 112和电感器L1 103被耦合到输入端101并且在电容器C1138上的电压(VC1)304跟随输入电压Vin 302。
开关Q5 120、开关Q6 122的体二极管113、电感器L2 124和第一二极管D1 126形成降压转换器以从电容器C1 138(即，从电源102)馈给正输出端117(即，第三DC总线127)。在降压操作模式中，控制器110将PWM控制信号310发送到开关Q5 120的栅极以将开关Q5 120操作为降压开关并且开关Q6 122的体二极管113充当续流/钳位二极管。提供到开关Q5 120的栅极的PWM控制信号被配置为驱动开关Q5 120的断开和闭合，使得在第三DC总线127上(即，在电容器C2 130上)的电压被维持在期望的电平(例如，+190V)。提供到开关Q5 120的栅极的PWM控制信号还被配置为操作开关Q5 120，使得在每个开关周期中通过开关Q5 120的平均电流与输入电压Vin 302成比例并且PFC被维持在输入端101处。电感器L1 103和电容器C1 138充当低通滤波器以将由降压转换器生成的输入电流谐波转换到电容器C1 138中。
通过在Vin 302的正半周期300上在升压操作模式312和降压操作模式314二者中操作整流器100，控制器110能够对电容器C2 130充足地充电以在第三DC总线127上维持期望的电压(如，+190V)。同样在Vin 302的正半周期300期间，电容器C3 132放出之前在Vin的负半周期期间储存在电容器C3 132上的能量，以将期望的电压(如，-190V)提供到第四DC总线129(即，负输出端119)。
在Vin的负半周期期间整流器100的操作实质上与上面关于正半周期所讨论的相同，除了整流器100的一些元件的操作是反向的。例如，在Vin的负半周期上，控制器110将第四开关(Q4)118维持在断开状态并将第三开关(Q3)116维持在闭合状态，从而将第一DC总线134耦合到地。在Vin的负半周期上，基于Vin的瞬时值，控制器110将开关Q1 112(结合开关Q2 114的体二极管113)操作为升压转换器并将开关Q6 122(结合开关Q5 120的体二极管113、电感器L2 124和第二二极管128)操作为降压转换器以对电容器C3 132充电并将第四DC总线129上的电压维持在期望的电平(如，-190V)。同样在Vin 302的负半周期期间，电容器C2 130放出之前在Vin的正半周期期间储存在电容器C2 130上的能量，以将期望的电压(如，+190V)提供到第三DC总线127(即，正输出端117)。
如上面所描述的，在Vin的正半周期上，单个开关Q2 114被操作为升压开关而单个开关Q5 120被操作为降压开关以将电容器C2 130充足地充电到期望的电平(如，+190V)。类似地，在Vin的负半周期上，单个开关Q1 112被操作为升压开关而单个开关Q6 122被操作为降压开关以将电容器C3充足地充电到期望的电平(如，-190V)。通过在Vin的每个半周期上仅利用单个升压开关和单个降压开关以及交替对输出电容器C2和C3的充电，整流器100的开关损耗可被减少。
例如，在Vin 302的正半周期或负半周期中的升压操作模式期间，仅一个开关(即，分别是开关Q2 114或开关Q1 112)遭受开关损耗。此外，开关Q1 112或Q2 114在该处切换的电压仅是+190V，进一步减少了开关损耗。类似地，在Vin 302的正半周期或负半周期的降压操作模式期间，仅一个开关(即，分别是开关Q5 120或开关Q6 122)遭受开关损耗。另外，开关Q5 120或开关Q6 122在该处切换的电压是Vin 302的瞬时值，其从190V变化到326V。因此，平均开关电压可小于400V。此外，由于单个升压和降压开关的减少的开关电压，在AC-DC整流器中典型地使用的大型内部电解电容器可被更小的电容器替换。例如，在一个实施方式中，电容器C1 138是基于聚丙烯的电容器；然而，在其它实施方式中，电容器C1 138可以是任何其它合适类型的电容器。
图4是根据本文描述的方面的非隔离AC-DC转换整流器400的另一个实施方式的电路图。整流器400包括被配置为耦合到AC电源402的输入端401、正输出端417和负输出端419。整流器400还包括前端全桥式PFC转换器404、输出电路、控制器410、输出电容器C2 430和输出电容器C3 432。根据一个实施方式且如图4所示，输出电路包括第一降压转换器406和第二降压转换器408。前端全桥式PFC转换器404包括第一开关(Q1)412、第二开关(Q2)414、第三开关(Q3)416、第四开关(Q4)418以及电感器L1 403。第一降压转换器406包括第五开关(Q5)420、二极管D3 440、二极管D1 426和电感器L2 442。第二降压转换器408包括第六开关(Q6)422、二极管D4 444、二极管D2 428和电感器L3 446。在一个实施方式中，电感器L2 442和L3 446在公共铁芯上实现；然而，在其它实施方式中，电感器L2 442和L3 446可被不同地配置。在一个实施方式中，每个开关(Q1-Q6)412-422是MOSFET；然而，在其它实施方式中，其它合适类型的开关可被使用。每个开关(Q1-Q6)412-422还包括耦合在其漏极和源极之间的体二极管413。
第一开关(Q1)412的源极被配置为经由电感器L1 403耦合到AC电源402并被耦合到第二开关(Q2)414的漏极。第一开关(Q1)412的漏极经由第一DC总线434被耦合到第三开关(Q3)416的漏极和第五开关(Q5)420的漏极。第三开关(Q3)416的源极和第四开关(Q4)418的漏极被耦合到地433。第五开关(Q5)420的源极被耦合到二极管D3 440的阳极。二极管D3 440的阴极被耦合到电感器L2 442的第一端子。第二开关(Q2)414的源极经由第二DC总线436被耦合到第四开关(Q4)418的源极和二极管D4 444的阴极。二极管D4 444的阳极被耦合到第六开关(Q6)422的源极。第六开关(Q6)422的漏极被耦合到电感器L3 446的第一端子。电容器C1 438被耦合在第一DC总线434和第二DC总线436之间。
二极管D1 426被耦合在地433和电感器L2 442的第一端子之间。二极管D2 428被耦合在电感器L3 446的第一端子和地433之间。电感器L2442的第二端子经由第三DC总线427被耦合到正输出端417。电感器L3446的第二端子经由第四DC总线429被耦合到负输出端419。电容器C2430被耦合在第三DC总线427和地433之间。电容器C3 432被耦合在第四DC总线429和地433之间。负载可被耦合到正输出端417和负输出端419。控制器410被耦合到每个开关(Q1-Q6)412-422的栅极。控制器110还可被耦合到输入端401、输出端417、419或被耦合到整流器400中的任何其它位置以监测整流器400的操作参数(如，电压或电流)。
整流器400的操作类似于在上面关于图1和图2中示出的整流器100所讨论的操作。电源402将具有正弦输入电压波形(Vin)的输入AC电力提供到前端全桥式PFC转换器404和降压转换器406、408。根据一个实施方式，正弦输入电压波形具有50Hz或60Hz的频率和230Vac(±15％)的振幅；然而，在其它实施方式中，正弦输入电压波形可以被不同地配置。
控制器410监测正弦输入电压波形(Vin)。在输入端401处接收的正弦输入电压波形(Vin)的正半周期期间，控制器410将第四开关(Q4)418维持在闭合状态并将第三开关(Q3)416维持在断开状态。因此，在正弦输入电压波形(Vin)的正半周期期间，第二DC总线436被耦合到地433。图5是示出在Vin的正半周期期间的整流器400的实际拓扑结构的电路图，其中开关Q4 418是闭合的并且开关Q3 416是断开的。
在Vin的正半周期期间，控制器410将开关Q2 414操作为升压开关并将开关Q5 420操作为降压开关以对电容器C2 430充电并将第三DC总线427上的电压维持在期望的电平(如，+190V)。例如，当控制器410识别出Vin的瞬时值小于期望的输出电压(如，+190V)时，控制器410在升压操作模式312中操作整流器400。在升压操作模式中，控制器410将PWM控制信号提供到开关Q2 414以将开关Q2 414操作为升压开关并且开关Q1412的体二极管413充当升压二极管。提供到开关Q2 414的PWM控制信号被配置为驱动开关Q2 414的断开和闭合，使得电容器C1 438两端的电压被维持在仅仅在期望的输出电压(如，+190V)之上。提供到开关Q2 414的PWM控制信号还被配置为控制开关Q2 414的操作，使得其平均输入电流与输入电压Vin成比例并且PFC被维持在输入端401处。
在升压操作模式中，控制器110还将控制信号提供到开关Q5 420以将开关Q5 420维持在闭合状态。当开关Q5 420闭合时，电容器C2 430(即，第三DC总线427)经由电感器L2 424、二极管D3 440和开关Q5 420连接在电容器C1 338两端。相应地，在第三DC总线427上(即，在电容器C2 430上)的电压被钳位到电容器C1 438两端的电压(即，+190V)。
当控制器410识别出Vin的瞬时值大于整流器400的期望的输出电压(如，+190V)时，控制器410在降压操作模式中操作整流器400。在降压操作模式中，控制器410将控制信号发送到开关Q2 414以将开关Q2 414维持在断开状态以及将控制信号发送到开关Q1 412以将开关Q1 412维持在闭合状态。当开关Q1 412闭合时，电容器C1 438经由开关Q1 412和电感器L1 403被耦合到输入端401并且在电容器C1 438上的电压跟随输入电压Vin。
开关Q5 420、电感器L2 442和二极管D1 426形成降压转换器以从电容器C1 438(即，从电源402)馈给正输出端417(即，第三DC总线427)。在降压操作模式中，控制器410将PWM控制信号发送到开关Q5 420的栅极以将开关Q5 420操作为降压开关并且二极管D1 426充当续流/钳位二极管。提供到开关Q5 420的栅极的PWM控制信号被配置为驱动开关Q5 420的断开和闭合，使得在第三DC总线427上(即，在电容器C2 430上)的电压被维持在期望的电平(如，+190V)。提供到开关Q5 420的栅极的PWM控制信号还被配置为操作开关Q5 420，使得在每个开关周期中，通过开关Q5 420的平均电流与输入电压成比例并且PFC被维持在输入端401处。二极管D3 440和D4 444阻止由于开关Q3 416和Q4 418的接通而产生的短路出现在正输出端417和负输出端419之间。
通过在Vin的正半周期上在升压操作模式和降压操作模式二者中操作整流器400，控制器110能够对电容器C2 430充足地充电以在第三DC总线427上维持期望的电压(如，+190V)。同样在Vin 302的正半周期期间，电容器C3 432放出之前在Vin的负半周期期间储存在电容器C3 432上的能量，以将期望的电压(如，-190V)提供到第四DC总线429(即，负输出端419)。
在Vin的负半周期期间整流器400的操作实质上与上面关于正半周期所讨论的相同，除了整流器400的一些元件的操作是反向的。例如，在Vin的负半周期上，控制器410将第四开关(Q4)418维持在断开状态并将第三开关(Q3)416维持在闭合状态(如图5中所示)，从而将第一DC总线434耦合到地433。在Vin的负半周期上，基于Vin的瞬时值，控制器410将开关Q1 412(结合开关Q2 414的体二极管413)操作为升压转换器并将开关Q6 422(结合电感器L3 446和二极管D2 428)操作为降压转换器以对C3 432充电并将第四DC总线429上的电压维持在期望的电平(如，-190V)。同样在Vin 302的负半周期期间，电容器C2 430放出之前在Vin的正半周期期间储存在电容器C2 430上的能量，以将期望的电压(如，+190V)提供到第三DC总线427(即，正输出端417)。
如上面所描述的，在Vin的正半周期上，单个开关Q2 414被操作为升压开关而单个开关Q5 420被操作为降压开关以将电容器C2 430充足地充电到期望的电平(如，+190V)。类似地，在Vin的负半周期上，单个开关Q1 412被操作为升压开关而单个开关Q6 422被操作为降压开关以将电容器C3 432充足地充电到期望的电平(如，-190V)。通过在Vin的每个半周期上仅利用单个升压开关和单个降压开关以及交替对输出电容器C2和C3的充电，整流器100的开关损耗可被减少。
例如，在Vin的正半周期或负半周期中的升压操作模式期间，仅一个开关(即，分别是开关Q2 414或开关Q1 412)遭受开关损耗。此外，开关Q1 412或Q2 414在该处切换的电压仅是+190V，进一步减少了开关损耗。类似地，在Vin的正半周期或负半周期中的降压操作模式期间，仅一个开关(即，分别是开关Q5 420或开关Q6 422)遭受开关损耗。另外，开关Q5 420或开关Q6 422在该处切换的电压是Vin的瞬时值，其从190V变化到326V。因此，平均开关电压可小于400V。此外，由于单个升压和降压开关的减少的开关电压，在AC-DC整流器中典型地使用的大型内部电解电容器可被更小的电容器替换。例如，在一个实施方式中，电容器C1438是基于聚丙烯的电容器；然而，在其它实施方式中，电容器C1 438可以是任何其它合适类型的电容器。
整流器400的导通损耗也可小于图1和图2中示出的整流器的导通损耗。例如，在整流器100的降压转换器续流间隔期间，续流路径从地133通过开关Q4 118、通过开关Q6 122的体二极管113以及通过二极管D1 126。可选地，整流器400的续流路径仅从地433通过二极管D1 426。通过在续流路径中仅使用一个半导体器件，整流器400的导通损耗可小于整流器100的导通损耗。
图6是根据本发明的方面的非隔离AC-DC转换整流器600的另一个实施方式的电路图。整流器600包括被配置为耦合到AC电源602的输入端601、前端全桥式PFC转换器603、输出电路、正输出端617、负输出端619、控制器610、输出电容器C2 630和输出电容器C3 632。根据一个实施方式且如图6所示，输出电路包括半桥式LLC谐振DC-DC转换器604。
前端全桥式PFC转换器603包括第一开关(Q1)612、第二开关(Q2)614、第三开关(Q3)616、第四开关(Q4)618以及电感器L1 603。谐振DC-DC转换器604包括第五开关(Q5)620、第六开关(Q6)622、谐振回路电路(包括电容器C4 623、电感器L2 624和电感器Lm 625)、二极管D1 626和二极管D2 628。在一个实施方式中，每个开关(Q1-Q6)612-622是MOSFET；然而，在其它实施方式中，其它合适类型的开关可被使用。每个开关(Q1-Q6)612-622还包括耦合在其漏极和源极之间的体二极管613。
第一开关(Q1)612的源极被配置为经由电感器L1 603耦合到AC电源602并被耦合到第二开关(Q2)614的漏极。第一开关(Q1)612的漏极经由第一DC总线634被耦合到第三开关(Q3)616的漏极和第五开关(Q5)620的漏极。第三开关(Q3)616的源极和第四开关(Q4)618的漏极被耦合到地633。第五开关(Q5)620的源极被耦合到第六开关(Q6)622的漏极。第二开关(Q2)614的源极经由第二DC总线636被耦合到第四开关(Q4)618的源极和第六开关(Q6)622的源极。电容器C4 623的第一端子被耦合到第五开关(Q5)620的源极。电容器C4 623的第二端子被耦合到电感器L2 624的第一端子。电感器L2 624的第二端子被耦合到二极管D1 626的阳极。电感器Lm 625的第一端子被耦合在电感器624的第二端子和地633之间。电容器C1 638被耦合在第一DC总线634和第二DC总线636之间。
二极管D1 626的阴极经由第三DC总线627被耦合到正输出端617。二极管D2 628的阴极被耦合到电感器L2 624的第二端子。二极管D2 628的阳极经由第四DC总线629被耦合到负输出端619。电容器C2 630被耦合在第三DC总线627和地633之间。电容器C3 632被耦合在第四DC总线629和地633之间。负载640可被耦合到正输出端617和负输出端619。控制器610被耦合到每个开关(Q1-Q6)612-622的栅极。控制器610还可被耦合到输入端601、输出端617、619或被耦合到整流器600中的任何其它位置以监测整流器600的操作参数(如，电压或电流)。
电源602将具有正弦输入电压波形(Vin)的输入AC电力提供到前端全桥式PFC转换器603和谐振转换器604。根据一个实施方式，正弦输入电压波形具有50Hz或60Hz的频率和230Vac(±15％)的振幅；然而，在其它实施方式中，正弦输入电压波形可以被不同地配置。
控制器610监测正弦输入电压波形(Vin)。在输入端601处接收的正弦输入电压波形(Vin)的正半周期期间，控制器610将第四开关(Q4)618维持在闭合状态并将第三开关(Q3)416维持在断开状态，从而将第二DC总线636耦合到地633。例如，图7是根据本发明的方面在正半线周期期间的图6示出的非隔离AC-DC转换整流器600的实际拓扑结构的电路图。在输入端601处接收的Vin的负半周期期间，控制器610将第三开关(Q3)616维持在闭合状态并将第四开关(Q4)618维持在断开状态，从而将第一DC总线634耦合到地633。
控制器610将开关Q2 614(结合开关Q1 612的体二极管613和电感器L1 603)操作为升压转换器。控制器610将PWM控制信号发送到开关Q2 614的栅极以将电容器C1 638两端的电压(VC1)调节到约370V。控制器610还操作开关Q2 614以在输入端601处提供PFC。
开关Q5 620、开关Q6 622、谐振回路(即，电感器L2 624、电感器Lm 625和电容器C4 623)、二极管D1 626和二极管D2 628形成半桥式LLC谐振DC-DC转换器604，其被配置为将能量从电容器C1 638传送到电容器C2 630和电容器C3 632。图8是包括示出在Vin的正半周期上的整流器600的操作的图的图示。第一图800包括表示由控制器610提供到开关Q5 620的栅极的控制信号的踪迹802。第二图804包括表示由控制器610提供到开关Q6 622的栅极的控制信号的踪迹806。第三图808包括表示节点A和地633之间的电压(VAO)的踪迹810。第四图812包括表示节点B和地633之间的电压(VBO)的踪迹812。第五图816包括表示由谐振回路电路输出的电流(I2)的踪迹818。第六图820包括表示通过电感器L2 624的电流(I1)的第一踪迹822和表示通过电感器Lm 625的电流(I3)的第二踪迹824。第七图826包括表示通过二极管D1 626的电流(ID1)的踪迹828。第八图830包括表示通过二极管D2 628的电流(ID2)的踪迹832。第九图834包括表示由控制器610提供到开关Q2 614的栅极的控制信号的踪迹836。第十图838包括表示输入电流(Iin)的踪迹840。第十一图842包括表示通过开关Q1 612的体二极管613的电流(IQ1)的踪迹844。第十二图846包括表示通过开关Q5 620的电流(IQ5)的踪迹848。
在至少一个实施方式中，控制器610以接近50％占空比的互补PWM信号操作开关Q5 620和Q6 622，以将370V的单极电压脉冲(VAO)810提供到谐振回路(即，到电容器C4 623)。电容器C4 623充当DC隔直流电容器并因此将±185V的双极电压脉冲(VBO)814施加到电感器L2 624。谐振回路输出产生的电流I2 818并且如图8所示，从双极脉冲814的正部分得到的能量经由二极管D1 626被提供到电容器C2 630(如电流ID1 828)，而来自双极脉冲814的负部分的能量以及从双极脉冲814的负部分得到的能量经由二极管D2 628被提供到电容器C3 632(如电流ID2 832)。
同样如图8所示(即，在图808、812和846中)，开关Q5 620和Q6 622以零伏切换被接通并且当开关620、622接通时，通过每个开关620、622的电流是负的(即，体二极管613是导通的)。此外，在二极管电流ID1 828和ID2 832降至零后，开关620、622接通。因此，开关Q5 620和Q6 622的开关损耗被减少并且开关Q5 620和Q6 622由于二极管反向恢复而不产生附加的开关损耗。
在每个开关周期(如，在100kHz处)，电流I2 816的正电流脉冲对电容器C2 630充电，而电流I2 816的负电流脉冲对电容器C3 632充电。以这种方式，电容器C2 630和C3 632在整个线周期的每个开关周期中交替充电。因此，电容器C2 630和C3 632可需要提供更少的保持时间(如，与图1和图4中示出的实施方案相比)并可使用低值(如，小于10μF)的聚丙烯电容器实现。
如在图7-8中进一步示出的，在每个开关周期上，IQ1 842的平均电流等于IQ5 846的平均电流。电容器C1 638不承载任何低频电流而仅承载开关频率纹波电流。因此，电容器C1 638不需要显著的保持时间并能够具有相对低的电容。例如，在一个实施方式中，C1 638的值在2uF和20uF之间；然而，在其它实施方式中，C1 638的电容可以是一些其它合适的值。
由于电容器C2 630和C3 632的低值，电容器C2 630和C3 632不吸收任何低频电流分量并仅吸收高频电流分量。相应地，输出电流Io将具有在DC电流分量上叠加的低频电流纹波。在整流器600是耦合到负载640的整流器系统中的三个单相模块中的一个的情况中，在每个模块的输出端侧处的低频电流分量彼此抵消，导致电流的DC分量去往耦合到输出端617、619的负载640和电池641。
开关Q2 614的占空比的表达式由下式给出：
D P F C = 1 - v i n V C 1 .
平均输入电压(Vin)和输入电流(Iin)由下式表示：
vin＝Vm sinωt
Iin＝Im sinωt，
其中，Vm和Im是它们各自的振幅。
电流IQ1 842的平均值具有DC和二次谐波分量，如由下式给出：
I Q 1 = ( 1 - D P F C ) I i n = ( v i n V C 1 ) I i n = ( V m I m 2 V C 1 ) ( 1 - cos 2 ω t ) = ( V m I m 2 V C 1 ) - ( V m I m 2 V C 1 ) cos 2 ω t
由于电容器C1 638是相对低值的，因此其不能吸收二次谐波电流。因此，在每个开关周期中，全电流IQ1 842经过开关Q5 620作为电流IQ5 846传递。在每个开关周期中，LLC DC-DC谐振转换器604应该与电容器C1638汲取相同的电流。此外，由于相对低值的电容器C2 630和C3 632不能吸收二次谐波电流，因此电流IQ5 846的平均值与输出电流Io成比例。因此，输出电流Io也与电流IQ1 842成比例。
LLC DC-DC谐振转换器604可从其输入端以各种方式汲取时变电流。例如，其能够通过连续地改变PWM占空比、通过将开关频率固定在特定值处、通过改变其输入电压(即，通过改变VC1)以及通过上述方法的组合从其输入端汲取时变电流。
图9是示出用于在图6中示出的非隔离AC-DC转换整流器600的控制策略的一个实施方式的流程图900。与电流IQ1 842(其中，IQ1 842包括与如上面讨论的二次谐波电流分量叠加的DC电流分量)成比例的输出电流基准(Io*)与输出电流Io比较。输出电流控制器902处理产生的输出电流误差。在一个实施方式中，输出电流控制器902是比例积分(PI)控制器；然而，在其它实施方式中，不同类型的控制器可被使用。控制器902的输出设置DC链电压基准(VC1*)。DC链电压基准(VC1*)与电容器C1638两端的电压(VC1)相比较。PFC DC链电压控制器904处理产生的误差并输出输入电流振幅基准(Im*)。在一个实施方式中，PFC DC链电压控制器904是比例积分(PI)控制器；然而，在其它实施方式中，不同类型的控制器可被使用。
输入电流振幅基准(Im*)与sinωt(例如，如上面所讨论的)相乘并且将产生的输入电流基准(Iin*)与输入电流(Iin)比较。基于产生的误差，PFC电流控制器906输出调制信号(DPFC)。在一个实施方式中，PFC电流控制器906是比例积分(PI)控制器；然而，在其它实施方式中，不同类型的控制器可被使用。调制信号(DPFC)被提供到三角比较模块908，其将调制信号(DPFC)与锯齿载波相比较。由三角比较模块908执行的比较引起PFC选通脉冲，其被提供到整流器600的开关以将PFC操作维持在输入端处并将电容器638两端的电压(VC1)维持在期望的基准(VC1*)处。
根据至少一个实施方式且不同于传统的PFC，电容器638两端的电压(VC1)中的略微变化可被需要以将PFC转换器603的输出端处的低频电流分量引导通过LLC DC-DC谐振转换器604到输出端617、619。
图10是根据本发明的方面的非隔离AC-DC转换整流器1000的另一个实施方式的电路图。整流器包括由LLC谐振DC-DC转换器1004跟随的三相、四支路、四线整流器1002。整流器1000的前三个支路(1006、1008、1010)中的每个被耦合到三相干线AC电源1001并被配置为接收由电源1001提供到整流器1000的三相电力中的不同的相并在其上进行操作。整流器1000的第四支路1012用作中性支路以及用作LLC谐振DC-DC转换器1004的输入支路。
整流器的前三个支路(1006、1008、1010)中的每个实质上与上面关于图6描述的整流器600的操作相同。例如，每个支路1006、1008、1010在输入AC电压波形上操作以将来自干线电源1001的正弦电流维持在单位功率因数处并将DC链电压保持在期望电平处。第四支路1012具有多种功能。它充当用于前端PFC整流器1002的中性支路，确保在平衡的输入电压状况下的零中性电流，并充当用于DC-DC转换器1004的输入支路。根据一个实施方式，第四支路1012以50％的占空比PWM来操作。
根据一个实施方式，因为输出电容器C2 1014和C3 1016在整个线周期上的每个开关周期中交替充电(例如，如上面关于图6所讨论的)，因此电容器C2 1014和C3 1016是低值的(如，小于10μF)聚丙烯电容器。然而，在其它实施方式中，输出电容器C2 1014和C3 1016可以是任何类型的电容器。根据一个实施方式，电容器C1 1018和C5 1020也是聚丙烯电容器；然而，在其它实施方式中，电容器C1 1018和C5 1020是其它类型的电容器。
图11是根据本发明的方面的非隔离AC-DC转换整流器1100的另一个实施方式的电路图。整流器1100实质上与上面关于图1描述的整流器100相同，除了在整流器100中，电感器L1 103(在图1中示出)已经被移动，使得电源1102经由输入端1101被直接耦合到第一开关(Q1)1112的源极和第二开关(Q2)1114的漏极，并且电感器L1 1103被耦合在地1133以及开关Q3(1116)和Q4(1118)之间。
图12是根据本发明的方面的非隔离AC-DC转换整流器1200的另一个实施方式的电路图。整流器1200实质上与上面关于图4描述的整流器400相同，除了在整流器1200中，电感器L1 403(在图4中示出)已经被移除，使得电源1202经由输入端1201被直接耦合到第一开关(Q1)1212的源极和第二开关(Q2)1214的漏极。另外，第三开关(Q3)1216的源极和第四开关(Q4)1218的漏极不是被直接耦合到地1233(如图4所示)，而是经由电感器L4 1203耦合到地1233。
图13是根据本发明的方面的非隔离AC-DC转换整流器1300的另一个实施方式的电路图。整流器1300实质上与上面关于图6描述的整流器600相同，除了在整流器1300中，二极管D1 1326的阳极和二极管D2 1328的阴极经由中心抽头1327被耦合到电感器Lm 1325。
图14是根据本发明的方面的非隔离AC-DC转换整流器1400的另一个实施方式的电路图。整流器1400实质上与上面关于图10描述的整流器1000相同，除了在整流器1400中，二极管D1 1426的阳极和二极管D2 1428的阴极经由中心抽头1427被耦合到电感器Lm 1425。
图15示出形成可被配置为实现本文所公开的一个或多个方面的系统1500的计算部件的示例框图。例如，系统1500可被通信地耦合到控制器或被包括在控制器内，和/或被配置为平衡耦合到如上面所讨论的数据中心的每一相的负载。
系统1500可包括例如计算平台，诸如基于英特尔奔腾型处理器、摩托罗拉PowerPC、Sun UltraSPARC、德州仪器-DSP、惠普-Packard PA-RISC处理器或者任何其它类型的处理器。系统1500可以包括专门编程的、专用硬件，例如专用集成电路(ASIC)。本公开的不同方面可被实施为在如图15中所示的系统1500上执行的专用软件。
系统1500可以包括连接到一个或多个内存设备1510的处理器/ASIC1506，诸如磁盘驱动器、存储器、闪存存储器或用于存储数据的其他装置。内存1510可以用于在系统1500的操作期间存储程序和数据。计算机系统1500的组件可以由互连机构1508耦合，该互连机构可包括一个或多个总线(例如，在集成在同一机器内的组件之间)和/或网络(例如，在存在于分立的机器的组件之间)。互连机构1508能够使通信信息(例如，数据、指令)在系统1500的组件之间进行交换。
系统1500还包括一个或多个输入设备1504，其可以包括例如键盘或触摸屏。系统1500包括一个或多个输出设备1502，其可以包括例如显示器。此外，计算机系统1500可包含一个或多个接口(未示出)，其可将计算机系统1500连接至通信网络，除了互连机构1508之外或作为互连机构1508的替代。
系统1500可包括存储器系统1512，其可包括计算机可读和/或可写的非易失性介质，其中信号可以被存储以提供将由处理器执行的程序或提供存储在介质上或介质中的将由程序处理的信息。介质可以例如是磁盘或闪速存储器，并在一些示例中可以包括RAM或其他非易失性存储器，诸如EEPROM。在一些实施方式中，处理器可使数据从非易失性介质读取到另一个内存1510，其允许通过处理器/ASIC比介质更快地访问信息。该内存1510可以是易失性的、随机存取存储器，诸如动态随机存取存储器(DRAM)或静态存储器(SRAM)。它可位于存储系统1512中或内存系统1510中。处理器1506可以操纵在集成电路内存1510内的数据，并且然后在完成处理后复制数据到存储器1512。用于管理存储器1512和集成电路内存元件1510之间的数据移动的多种机制是已知的，并且本公开不限于此。本公开不限于特定的内存系统1510或存储器系统1512。
系统1500可以包括使用高级计算机编程语言的可编程的计算机平台。系统1500也可使用专门编程的、专用硬件(如，ASIC)来实现。系统1500可包括处理器1506，其可以是市售的处理器，诸如从英特尔公司可购得的众所周知的奔腾类处理器。很多其它的处理器是可用的。处理器1506可以执行操作系统，其可以是例如从微软公司可得的Windows操作系统、从苹果电脑公司可得的MAC OS系统、从太阳微系统公司购买的Solaris操作系统或者从各种来源可得的UNIX和/或LINUX。可以使用很多其它的操作系统。
处理器和操作系统一起可以形成计算机平台，使用高级编程语言的应用程序可以被编写。应当理解，本公开不限于特定的计算机系统平台、处理器、操作系统或网络。此外，对本领域的技术人员应当明显的是，本公开不限于专门编程语言或计算机系统。另外，应该理解的是，也可以使用其它合适的编程语言和其它合适的计算机系统。
根据至少一个实施方式，上面描述的非隔离AC-DC转换整流器是3相AC-DC转换整流器的三个整流器部分中的一个部分。然而，在其它实施方式中，非隔离AC-DC转换整流器可独立且从单相电源接收电力。
根据一个实施方式，非隔离AC-DC转换整流器的输出电压是+-190Vdc；然而，在其它实施方式中，整流器100的输出电压可被不同地配置。
根据一个实施方式，上面描述的非隔离AC-DC转换整流器是AC UPS的前端。例如，在一个实施方式中，AC UPS内的非隔离AC-DC转换整流器经由DC总线被耦合到逆变器并向DC总线提供DC电力。在另一个实施方式中，非隔离AC-DC转换整流器是DC UPS的前端并向DC UPS的DC总线提供DC电力。根据其它实施方式，上面描述的非隔离AC-DC转换整流器在数据中心被使用以将高压DC电力提供到集中式电池和对应的DC配电总线。
如上面所描述的，非隔离AC-DC整流器包括输出电路(如，逆变器和整流器组合、多个降压变换器或谐振变换器)，输出电路被操作以对整流器的输出电容器充足地充电并将期望的输出电压提供到整流器的输出端。在其它实施方式中，输出电路可包括适合于对整流器的输出电容器充足地充电并将期望的输出电压提供到整流器的输出端的任意其他类型的电路。
如上面所描述的，非隔离AC-DC整流器的拓扑结构被提供，这可避免对电解电容器的使用并可具有高可靠性、高功率密度、低开关损耗和高效率。
在这样描述了本发明的至少一个实施方式的几个方面后，应认识到，本领域中的技术人员将容易想到各种改变、修改和改进。这样的改变、修改和改进旨在成为本公开的一部分，并且旨在落入本发明的精神和范围内。因此，前面的描述和附图仅是进行例证。

Claims (40)

1.一种AC-DC整流器，包括：
输入端，其被配置为耦合到AC电源并从所述AC电源接收具有输入AC电压波形的输入AC电力；
正输出端，其被配置为向负载提供正输出电压；
负输出端，其被配置为向所述负载提供负输出电压；
第一DC总线；
第二DC总线；
电容器，其被耦合在所述第一DC总线和所述第二DC总线之间；
转换器，其被耦合到所述输入端、所述第一DC总线和所述第二DC总线，并被配置为从所述输入端接收所述输入AC电力，所述转换器包括被耦合在所述第一DC总线和地之间的第一开关以及被耦合在所述第二DC总线和地之间的第二开关；
输出电路，其被耦合到所述转换器、所述正输出端和所述负输出端；
第一输出电容器，其被耦合在所述正输出端和地之间；
第二输出电容器，其被耦合在所述负输出端和地之间；以及
控制器，其被耦合到所述转换器和所述输出电路，所述转换器在所述输入AC电压波形的正半线周期期间被配置为：
操作所述第一开关以保持在断开状态；
操作所述第二开关以将所述第二DC总线耦合到地；
操作所述转换器以在所述第一DC总线上维持正DC链电压；以及
操作所述输出电路以对所述第一输出电容器充电并向所述正输出端提供所述正输出电压。
2.如权利要求1所述的AC-DC整流器，其中，在所述输入AC电压波形的所述正半线周期期间，所述第二输出电容器被配置为放电并向所述负输出端提供所述负输出电压。
3.如权利要求2所述的AC-DC整流器，其中，所述控制器在所述输入AC电压波形的负半线周期期间还被配置为：
操作所述第二开关以保持在断开状态；
操作所述第一开关以将所述第一DC总线耦合到地；
操作所述转换器以在所述第二DC总线上维持负DC链电压；以及
操作所述输出电路以对所述第二输出电容器充电并向所述负输出端提供所述负输出电压。
4.如权利要求3所述的AC-DC整流器，其中，在所述输入AC电压波形的所述负半线周期期间，所述第一输出电容器被配置为放电并向所述正输出端提供所述正输出电压。
5.如权利要求4所述的AC-DC整流器，其中，所述输出电路包括：
逆变器，其被耦合到所述转换器；以及
整流器电路，其被耦合到所述逆变器、所述正输出端和所述负输出端，
其中，所述逆变器包括耦合在所述第一DC总线和所述整流器电路之间的第三开关以及耦合在所述第二DC总线和所述整流器电路之间的第四开关，以及
其中，在所述输入AC电压波形的正半线周期期间，所述控制器还被配置为在第一降压操作模式中操作所述第三开关，使得所述整流器电路生成所述正输出电压。
6.如权利要求5所述的AC-DC整流器，其中，在所述输入AC电压波形的所述负半线周期期间，所述控制器还被配置为在第二降压操作模式中操作所述第四开关，使得所述整流器电路生成所述负输出电压。
7.如权利要求4所述的AC-DC整流器，其中，所述输出电路包括：
第一降压转换器，其耦合到所述转换器和所述正输出端，所述第一降压转换器包括耦合在所述第一DC总线和所述正输出端之间的第三开关；以及
第二降压转换器，其耦合到所述转换器和所述负输出端，所述第二降压转换器包括耦合在所述第二DC总线和所述负输出端之间的第四开关，
其中，在所述输入AC电压波形的所述正半线周期期间，所述控制器还被配置为在第一降压操作模式中操作所述第三开关以生成所述正输出电压。
8.如权利要求7所述的AC-DC整流器，其中，在所述输入AC电压波形的所述负半线周期期间，所述控制器还被配置为在第二降压操作模式中操作所述第四开关以生成所述负输出电压。
9.如权利要求7所述的AC-DC整流器，其中，所述第一降压转换器包括耦合在所述第三开关和所述正输出端之间的第一电感器，
其中，所述第二降压转换器包括耦合在所述第四开关和所述负输出端之间的第二电感器，以及
其中，所述第一电感器和所述第二电感器在公共铁芯上实现。
10.如权利要求1所述的AC-DC整流器，其中，所述控制器还被配置为操作所述转换器和所述输出电路以在所述输入端处提供功率因数校正(PFC)。
11.如权利要求1所述的AC-DC整流器，其中，所述电容器是聚丙烯电容器。
12.如权利要求1所述的AC-DC整流器，其中，所述正DC链电压电平小于400V。
13.一种用于操作AC-DC整流器的方法，所述AC-DC整流器包括被配置为接收具有输入AC电压波形的输入AC电力的输入端、第一DC总线、第二DC总线、耦合在所述第一DC总线和所述第二DC总线之间的电容器、耦合到所述输入端、所述第一DC总线和所述第二DC总线的转换器、耦合到所述转换器的输出电路、耦合到所述输出电路的第一输出电容器和耦合到所述输出电路的第二输出电容器，所述方法包括：
用所述转换器接收来自所述输入端的所述输入AC电力；
在所述输入AC电压波形的正半线周期期间控制所述转换器以将所述第二DC总线耦合到地；
在所述输入AC电压波形的所述正半线周期期间控制所述转换器以在所述第一DC总线上维持正DC链电压；
在所述输入AC电压波形的所述正半线周期期间控制所述输出电路以对所述第一输出电容器充电并向正输出端提供正输出电压；以及
在所述输入AC电压波形的所述正半线周期期间，使所述第二输出电容器放电以向负输出端提供负输出电压。
14.如权利要求13所述的方法，还包括：
在所述输入AC电压波形的负半线周期期间控制所述转换器以将所述第一DC总线耦合到地；
在所述输入AC电压波形的所述负半线周期期间控制所述转换器以在所述第二DC总线上维持负DC链电压；
在所述输入AC电压波形的所述负半线周期期间控制所述输出电路以对所述第二输出电容器充电并向所述负输出端提供所述负输出电压；以及
在所述输入AC电压波形的所述负半线周期期间，使所述第一输出电容器放电以向所述正输出端提供所述正输出电压。
15.如权利要求14所述的方法，其中，控制所述转换器以将所述第一DC总线耦合到地包括闭合耦合在所述第一DC总线和地之间的第一开关。
16.如权利要求15所述的方法，其中，控制所述转换器以将所述第二DC总线耦合到地包括闭合耦合在所述第二DC总线和地之间的第二开关。
17.如权利要求16所述的方法，其中，控制所述转换器以在所述第一DC总线上维持所述正DC链电压包括向耦合在所述输入端和所述第二DC总线之间的第三开关提供脉宽调制(PWM)控制信号以生成所述正DC链电压。
18.如权利要求17所述的方法，其中，控制所述转换器以在所述第二DC总线上维持所述负DC链电压包括向耦合在所述输入端和所述第一DC总线之间的第四开关提供PWM控制信号以生成所述负DC链电压。
19.如权利要求18所述的方法，其中，控制所述输出电路以对所述第一输出电容器充电并向所述正输出端提供所述正输出电压包括向耦合在所述第一DC总线和所述正输出端之间的第五开关提供PWM控制信号以生成所述正输出电压。
20.如权利要求19所述的方法，其中，控制所述输出电路以对所述第二输出电容器充电并向所述负输出端提供所述负输出电压包括向耦合在所述第二DC总线和所述负输出端之间的第六开关提供PWM控制信号以生成所述负输出电压。
21.如权利要求13所述的方法，还包括控制所述转换器和所述输出电路以在所述输入端提供PFC。
22.如权利要求13所述的方法，其中，控制所述转换器以在所述第一DC总线上维持所述正DC链电压包括控制所述转换器以将所述正DC链电压维持在少于400V的电平。
23.一种AC-DC整流器，包括：
输入端，其被配置为耦合到AC电源并从所述AC电源接收具有输入AC电压波形的输入AC电力；
正输出端，其被配置为向负载提供正输出电压；
负输出端，其被配置为向所述负载提供负输出电压；
第一DC总线；
第二DC总线；
电容器，其被耦合在所述第一DC总线和所述第二DC总线之间；
至少一个转换器，其被耦合到所述输入端、所述第一DC总线和所述第二DC总线，并被配置为从所述输入端接收所述输入AC电力，所述至少一个转换器包括被耦合在所述第一DC总线和地之间的第一开关以及被耦合在所述第二DC总线和地之间的第二开关；
输出电路，其被耦合到所述至少一个转换器、所述正输出端和所述负输出端；
第一输出电容器，其被耦合在所述正输出端和地之间；
第二输出电容器，其被耦合在所述负输出端和地之间；以及
控制器，其被耦合到所述至少一个转换器和所述输出电路，所述至少一个转换器在所述输入AC电压波形的正半线周期期间被配置为：
操作所述第一开关以保持在断开状态；
操作所述第二开关以将所述第二DC总线耦合到地；
操作所述至少一个转换器以在所述第一DC总线上维持正DC链电压；
操作所述输出电路以将能量从所述电容器传送到所述第一输出电容器以对所述第一输出电容器充电并向所述正输出端提供所述正输出电压；以及
操作所述输出电路以将能量从所述电容器传送到所述第二输出电容器以对所述第二输出电容器充电并向所述负输出端提供所述负输出电压。
24.如权利要求23所述的AC-DC整流器，其中，所述控制器在所述输入AC电压波形的负半线周期期间还被配置为：
操作所述第二开关以保持在断开状态；
操作所述第一开关以将所述第一DC总线耦合到地；
操作所述至少一个转换器以在所述第二DC总线上维持负DC链电压；
操作所述输出电路以将能量从所述电容器传送到所述第一输出电容器以对所述第一输出电容器充电并向所述正输出端提供所述正输出电压；以及
操作所述输出电路以将能量从所述电容器传送到所述第二输出电容器以对所述第二输出电容器充电并向所述负输出端提供所述负输出电压。
25.如权利要求24所述的AC-DC整流器，其中，所述输出电路包括耦合到所述第一DC总线、所述第二DC总线、所述正输出端和所述负输出端的谐振转换器。
26.如权利要求25所述的AC-DC整流器，其中，所述谐振转换器包括：
第三开关，其被耦合到所述第一DC总线；
第四开关，其被耦合到所述第二DC总线；以及
谐振回路，其被耦合到所述第三开关和所述第四开关；
其中，在所述输入AC电压波形的正半周期或负半周期期间，在控制所述输出电路以将能量从所述电容器传送到所述第一输出电容器和所述第二输出电容器时，所述控制器还被配置为向所述第三开关和所述第四开关提供PWM信号以生成单极脉冲并向所述谐振回路提供所述单极脉冲。
27.如权利要求26所述的AC-DC整流器，其中，所述谐振回路包括：
谐振电容器，其被耦合到所述第三开关和所述第四开关；以及
谐振电感器，其被耦合到所述谐振电容器，
其中，所述谐振电容器被配置为接收所述单极脉冲，基于所述单极脉冲生成双极脉冲以及向所述谐振电感器提供所述双极脉冲。
28.如权利要求27所述的AC-DC整流器，其中，所述谐振转换器还包括：
第一二极管，其被耦合在所述谐振电感器和所述正输出端之间，所述第一二极管被配置为将从所述双极脉冲的正部分得到的能量传递到所述第一输出电容器以对所述第一输出电容器充电并向所述正输出端提供所述正输出电压；以及
第二二极管，其被耦合在所述谐振电感器和所述负输出端之间，所述第二二极管被配置为将从所述双极脉冲的负部分得到的能量传递到所述第二输出电容器以对所述第二输出电容器充电并向所述负输出端提供所述负输出电压。
29.如权利要求28所述的AC-DC整流器，其中，所述控制器还被配置为向所述第三开关和所述第四开关提供50％占空比的互补PWM信号以生成所述单极脉冲。
30.如权利要求26所述的AC-DC整流器，其中，所述控制器还被配置为用零电压切换接通所述第三开关和所述第四开关。
31.如权利要求30所述的AC-DC整流器，其中，所述控制器还被配置为在通过每个开关的电流是负的时候接通所述第三开关和所述第四开关。
32.如权利要求23所述的AC-DC整流器，其中，所述控制器还被配置为操作所述至少一个转换器以将所述正DC链电压维持在少于400V的电平。
33.如权利要求23所述的AC-DC整流器，其中，所述电容器、所述第一输出电容器和所述第二输出电容器是基于聚丙烯的电容器。
34.如权利要求23所述的AC-DC整流器，其中，所述至少一个转换器包括三个转换器，所述三个转换器中的每个转换器被配置为耦合到3相AC电源并接收由所述3相电源提供的3相电力中的一相。
35.一种用于操作AC-DC整流器的方法，所述AC-DC整流器包括被配置为接收具有输入AC电压波形的输入AC电力的输入端、第一DC总线、第二DC总线、耦合在所述第一DC总线和所述第二DC总线之间的电容器、耦合到所述输入端、所述第一DC总线和所述第二DC总线的转换器、耦合到所述转换器的输出电路、耦合到所述输出电路的第一输出电容器以及耦合到所述输出电路的第二输出电容器，所述方法包括：
用所述转换器接收来自所述输入端的所述输入AC电力；
在所述输入AC电压波形的正半线周期期间控制所述转换器以将所述第二DC总线耦合到地；
在所述输入AC电压波形的所述正半线周期期间控制所述转换器以在所述第一DC总线上维持正DC链电压；
在所述输入AC电压波形的所述正半线周期期间控制所述输出电路以将能量从所述电容器传送到所述第一输出电容器以对所述第一输出电容器充电并向正输出端提供正输出电压；以及
在所述输入AC电压波形的所述正半线周期期间控制所述输出电路以将能量从所述电容器传送到所述第二输出电容器以对所述第二输出电容器充电并向负输出端提供负输出电压。
36.如权利要求35所述的方法，还包括：
在所述输入AC电压波形的负半线周期期间控制所述转换器以将所述第一DC总线耦合到地；
在所述输入AC电压波形的所述负半线周期期间控制所述转换器以在所述第二DC总线上维持负DC链电压；
在所述输入AC电压波形的所述负半线周期期间控制所述输出电路以将能量从所述电容器传送到所述第一输出电容器以对所述第一输出电容器充电并向所述正输出端提供所述正输出电压；以及
在所述输入AC电压波形的所述负半线周期期间控制所述输出电路以将能量从所述电容器传送到所述第二输出电容器以对所述第二输出电容器充电并向所述负输出端提供所述负输出电压。
37.如权利要求36所述的方法，其中，所述输出电路包括具有谐振回路、耦合在所述第一DC总线和所述谐振回路之间的第三开关和耦合在所述第二DC总线和所述谐振回路之间的第四开关的谐振转换器，以及
其中，在所述输入AC电压波形的正半周期或负半周期期间，控制所述输出电路以将能量从所述电容器传送到所述第一输出电容器和所述第二输出电容器包括向所述第三开关和所述第四开关提供PWM信号以生成单极脉冲。
38.如权利要求37所述的方法，其中，向所述第三开关和所述第四开关提供PWM信号包括向所述第三开关和所述第四开关提供50％占空比的互补PWM信号以生成所述单极脉冲。
39.如权利要求37所述的方法，其中，在所述输入AC电压波形的正半周期或负半周期期间控制所述输出电路以将能量从所述电容器传送到所述第一输出电容器和所述第二输出电容器还包括用所述谐振回路基于所述单极脉冲生成双极脉冲。
40.如权利要求39所述的方法，其中，在所述输入AC电压波形的正半周期或负半周期期间控制所述输出电路以将能量从所述电容器传送到所述第一输出电容器和所述第二输出电容器还包括用所述谐振转换器将从所述双极脉冲中的正部分得到的能量传递到所述第一输出电容器以及用所述谐振转换器将从所述双极脉冲的负部分得到的能量传递到所述第二输出电容器。
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