CN107248814A - 单相交错式pfc电路和具有其的车载充电器及电动汽车 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单相交错式PFC电路、车载充电器及电动汽车，所述电路包括整流桥，整流桥的输入端与交流电源之间设置有第一开关；PFC单元中的第一开关管和第二开关管组成第一桥臂，第三开关管和第四开关管组成第二桥臂，第一桥臂的第一节点通过第一电感与交流电源的一端相连，第二桥臂的第二节点与第二电感的一端相连；切换开关的第一端与交流电源的一端相连，切换开关的第二端与交流电源的另一端相连，切换开关的第三端与第二电感的另一端相连；控制单元通过对切换开关、第一开关和第一至第四开关管进行控制以使PFC电路在功率因数校正工作模式和逆变工作模式之间进行切换。该电路不仅能够将交流电转换为直流电，还能够将直流电逆变为交流电输出。

Description

单相交错式PFC电路和具有其的车载充电器及电动汽车
技术领域
本发明涉及PFC(Power Factor Correction，功率因数校正)电路技术领域，特别涉及一种单相交错式PFC电路、一种具有该电路的车载充电器以及一种具有该电路的电动汽车。
背景技术
交错式PFC电路主要是将原本放置单个较大功率PFC电路的地方并行放置两个功率较小的PFC电路，这两个功率较小的PFC电路以180°的相移交替工作，它们在输入端或输出端累加时，每相电流纹波的主要部分将抵消。由于交错式PFC电路具有较多优点，因而被广泛应用。
但是，相关技术中，交错式PFC电路的电能只能单向流动，无法将直流侧电能逆变为交流电输出。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种单相交错式PFC电路，该电路不仅能够将交流电转换为直流电，而且能够将直流电逆变为交流电输出，并且结构变更简单。
本发明的另一个目的在于提出一种车载充电器。本发明的又一个目的在于提出一种电动汽车。
为实现上述目的，本发明一方面实施例提出了一种单相交错式PFC电路，包括：整流桥，所述整流桥的第一输入端和第二输入端对应连接到第一开关的第一端和第二端，所述第一开关的第三端和第四端对应连接到交流电源的两端；PFC单元，所述PFC单元包括第一至第四开关管、第一电感和第二电感，第一开关管和第二开关管组成第一桥臂，第三开关管和第四开关管组成第二桥臂，所述第一桥臂具有第一节点，所述第二桥臂具有第二节点，所述第一开关管与所述第三开关管之间具有第三节点，所述第二开关管与所述第四开关管之间具有第四节点，所述第一节点通过所述第一电感与所述交流电源的一端相连，所述第二节点与所述第二电感的一端相连，所述第三节点与所述整流桥的第一输出端相连，所述第四节点与所述整流桥的第二输出端相连；切换开关，所述切换开关的第一端与所述交流电源的一端相连，所述切换开关的第二端与所述交流电源的另一端相连，所述切换开关的第三端与所述第二电感的另一端相连；控制单元，所述控制单元通过对所述切换开关、所述第一开关和所述第一至第四开关管进行控制以使所述单相交错式PFC电路在功率因数校正工作模式和逆变工作模式之间进行切换。
根据本发明实施例的单相交错式PFC电路，整流桥的第一输入端和第二输入端对应连接到第一开关的第一端和第二端，第一开关的第三端和第四端对应连接到交流电源的两端，PFC单元中的第一节点通过第一电感与交流电源的一端相连，第二节点与第二电感的一端相连，第三节点与整流桥的第一输出端相连，第四节点与整流桥的第二输出端相连，切换开关的第一端与交流电源的一端相连，切换开关的第二端与交流电源的另一端相连，切换开关的第三端与第二电感的另一端相连，控制单元通过对切换开关、第一开关和第一至第四开关管进行控制以使单相交错式PFC电路在功率因数校正工作模式和逆变工作模式之间进行切换，从而使得单相交错式PFC电路不仅具有交流电转换为直流电的功能，而且能够将直流电逆变为交流电输出，并且结构变更简单。
根据本发明的一个实施例，所述控制单元在控制所述切换开关的第三端与所述切换开关的第一端连通，且控制所述第一开关将所述整流桥与所述交流电源连通时，并通过对所述第一至第四开关管进行控制以使所述单相交错式PFC电路处于功率因数校正工作模式；所述控制单元在控制所述切换开关的第三端与所述切换开关的第二端连通，且控制所述第一开关将所述整流桥与所述交流电源断开时，并通过对所述第一至第四开关管进行控制以使所述单相交错式PFC电路处于逆变工作模式。
根据本发明的一个实施例，所述切换开关可以为单刀双掷开关、继电器或者由半导体开关构成。
根据本发明的一个实施例，所述第一开关可以为继电器或者由半导体开关构成。
根据本发明的一个实施例，上述的单相交错式PFC电路还包括：第一采样电路，所述第一采样电路用于采样交流侧的电压和电流；第二采样电路，所述第二采样电路用于采样直流侧的电压，其中，当所述单相交错式PFC电路处于功率因数校正工作模式时，所述控制单元通过控制所述第一至第四开关管以使所述交流侧的电压和电流同步，并使所述直流侧的电压恒定。
根据本发明的一个实施例，当所述单相交错式PFC电路处于逆变工作模式时，所述控制单元输出SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation，正弦脉冲宽度调制)信号以控制所述第一至第四开关管的导通或关断，以使所述单相交错式PFC电路将直流侧的直流电逆变为交流电。
根据本发明的一个实施例，所述第一至第四开关管中的每个开关管包括MOS管、二极管和PFC电容，所述MOS管的漏极与所述二极管的阴极相连，所述MOS管的源极与所述二极管的阳极相连，所述MOS管的栅极与所述控制单元相连，所述PFC电容与所述二极管并联。
根据本发明的一个实施例，所述整流桥的第一输入端与第二输入端之间连接有第一滤波电容，所述第三节点与所述第四节点之间连接有第二滤波电容。
为实现上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种车载充电器，其包括根据上述的单相交错式PFC电路。
本发明实施例的车载充电器，通过上述的单相交错式PFC电路，不仅能够将交流电转换为直流电给动力电池充电，而且能够将动力电池输出的直流电逆变为交流电输出，并且结构变更简单，且具有原有交错式PFC电路所具有的优点。
为实现上述目的，本发明又一方面实施例提出了一种电动汽车，其包括上述的单相交错式PFC电路。
本发明实施例的车载充电器，通过上述的单相交错式PFC电路，不仅能够将交流电转换为直流电给动力电池充电，而且能够将动力电池输出的直流电逆变为交流电输出，并且结构变更简单，且具有原有交错式PFC电路所具有的优点。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的单相交错式PFC电路的拓扑图。
图2是根据本发明一个实施例单相交错式PFC电路处于功率因数校正工作模式的电路原理图。
图3是根据本发明一个实施例的单相交错式PFC电路处于逆变工作模式的电路原理图。
图4是根据本发明另一个实施例的单相交错式PFC电路的拓扑图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参照附图来描述根据本发明实施例提出的单相交错式PFC电路和具有其的车载充电器和电动汽车。
图1是根据本发明一个实施例的单相交错式PFC电路的拓扑图。如图1所示，该单相交错式PFC电路包括：整流桥10、PFC单元、切换开关30、第一开关40和控制单元(图中未具体示出)。
其中，整流桥10的第一输入端和第二输入端对应连接到第一开关40的第一端和第二端，第一开关40的第三端和第四端对应连接到交流电源AC的两端。PFC单元包括第一至第四开关管、第一电感L1和第二电感L2，第一开关管Q1和第二开关管Q2组成第一桥臂，第三开关管Q3和第四开关管Q4组成第二桥臂，第一桥臂具有第一节点J1，第二桥臂具有第二节点J2，第一开关管Q1与第三开关管Q3之间具有第三节点J3，第二开关管Q2与第四开关管Q4之间具有第四节点J4，第一节点J1通过第一电感L1与交流电源AC的一端相连，第二节点J2与第二电感L2的一端相连，第三节点J3与整流桥10的第一输出端相连，第四节点J4与整流桥10的第二输出端相连。切换开关30的第一端与交流电源AC的一端相连，切换开关30的第二端与交流电源AC的另一端相连，切换开关30的第三端与第二电感L2的另一端相连。控制单元通过对切换开关30、第一开关40和第一至第四开关管进行控制以使单相交错式PFC电路在功率因数校正工作模式和逆变工作模式之间进行切换。
也就是说，在本发明的实施例中，通过对切换开关30和第一开关40进行控制，可以使单相交错式PFC电路工作在两种不同的工作模式下，从而使得单相交错式PFC电路不仅具有交流电变直流电的功能，而且能够将直流侧电能逆变为交流电输出，且结构变更简单。其中，切换开关30可以为单刀双掷开关、继电器或者由半导体开关构成，第一开关40可以为继电器或者由半导体开关构成，即只要能够实现单相交错式PFC电路工作模式的准确切换即可，具体可以根据实际情况选择。
根据本发明的一个实施例，如图1所示，控制单元在控制切换开关30的第三端与切换开关30的第一端连通，且控制第一开关40将整流桥10与交流电源AC连通时，并通过对第一至第四开关管进行控制以使单相交错式PFC电路处于功率因数校正工作模式；控制单元在控制切换开关30的第三端与切换开关30的第二端连通，且控制第一开关40将整流桥10与交流电源AC断开时，并通过对第一至第四开关管进行控制以使单相交错式PFC电路处于逆变工作模式。
根据本发明的一个实施例，整流桥10的第一输入端与第二输入端之间连接有第一滤波电容C1，第三节点J3与第四节点J4之间连接有第二滤波电容C2。
具体而言，当切换开关30的第三端与切换开关30的第一端连通，且第一开关40闭合(即第一开关40的第一端与第三端连通，同时第一开关40的第二端与第四端连通)时，如图2所示，整流桥10、第一至第四开关管、第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1和第二电容C2构成了一个交错式功率因数校正电路，即单相交错式PFC电路处于功率因数校正工作模式，控制单元通过控制第一至第四开关管以使单相交错式PFC电路实现功率因数校正功能；当切换开关30的第三端与切换开关30的第二端连通，且第一开关40断开(即第一开关40的第一端与第三端断开，同时第一开关40的第二端与第四端断开)时，如图3所示，第一至第四开关管、第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1和第二电容C2构成了一个逆变电路，即单相交错式PFC电路处于逆变工作模式，控制单元通过控制第一至第四开关管以使直流电逆变为交流电输出，从而通过对切换开关、第一开关和第一至第四开关管的控制实现了单相交错式PFC电路的工作模式的切换，并且模式切换简单可靠。
根据本发明的一个实施例，如图4所示，上述的单相交错式PFC电路还可以包括：第一采样电路和第二采样电路，第一采样电路用于采样交流侧的电压Vac和电流Iac，第二采样电路用于采样直流侧的电压Vdc，其中，当单相交错式PFC电路处于功率因数校正工作模式时，控制单元通过控制第一至第四开关管以使交流侧的电压Vac和电流Iac同步，并使直流侧的电压Vdc恒定。
具体而言，当需要对交流电进行变换以输出直流电时，例如当给电动汽车的动力电池充电，或者给UPS(Uninterruptible Power System，不间断电源)电源充电以及给通讯电源充电等，可以通过控制切换开关30和第一开关40以使单相交错式PFC电路处于功率因数校正工作模式。当单相交错式PFC电路处于功率因数校正工作模式时，可以根据实时采样的交流侧的电压Vac、交流侧的电流Iac以及直流侧的电压Vdc对第一至第四开关管进行控制，以使交流侧的电流Iac的相位与交流侧的电压Vac的相位同步，从而达到功率因数校正的目的，同时将采样的直流侧的电压Vdc作为反馈量，通过控制交流侧的电流Iac的大小来使直流侧的电压Vdc保持恒定，使单相交错式PFC电路恒定输出。该电路不仅能够输出较为稳定的直流电，而且电压电流的纹波比较小，并且具有转换效率高，开关管热平衡，利于散热等优点。
根据本发明的一个实施例，当单相交错式PFC电路处于逆变工作模式时，控制单元输出SPWM信号以控制第一至第四开关管的导通或关断，以使单相交错式PFC电路将直流侧的直流电逆变为交流电。
具体而言，当需要将直流侧的直流电逆变为交流电时，例如当动力电池给负载供电，或者UPS电源给负载供电以及通讯电源给负载供电等，可以通过控制切换开关30和第一开关40以使PFC电路处于逆变工作模式。当单相交错式PFC电路处于逆变工作模式时，控制单元输出PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)信号或者SPWM信号等，以控制第一至第四开关管的导通或关断，实现电路的逆变功能。
进一步地，在本发明的一些实施例中，如图1-4所示，第一至第四开关管中的每个开关管可以包括MOS管、二极管和PFC电容，MOS管的漏极与二极管的阴极相连，MOS管的源极与二极管的阳极相连，MOS管的栅极与控制单元相连，PFC电容与二极管并联。
可以理解的是，第一至第四开关管也可以由其他类型的开关管组成，例如可以由IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)和并联的二极管组成，具体这里不再赘述。
综上所述，根据本发明实施例的单相交错式PFC电路，整流桥的第一输入端和第二输入端对应连接到第一开关的第一端和第二端，第一开关的第三端和第四端对应连接到交流电源的两端，PFC单元中的第一节点通过第一电感与交流电源的一端相连，第二节点与第二电感的一端相连，第三节点与整流桥的第一输出端相连，第四节点与整流桥的第二输出端相连，切换开关的第一端与交流电源的一端相连，切换开关的第二端与交流电源的另一端相连，切换开关的第三端与第二电感的另一端相连，控制单元通过对切换开关、第一开关和第一至第四开关管进行控制以使单相交错式PFC电路在功率因数校正工作模式和逆变工作模式之间进行切换，从而使得单相交错式PFC电路不仅具有交流电转换为直流电的功能，而且能够将直流电逆变为交流电输出，并且结构变更简单，同时保留有原有交错式PFC电路所具有的优点，例如转换效率高，输出直流电压稳定，电压电流纹波小，开关管损坏平衡，利于散热等。
为实现上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种车载充电器，其包括根据上述的单相交错式PFC电路。
本发明实施例的车载充电器，通过上述的单相交错式PFC电路，不仅能够将交流电转换为直流电给动力电池充电，而且能够将动力电池输出的直流电逆变为交流电输出，并且结构变更简单，且具有原有交错式PFC电路所具有的优点。
为实现上述目的，本发明又一方面实施例提出了一种电动汽车，其包括上述的单相交错式PFC电路。
本发明实施例的车载充电器，通过上述的单相交错式PFC电路，不仅能够将交流电转换为直流电给动力电池充电，而且能够将动力电池输出的直流电逆变为交流电输出，并且结构变更简单，且具有原有交错式PFC电路所具有的优点。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种单相交错式PFC电路，其特征在于，包括：
整流桥，所述整流桥的第一输入端和第二输入端对应连接到第一开关的第一端和第二端，所述第一开关的第三端和第四端对应连接到交流电源的两端；
PFC单元，所述PFC单元包括第一至第四开关管、第一电感和第二电感，第一开关管和第二开关管组成第一桥臂，第三开关管和第四开关管组成第二桥臂，所述第一桥臂具有第一节点，所述第二桥臂具有第二节点，所述第一开关管与所述第三开关管之间具有第三节点，所述第二开关管与所述第四开关管之间具有第四节点，所述第一节点通过所述第一电感与所述交流电源的一端相连，所述第二节点与所述第二电感的一端相连，所述第三节点与所述整流桥的第一输出端相连，所述第四节点与所述整流桥的第二输出端相连；
切换开关，所述切换开关的第一端与所述交流电源的一端相连，所述切换开关的第二端与所述交流电源的另一端相连，所述切换开关的第三端与所述第二电感的另一端相连；
控制单元，所述控制单元通过对所述切换开关、所述第一开关和所述第一至第四开关管进行控制以使所述单相交错式PFC电路在功率因数校正工作模式和逆变工作模式之间进行切换。
2.根据权利要求1所述的单相交错式PFC电路，其特征在于，其中，
所述控制单元在控制所述切换开关的第三端与所述切换开关的第一端连通，且控制所述第一开关将所述整流桥与所述交流电源连通时，并通过对所述第一至第四开关管进行控制以使所述单相交错式PFC电路处于功率因数校正工作模式；
所述控制单元在控制所述切换开关的第三端与所述切换开关的第二端连通，且控制所述第一开关将所述整流桥与所述交流电源断开时，并通过对所述第一至第四开关管进行控制以使所述单相交错式PFC电路处于逆变工作模式。
3.根据权利要求1或2所述的单相交错式PFC电路，其特征在于，所述切换开关为单刀双掷开关、继电器或者由半导体开关构成。
4.根据权利要求1或2所述的单相交错式PFC电路，其特征在于，所述第一开关为继电器或者由半导体开关构成。
5.根据权利要求1所述的单相交错式PFC电路，其特征在于，还包括：
第一采样电路，所述第一采样电路用于采样交流侧的电压和电流；
第二采样电路，所述第二采样电路用于采样直流侧的电压，其中，当所述单相交错式PFC电路处于功率因数校正工作模式时，所述控制单元通过控制所述第一至第四开关管以使所述交流侧的电压和电流同步，并使所述直流侧的电压恒定。
6.根据权利要求1所述的单相交错式PFC电路，其特征在于，当所述单相交错式PFC电路处于逆变工作模式时，所述控制单元输出SPWM信号以控制所述第一至第四开关管的导通或关断，以使所述单相交错式PFC电路将直流侧的直流电逆变为交流电。
7.根据权利要求1所述的单相交错式PFC电路，其特征在于，所述第一至第四开关管中的每个开关管包括MOS管、二极管和PFC电容，所述MOS管的漏极与所述二极管的阴极相连，所述MOS管的源极与所述二极管的阳极相连，所述MOS管的栅极与所述控制单元相连，所述PFC电容与所述二极管并联。
8.根据权利要求1所述的单相交错式PFC电路，其特征在于，所述整流桥的第一输入端与第二输入端之间连接有第一滤波电容，所述第三节点与所述第四节点之间连接有第二滤波电容。
9.一种车载充电器，其特征在于，包括根据权利要求1-8中任一项所述的单相交错式PFC电路。
10.一种电动汽车，其特征在于，包括根据权利要求1-8中任一项所述的单相交错式PFC电路。
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