CN109842287A - 一种兼容单相和三相交流输入的pfc电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种兼容单相和三相交流输入的PFC电路及其控制方法，通过电压检测模块检测市电和三相电压的输入状态，反馈检测结果给控制模块；控制模块根据检测结果输出驱动信号和控制信号；输入开关切换模块根据驱动信号控制内部开关的通断状态，将三相火线中的任一相的火线接入三相PFC功率模块以进入单相工作模式，或将三相火线均接入三相PFC功率模块以进入三相工作模式；三相PFC功率模块根据控制信号对市电整流或逆变；在单相工作模式下对三相PFC功率模块的两个桥臂并联输出，获得两倍的单个桥臂输出功率；两个桥臂交错并联进行整流或逆变，使两个桥臂的电流纹波互相抵消；解决现有单相输出1/3功率且正负母线电压不平衡及纹波较大的问题。

Description

一种兼容单相和三相交流输入的PFC电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及功率电路和拓扑技术领域，尤其涉及一种兼容单相和三相交流输入的PFC电路及其控制方法。

背景技术

交流转直流(AC/DC)电源，如通信一次电源和电动车车载充电机(OBC)，其典型架构通常是交流市电先经过PFC(功率因数校正)电路整流为直流电，再通过后级的DCDC电路转化为后级负载所需要的电压电流。

常见的市电供电输入，由于基础设施的限制，有单相和三相两种典型配电。一般大功率的用电装置会倾向采用三相交流配电，且三相交流配电分为带中线和不带中线两种情况。由于基础设施的配电限制，实际许多场合并没有配备三相交流电，而是选自单相配电。为了提高用电装置的兼容性，对用电装置提出了兼容单相电和三相电输入的需求。

但是，当三相输入减少到单相输入时，即现有方案的PFC电路工作到单相模式时，只有一相电路在工作，只能输出1/3的三相满载功率。而大功率的三相配电的PFC电路的后级一般采用正负双线的拓扑结构，工作在单相模式时，正负母线的纹波较大，影响均压，从而影响后级DCDC电路的正常工作。从而阻碍了单相电和三相电兼容方案的有效实施。

发明内容

针对上述技术问题，本发明实施例提供了一种兼容单相和三相交流输入的PFC电路及其控制方法，以解决现有PFC电路进行单相工作时、只能输出1/3的三相满载功率且正负母线电压不平衡及纹波较大的问题。

本发明实施例提供一种兼容单相和三相交流输入的PFC电路，连接三相火线和DCDC电路，其包括电压检测模块、输入开关切换模块、三相PFC功率模块、输出模块和控制模块；

所述电压检测模块检测市电和三相电压的输入状态，并反馈检测结果给控制模块；控制模块根据检测结果输出对应的驱动信号给输入开关切换模块，输出对应的控制信号给三相PFC功率模块；

所述输入开关切换模块根据驱动信号控制内部开关的通断状态，将三相火线中的任一相的火线接入三相PFC功率模块以进入单相工作模式，或将三相火线均接入三相PFC功率模块以进入三相工作模式；

所述三相PFC功率模块根据控制信号对单相工作模式和三相工作模式下输入的市电进行整流或逆变，输出正负母线电压给输出模块；在单相工作模式下进行对应两个桥臂的并联输出，控制模块控制两个桥臂交错并联进行整流或逆变；

所述输出模块为正负双直流母线结构，对所述正负母线电压进行滤波后输出给DCDC电路。

可选地，所述的兼容单相和三相交流输入的PFC电路中，所述输入开关切换模块包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关和第五开关；

所述第一开关的一端连接第四开关的一端、三相火线的A相和电压检测模块；第一开关的另一端连接三相PFC功率模块，第四开关的另一端连接第二开关的另一端和三相PFC功率模块，第二开关的一端连接三相火线的B相和电压检测模块，第三开关的一端连接三相火线的C相和电压检测模块，第三开关的另一端连接第五开关的另一端和三相PFC功率模块，第五开关的一端连接三相火线的中线，第一开关至第五开关的控制端均连接控制模块。

可选地，所述的兼容单相和三相交流输入的PFC电路中，所述三相PFC功率模块包括第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂；

所述第一桥臂的输入端连接第一开关的另一端，第二桥臂的输入端连接第四开关的另一端，第三桥臂的输入端连接第三开关的另一端；第一桥臂的第一输出端、第二桥臂的第一输出端、第三桥臂的第一输出端相互连接并连接输出模块；第一桥臂的第二输出端、第二桥臂的第二输出端、第三桥臂的第二输出端相互连接并连接输出模块；第一桥臂的第三输出端、第二桥臂的第三输出端、第三桥臂的第三输出端相互连接并连接中线。

可选地，所述的兼容单相和三相交流输入的PFC电路中，所述第一桥臂包括第一电抗器、第一开关组、第一开关管、第二开关管、第一二极管和第二二极管；

所述第一电抗器的一端连接第一桥臂的输入端，第一电抗器的另一端连接第一开关组的第1脚，第一开关组的第2脚连接第二开关管的一端和第二二极管的负极，第二开关管的另一端连接第二二极管的正极和第一桥臂的第二输出端，第一开关组的第3脚连接第一桥臂的第三输出端，第一开关组的第4脚连接第一开关管的另一端和第一二极管的正极，第一开关管的一端连接第一二极管的负极和第一桥臂的第一输出端；第一开关组、第一开关管、第二开关管的控制端均连接控制模块。

可选地，所述的兼容单相和三相交流输入的PFC电路中，所述第二桥臂包括第二电抗器、第二开关组、第三开关管、第四开关管、第三二极管和第四二极管；所述第二电抗器的一端连接第二桥臂的输入端，第二电抗器的另一端连接第二开关组的第1脚，第二开关组的第2脚连接第四开关管的一端和第四二极管的负极，第四开关管的另一端连接第四二极管的正极和第二桥臂的第二输出端，第二开关组的第3脚连接第二桥臂的第三输出端，第二开关组的第4脚连接第三开关管的另一端和第三二极管的正极，第三开关管的一端连接第三二极管的负极和第二桥臂的第一输出端；第二开关组、第三开关管、第四开关管的控制端均连接控制模块。

可选地，所述的兼容单相和三相交流输入的PFC电路中，所述第三桥臂包括第三电抗器、第三开关组、第五开关管、第六开关管、第五二极管和第六二极管；所述第三电抗器的一端连接第三桥臂的输入端，第三电抗器的另一端连接第三开关组的第1脚，第三开关组的第2脚连接第六开关管的一端和第六二极管的负极，第六开关管的另一端连接第六二极管的正极和第三桥臂的第二输出端，第三开关组的第3脚连接第三桥臂的第三输出端，第三开关组的第4脚连接第五开关管的另一端和第五二极管的正极，第五开关管的一端连接第五二极管的负极和第三桥臂的第一输出端；第三开关组、第五开关管、第六开关管的控制端均连接控制模块。

可选地，所述的兼容单相和三相交流输入的PFC电路中，所述输出模块包括第一输出电容和第二输出电容；所述第一输出电容的正极连接正母线、第三桥臂的第一输出端和DCDC电路；第一输出电容的负极连接第二输出电容的正极、第三桥臂的第三输出端和中线；第二输出电容的负极连接负母线、第三桥臂的第二输出端和DCDC电路。

可选地，所述的兼容单相和三相交流输入的PFC电路中，所述输入开关切换模块包括第一开关、第二选择开关和第三选择开关；所述第一开关的一端连接第二选择开关的第2脚、三相火线的A相和电压检测模块；第一开关的另一端连接三相PFC功率模块30，第二选择开关的第1脚连接三相火线的B相和电压检测模块，第二选择开关的第3脚连接三相PFC功率模块，第三选择开关的第1脚连接三相火线的C相和电压检测模块，第三选择开关的第2脚连接三相火线的中线，第三选择开关的第3脚连接三相PFC功率模块，第二选择开关和第三选择开关的控制端均连接控制模块。

可选地，所述的兼容单相和三相交流输入的PFC电路中，所述三相PFC功率模块包括第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂；所述第一桥臂的输入端连接第一开关的另一端，第二桥臂的输入端连接第二选择开关的第3脚，第三桥臂的输入端连接第三选择开关的第3脚；第一桥臂的第一输出端、第二桥臂的第一输出端、第三桥臂的第一输出端相互连接并连接输出模块；第一桥臂的第二输出端、第二桥臂的第二输出端、第三桥臂的第二输出端相互连接并连接输出模块；第一桥臂的第三输出端、第二桥臂的第三输出端、第三桥臂的第三输出端相互连接并连接中线。

本发明实施例第二方面提供了一种采用所述的兼容单相和三相交流输入的PFC电路的控制方法，包括：

步骤A、电压检测模块检测市电和三相电压的输入状态，并反馈检测结果给控制模块；控制模块根据检测结果输出对应的驱动信号给输入开关切换模块，输出对应的控制信号给三相PFC功率模块；

步骤B、输入开关切换模块根据驱动信号控制内部开关的通断状态，将三相火线中的任一相的火线接入三相PFC功率模块以进入单相工作模式，或将三相火线均接入三相PFC功率模块以进入三相工作模；

步骤C、三相PFC功率模块根据控制信号对单相工作模式和三相工作模式下输入的市电进行整流或逆变，输出正负母线电压给输出模块；在单相工作模式下进行对应两个桥臂的并联输出，控制模块控制两个桥臂交错并联进行整流或逆变；

步骤D、输出模块对所述正负母线电压进行滤波后输出给DCDC电路。

本发明实施例提供的技术方案中，兼容单相和三相交流输入的PFC电路连接三相火线和DCDC电路，包括电压检测模块、输入开关切换模块、三相PFC功率模块、输出模块和控制模块；所述电压检测模块检测市电和三相电压的输入状态，并反馈检测结果给控制模块；控制模块根据检测结果输出对应的驱动信号给输入开关切换模块，输出对应的控制信号给三相PFC功率模块；所述输入开关切换模块根据驱动信号控制内部开关的通断状态，将三相火线中的任一相的火线接入三相PFC功率模块以进入单相工作模式，或将三相火线均接入三相PFC功率模块以进入三相工作模式；所述三相PFC功率模块根据控制信号对单相工作模式和三相工作模式下输入的市电进行整流或逆变，输出正负母线电压给输出模块；在单相工作模式下进行对应两个桥臂的并联输出，控制模块控制两个桥臂交错并联进行整流或逆变；所述输出模块为正负双直流母线结构，对所述正负母线电压进行滤波后输出给DCDC电路。单相工作模式下将两个桥臂并联，即可获得两倍的单个桥臂输出功率，从而解决单相时只能输出1/3的三相满载功率的问题。同时，两个并联的桥臂采用交错控制方式进行整流/逆变控制，使两个桥臂的电流纹波互相抵消，从而可进一步减少单相输入情况下的电流纹波，解决单相工作时正负母线电压不平衡及纹波较大，影响均压的问题。

附图说明

图1为本发明实施例兼容单相和三相交流输入的PFC电路的结构示意图。

图2为本发明实施例一中兼容单相和三相交流输入的PFC电路的电路示意图。

图3为本发明实施例一中开关组内部的开关配置实施例一的原理示意图。

图4为本发明实施例一中开关组内部的开关配置实施例二的原理示意图。

图5为本发明实施例一中开关组内部的开关配置实施例三的原理示意图。

图6为本发明实施例一中单相工作模式下平衡桥臂的等效电路原理示意图。

图7为本发明实施例二中兼容单相和三相交流输入的PFC电路的电路示意图。

图8为本发明实施例二中选择开关单端动作方式的原理示意图。

图9为本发明实施例二中选择开关双端动作方式的原理示意图。

图10为本发明实施例兼容单相和三相交流输入的PFC电路的控制方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例提供的兼容单相和三相交流输入的PFC电路连接三相火线和后级的DCDC电路；所述PFC电路包括电压检测模块10、输入开关切换模块20、三相PFC功率模块30、输出模块40和控制模块50。交流市电三相输入条件下，所述PFC电路可兼容带N线(4线)或不带N线(3线)的两种输入组合。所述电压检测模块10连接输入开关切换模块20以及三相火线的A相、B相、C相和/或中线N；输入开关切换模块20连接三相PFC功率模块30以及三相火线的A相、B相、C相；输出模块40连接三相PFC功率模块30和控制模块50，控制模块50连接电压检测模块10、输入开关切换模块20和三相PFC功率模块30。

所述电压检测模块10用于检测市电和三相电压的输入状态(如市电是否输入，A、B、C三相电压是同时输入还是仅其中一相输入)，以确认市电输入的配置状态，同时反馈检测结果给控制模块50。

控制模块50根据检测结果输出对应的驱动信号给输入开关切换模块20，输出对应的控制信号给三相PFC功率模块30。所述控制模块50通过输出的驱动信号和控制信号来实现对输入开关切换模块20和三相PFC功率模块30的动作逻辑控制和驱动；完成单相工作模式、三相工作模式的自动检测和平滑安全切换。

所述输入开关切换模块20根据驱动信号控制内部开关的通断状态，将三相火线中的任一相的火线接入三相PFC功率模块以进入单相工作模式，或将三相火线均接入三相PFC功率模块以进入三相工作模式，以实现单相输入和三相输入的兼容。

所述三相PFC功率模块30根据控制信号对两种工作模式下输入的市电进行整流或逆变、功率因数校正，其拓扑为输出为正负双母线结构，分别是DC+和DC-，输出正负母线电压给输出模块，同时可实现能量在PFC输入和正负母线之间双向流动，即同时具备整流和逆变功能。在单相工作模式下进行对应两个桥臂的并联输出，控制模块控制两个桥臂交错并联进行整流或逆变。

所述输出模块40为正负双直流母线结构，对三相PFC功率模块输出的电压进行滤波后输出给DCDC电路。在单相模式下，一相经过输入开关切换模块20的切换，转变为正负母线电压的电压平衡电路，以实现单相模式下减少母线电压电流纹波和实现正负母线的电压均衡，保证后级的DCDC电路在单相模式下能正常工作。

在控制模块50的控制下，通过对输入开关切换模块20内开关的切换和三相PFC功率模块30的工作模态的相应调整，实现对单相和三相交流输入电压和自适应处理并能获得最大功率输出。这样使AC/DC电源能满足三相带中线N输入、三相不带中线N输入和单相输入三种情况，极大地增加了电源的兼容性和适应性。此PFC电路在单相输入情况下还能提升输入功率，使设备能输出更大的功率，提高设备的使用效益；这是因为单相工作模式下是将两个桥臂并联，即可获得两倍的单个桥臂输出功率，从而解决单相时只能输出1/3的三相满载功率的问题。同时，两个并联的桥臂采用交错控制方式进行整流/逆变控制，使两个桥臂的电流纹波互相抵消，从而可进一步减少单相输入情况下的电流纹波，解决单相工作时正负母线电压不平衡及纹波较大，影响均压的问题。

所述兼容单相和三相交流输入的PFC电路适用于新能源汽车的交流充电系统，充电桩有单相和三相两种交流输入配电，需要大功率的OBC(车载充电机)能同时兼容这两种输入，并且能在单相条件下尽可能输出最大功率，以使其能在各种场合均能满足实际使用需要。

请同时参阅图2，在实施例一中，所述输入开关切换模块20包括第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3、第四开关SW4和第五开关SW5；所述第一开关SW1的一端连接第四开关SW4的一端、三相火线的A相和电压检测模块10；第一开关SW1的另一端连接三相PFC功率模块30，第四开关SW4的另一端连接第二开关SW2的另一端和三相PFC功率模块30，第二开关SW2的一端连接三相火线的B相和电压检测模块10，第三开关SW3的一端连接三相火线的C相和电压检测模块10，第三开关SW3的另一端连接第五开关SW5的另一端和三相PFC功率模块30，第五开关SW5的一端连接三相火线的中线N(若是不带中线N则输入的N线端子不接，即第五开关SW5的一端悬空)，第一开关SW1至第五开关SW5的控制端均连接控制模块50。

其中，所述第一开关SW1和第四开关SW4控制逻辑上相反，不会同时闭合，以防止A相和B相之间短路。第三开关SW3和第五开关SW5控制逻辑上相反，不会同时闭合，以防止C相和中线N之间短路。第一开关SW1至第五开关SW5可以是分立器件，如继电器、接触器等机械开关；或者是功率电子开关，如SCR(可控硅)、MOSFET(高压金属氧化物硅场效应晶体管)、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、GTO(可关断晶闸管)、BJT(双极结型晶体管)、JFET(结型场效应晶体管)等电子开关或这些电子开关所组成的组合开关、集成电子开关模块；或者是集成的机械开关，比如第一开关SW1至第五开关SW5集成在一个多刀多掷的继电器或者接触器中，实现每路的开关功能；以此类推，也可对其中的任意两个或者多个开关进行集成而形成的各种开关组合。优选地，在实施例一中，第一开关SW1至第五开关SW5采用分立开关。

所述输入开关切换模块20的输入连接三相火线，输出连接到三相PFC功率模块30。所述三相PFC功率模块30包括第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂；所述第一桥臂的输入端连接第一开关SW1的另一端，第二桥臂的输入端连接第四开关SW4的另一端，第三桥臂的输入端连接第三开关SW3的另一端；第一桥臂的第一输出端、第二桥臂的第一输出端、第三桥臂的第一输出端相互连接并连接输出模块40；第一桥臂的第二输出端、第二桥臂的第二输出端、第三桥臂的第二输出端相互连接并连接输出模块40；第一桥臂的第三输出端、第二桥臂的第三输出端、第三桥臂的第三输出端相互连接并连接中线N(无中线N时不接，即悬空)。

所述第一桥臂包括第一电抗器L1、第一开关组SW6、第一开关管SW9、第二开关管SW10、第一二极管D1和第二二极管D2；所述第一电抗器L1的一端连接第一桥臂的输入端，第一电抗器L1的另一端连接第一开关组SW6的第1脚，第一开关组SW6的第2脚连接第二开关管SW10的一端和第二二极管D2的负极，第二开关管SW10的另一端连接第二二极管D2的正极和第一桥臂的第二输出端，第一开关组SW6的第3脚连接第一桥臂的第三输出端，第一开关组SW6的第4脚连接第一开关管SW9的另一端和第一二极管D1的正极，第一开关管SW9的一端连接第一二极管D1的负极和第一桥臂的第一输出端；第一开关组SW6、第一开关管SW9、第二开关管SW10的控制端均连接控制模块50。

所述第二桥臂包括第二电抗器L2、第二开关组SW7、第三开关管SW11、第四开关管SW12、第三二极管D3和第四二极管D4；所述第二电抗器L2的一端连接第二桥臂的输入端，第二电抗器L2的另一端连接第二开关组SW7的第1脚，第二开关组SW7的第2脚连接第四开关管SW12的一端和第四二极管D4的负极，第四开关管SW12的另一端连接第四二极管D4的正极和第二桥臂的第二输出端，第二开关组SW7的第3脚连接第二桥臂的第三输出端，第二开关组SW7的第4脚连接第三开关管SW11的另一端和第三二极管D3的正极，第三开关管SW11的一端连接第三二极管D3的负极和第二桥臂的第一输出端；第二开关组SW7、第三开关管SW11、第四开关管SW12的控制端均连接控制模块50。

所述第三桥臂包括第三电抗器L3、第三开关组SW8、第五开关管SW13、第六开关管SW14、第五二极管D5和第六二极管D6；所述第三电抗器L3的一端连接第三桥臂的输入端，第三电抗器L3的另一端连接第三开关组SW8的第1脚，第三开关组SW8的第2脚连接第六开关管SW14的一端和第六二极管D6的负极，第六开关管SW14的另一端连接第六二极管D6的正极和第三桥臂的第二输出端，第三开关组SW8的第3脚连接第三桥臂的第三输出端，第三开关组SW8的第4脚连接第五开关管SW13的另一端和第五二极管D5的正极，第五开关管SW13的一端连接第五二极管D5的负极和第三桥臂的第一输出端；第三开关组SW8、第五开关管SW13、第六开关管SW14的控制端均连接控制模块50。其中，第一二极管D1～第六二极管D6可以与对应的开关管并联，也可集成在对应开关管内部(即第一开关管SW9至第六开关管SW14体内自带二极管)。在实施例一中，第一开关组SW6至第三开关组SW8有三种典型的开关组合实现方式，如图3、图4和图5所示，可采用三种典型中的任一一种。内部的Q1和Q2为开关管，本实施例所示为MOSFET，在具体实施时也可采用IGBT、GTO、BJT、JFET、SiC MOSFET、GaN MOSFET或者由类似开关管所组成的复合开关管，如级联结构的SiC MOSFET、SiC JFET、GaN MOSFET和GaN JFET等。Q1和Q2所有可替换的开关管的连接方式和驱动逻辑与图3至图5所示的开关效果等效。

第一开关管SW9至第六开关管SW14能同时实现整流和逆变功能，第一二极管D1至第六二极管D6为对应开关管体内二极管或者外部并联的二极管。如果只需要整流功能，则开关管SW11～SW14可以去掉，只保留二极管D1～D4以节约成本。第一开关管SW9和第二开关管SW10在三相模式辅助实现整流/逆变功能，在单相模式则作为平衡桥臂开关管、以实现正负母线电压的均压功能。

所述输出模块40包括第一输出电容C1和第二输出电容C2；所述第一输出电容C1的正极连接正母线DC+、第三桥臂的第一输出端和DCDC电路；第一输出电容C1的负极连接第二输出电容C2的正极、第三桥臂的第三输出端和中线N；第二输出电容C2的负极连接负母线DC-、第三桥臂的第二输出端和DCDC电路。

其中，输出为正负双直流母线结构，即正母线DC+和负母线DC-，以中线N网络为参考，两者串联组成总的直流输出母线。输出的正负母线电压通过后级的DCDC电路转换成负载所需的电压电流。

请继续参阅图2至图6，在实施例一中，所述兼容单相和三相交流输入的PFC电路的工作原理为：

一、三相工作模式(三相整流/逆变)。

当电压检测模块10检测市电输入且A、B、C三相电压正常时，将检测结果反馈给控制模块50，进入三相工作模式。在此三相工作模式下，带中线N和不带中线N的两种配置的兼容由三相PFC功率模块30本身控制算法实现，不影响后面的相关操作。

进入三相工作模式后，控制模块50先将第四开关SW4和第五开关SW5断开，然后将第一开关SW1、第二开关SW2和第三开关SW3闭合，从而将A、B、C三相的火线分别连接到三个桥臂。三个桥臂的输出并联到公共输出的正负母线DC±上，从而实现三相整流/逆变功能(带N线或不带N线)，此三相工作模式下的PFC为满功率输出。

二、单相工作模式(单相整流/逆变)。

当电压检测模块检测到市电输入且只有A相电压正常时，进入单相工作模式。在具体实施时，也可以只有B相电压或C相电压正常，此处以A相电压为例，即单相供电时外部接线是接到A相的输入，接到B相或C相输入的原理与A相相同，如果相用B相作为单相输入，则将图2中A相和B相火线输入对调，以此类推。

控制模块50输出相应的驱动信号先将SW2和SW3断开，然后将SW1、SW4和SW5闭合。其中SW2和SW4控制逻辑上相反，不会同时闭合，以防A相和B相之间短路。SW3和SW5控制逻辑上相反，不会同时闭合，以防止C相和中线N之间短路。SW1、SW4和SW5闭合后，A相火线通过SW1和SW4分别连接到三相PFC变换器的第一桥臂(由L1、SW6、SW9、SW10、D1和D2组成)和第二桥臂(由L2、SW7、SW11、SW12、D3和D4组成)。

现有技术在单相输入的情况下，只有单个桥臂工作，故只能输出1/3的三相额定功率。而本实施例通过控制SW1～SW6之间的切换，实现第一桥臂和第二桥臂两相桥臂的并联，即可获得两倍的单个桥臂输出功率。同时，两个并联的桥臂的开关管(SW6、SW7)还可以采用交错控制方式进行整流/逆变控制，即控制两个桥臂的开关管的占空比相位错开180度，使两个桥臂的电流纹波互相抵消，从而可进一步减少单相输入情况下的电流纹波，进一步提高单相工作时的性能表现。

现有PFC电路的第一桥臂和第二桥臂的并联输出到正负母线DC±，由于输出母线采用了正负双母线结构，在单相交流市电输入的正半周时，PFC输出只向正母线DC+提供功率。同样地，在单相交流市电输入的负半周时，三相PFC功率模块30的输出只向负母线DC-提供功率。由于后级的DCDC电路需要母线持续地提供功率，此情况下会造成母线上有较大的电压电流波动，进而造成正负母线电压的不平衡，需要设置很大容量的母线电容进行滤波，同时还会影响后续的DCDC电路的正常工作。而本实施例的三相PFC功率模块30中，将没有输出的桥臂(此处为第三桥臂)以及前端对应连接的开关作为平衡桥臂，在单相工作模式时，平衡桥臂可主动平衡正负母线电压，以减少母线电容(此处为C1和C2)的容量，从而减少产品的体积和成本，还能保证后级的DCDC电路的正常工作。

本实施例中，平衡桥臂由SW5和第三桥臂组成。第三桥臂的开关组SW8如图3至图5所示，三种不同的实现方式，其每种实现方式在作为平衡桥臂工作的情况下，控制逻辑分别阐述如下。

当开关组SW6、SW7、SW8采用图3所示的第一种开关配置时，组成I字型三电平整流/逆变拓扑；如SW8内部的Q1和SW13驱动逻辑一致，Q2和SW14驱动逻辑一致。当开关组SW6、SW7、SW8采用图4所示的第二种开关配置时，组成T字型三电平整流/逆变拓扑；如SW8内部的Q1和Q2在此模式下保持常断状态。三个桥臂工作模式相同，以第一桥臂为例，整流模式时Q1、Q2是PFC开关管，通过控制其开关的占空比，实现A相输入电流对输入A相电压的跟踪和PFC输出的母线电压的稳压，D1、D2是PFC输出整流管。逆变模式时SW9、SW10是逆变器的开关管，通过控制其开关的占空比，实现逆变器输出电压的控制，Q1、Q2是逆变器的钳位管。另外此拓扑兼容输入带N线或者不带N线，N线在此拓扑中非必要，只是控制算法上会有差别。

当开关组SW6、SW7、SW8采用图5所示的第三种开关配置时，组成两电平整流/逆变拓扑，不需要额外控制。三个桥臂工作模式相同。以第一桥臂为例，SW9、SW10同时是整流和逆变的开关管，其工作在整流或者逆变模式，由其占空比和A相输入电压的相位关系所决定。同样地，此拓扑兼容输入带N线或者不再N线，N线在此拓扑中非必要，只是控制算法上会有差别。

当第三开关组SW8按上述的控制逻辑进行操作后，第三桥臂的开关管的演变和等效关系为：

当第三开关组SW8采用图3所示的第一种开关配置和上述控制逻辑，第五开关管SW13和第一种开关配置内的Q1控制逻辑相同，则Q1、SW13和D5等效为图6中的SW15和D7；第六开关管SW14和第一种开关配置内的Q2控制逻辑相同，则Q2、SW14和D6等效为图6中的SW16和D8。

当第三开关组SW8采用图4所示的第二种开关配置和上述控制逻辑，则第SW13和D5等效为图6中的SW15和D7，SW14和D6等效为图6中的SW16和D8。

当第三开关组SW8采用图5所示的第三种开关配置和上述控制逻辑，则SW13和D5等效图6中的SW15和D7，SW14和D6等效为图6中的SW16和D8。

如上所述，经过相应的控制逻辑进行控制，第三桥臂可等效为图6的平衡桥臂。此平衡桥臂的工作原理：开关SW15和开关SW16的开关占空比互补，为防止两者之间直通，还需要设置死区时间。开关SW15的导通占空比为Don，则在Don时间内，正母线电压V_DC+、开关SW15和第三电抗器L3形成回路，对第三电抗器L3正向励磁。在1-Don时间内，负母线电压V_DC-、开关SW16和第三电抗器L3形成回路，对第三电抗器L3反向励磁。由第三电抗器L3的磁通平衡关系，可以推导出占空比Don和母线电压V_DC+、V_DC-的关系公式为：

通过调节开关SW15的占空比，即可实现对正负母线的均压控制。

在具体实施时，还可对输入开关切换模块20的内部结构进行改进，采用选择开关来实现单相工作模式和三相输入工作模式的切换。请同时参阅图7，在实施例二中，所述输入开关切换模块20^/包括第一开关SW1^/、第二选择开关SW2^/和第三选择开关SW3^/；所述第一开关SW1^/的一端连接第二选择开关SW2^/的第2脚、三相火线的A相和电压检测模块10；第一开关SW1^/的另一端连接三相PFC功率模块30(第一桥臂的输入端)，第二选择开关SW2^/的第1脚连接三相火线的B相和电压检测模块10，第二选择开关SW2^/的第3脚连接三相PFC功率模块30(第二桥臂的输入端)，第三选择开关SW3^/的第1脚连接三相火线的C相和电压检测模块10，第三选择开关SW3^/的第2脚连接三相火线的中线N(若是不带中线N则不接，即悬空)，第三选择开关SW3^/的第3脚连接三相PFC功率模块30(第三桥臂的输入端)，第二选择开关SW2^/和第三选择开关SW3^/的控制端均连接控制模块50。

其中，第一开关SW1^/是分立开关，第二选择开关SW2^/和第三选择开关SW3^/可采用图8所示的单端动作方式或图9所示的双端动作方式。图8中的选择开关有两个单端动作端点(1、2)和一个公共端点3，其具体实施时可采用双触点的继电器、接触器等机械开关，或者两路电子开关来实现选择功能。图8中的选择开关有两个双端动作端点，两个双端动作端点的一端分别接两路输入线，另外一端直接短接，其具体实施时可采用有两对触点的继电器、接触器等机械开关，或者两路电子开关来实现选择功能。

当工作在三相整流/逆变模式时，控制模块将SW1^/闭合，并控制SW2^/和SW3^/的第1脚和第3脚连通，从而完成三相模式所对应的输入开关切换阵列的开关状态切换。

当工作在单相相整流/逆变模式时，控制模块将SW1^/闭合，并控制SW2^/和SW3^/的第2脚和第3脚连通，从而完成单相模式所对应的输入开关切换阵列的开关状态切换。

基于上述的兼容单相和三相交流输入的PFC电路，本发明还相应提供一种兼容单相和三相交流输入的PFC电路的控制方法，如图10所示，所述PFC电路的控制方法包括：

S100、电压检测模块检测市电和三相电压的输入状态，并反馈检测结果给控制模块；控制模块根据检测结果输出对应的驱动信号给输入开关切换模块，输出对应的控制信号给三相PFC功率模块；

S200、输入开关切换模块根据驱动信号控制内部开关的通断状态，将三相火线中的任一相的火线接入三相PFC功率模块以进入单相工作模式，或将三相火线均接入三相PFC功率模块以进入三相工作模式；

S300、三相PFC功率模块根据控制信号对单相工作模式和三相工作模式下输入的市电进行整流或逆变，输出正负母线电压给输出模块；在单相工作模式下进行对应两个桥臂的并联输出，控制模块控制两个桥臂交错并联进行整流或逆变；

S400、输出模块对所述正负母线电压进行滤波后输出给DCDC电路。

综上所述，本发明提供的兼容单相和三相交流输入的PFC电路及其控制方法，与现有技术相比，具有如下有益效果：

通过前端的电压检测模块和输入开关切换模块，能实现对市电和三相电压的输入状态的自动识别，并通过控制输入开关切换模块内部开关的状态，切换到适合输入的相应工作模态，还能防止输入配电变化可能引发的意外情况。

在兼容单相和三相交流输入，三相输入的情况下，同时兼容带中线和不带中线两种配置。

三相PFC功率模块的功率可双向流动(即兼容整流或者逆变模式)或者单向流动(整流模式)，由电路中的器件配置决定。

单相输入时，通过输入开关切换模块内部开关的切换控制，实现PFC工作模态的变化，满足单相工作的同时，倍增输入功率，提高设备的使用效益。

单相输入时能通过输入开关切换模块的切换配置和后级PFC工作模态的变化，主动平衡PFC输出正负母线的电压，以满足后级DCDC的正常工作要求。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种兼容单相和三相交流输入的PFC电路，连接三相火线和DCDC电路，其特征在于，包括电压检测模块、输入开关切换模块、三相PFC功率模块、输出模块和控制模块；

所述电压检测模块检测市电和三相电压的输入状态，并反馈检测结果给控制模块；控制模块根据检测结果输出对应的驱动信号给输入开关切换模块，输出对应的控制信号给三相PFC功率模块；

所述输入开关切换模块根据驱动信号控制内部开关的通断状态，将三相火线中的任一相的火线接入三相PFC功率模块以进入单相工作模式，或将三相火线均接入三相PFC功率模块以进入三相工作模式；

所述三相PFC功率模块根据控制信号对单相工作模式和三相工作模式下输入的市电进行整流或逆变，输出正负母线电压给输出模块；在单相工作模式下进行对应两个桥臂的并联输出，控制模块控制两个桥臂交错并联进行整流或逆变；

所述输出模块为正负双直流母线结构，对所述正负母线电压进行滤波后输出给DCDC电路。

2.根据权利要求1所述的兼容单相和三相交流输入的PFC电路，其特征在于，所述输入开关切换模块包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关和第五开关；

所述第一开关的一端连接第四开关的一端、三相火线的A相和电压检测模块；第一开关的另一端连接三相PFC功率模块，第四开关的另一端连接第二开关的另一端和三相PFC功率模块，第二开关的一端连接三相火线的B相和电压检测模块，第三开关的一端连接三相火线的C相和电压检测模块，第三开关的另一端连接第五开关的另一端和三相PFC功率模块，第五开关的一端连接三相火线的中线，第一开关至第五开关的控制端均连接控制模块。

3.根据权利要求2所述的兼容单相和三相交流输入的PFC电路，其特征在于，所述三相PFC功率模块包括第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂；

所述第一桥臂的输入端连接第一开关的另一端，第二桥臂的输入端连接第四开关的另一端，第三桥臂的输入端连接第三开关的另一端；第一桥臂的第一输出端、第二桥臂的第一输出端、第三桥臂的第一输出端相互连接并连接输出模块；第一桥臂的第二输出端、第二桥臂的第二输出端、第三桥臂的第二输出端相互连接并连接输出模块；第一桥臂的第三输出端、第二桥臂的第三输出端、第三桥臂的第三输出端相互连接并连接中线。

4.根据权利要求3所述的兼容单相和三相交流输入的PFC电路，其特征在于，所述第一桥臂包括第一电抗器、第一开关组、第一开关管、第二开关管、第一二极管和第二二极管；

所述第一电抗器的一端连接第一桥臂的输入端，第一电抗器的另一端连接第一开关组的第1脚，第一开关组的第2脚连接第二开关管的一端和第二二极管的负极，第二开关管的另一端连接第二二极管的正极和第一桥臂的第二输出端，第一开关组的第3脚连接第一桥臂的第三输出端，第一开关组的第4脚连接第一开关管的另一端和第一二极管的正极，第一开关管的一端连接第一二极管的负极和第一桥臂的第一输出端；第一开关组、第一开关管、第二开关管的控制端均连接控制模块。

5.根据权利要求4所述的兼容单相和三相交流输入的PFC电路，其特征在于，所述第二桥臂包括第二电抗器、第二开关组、第三开关管、第四开关管、第三二极管和第四二极管；所述第二电抗器的一端连接第二桥臂的输入端，第二电抗器的另一端连接第二开关组的第1脚，第二开关组的第2脚连接第四开关管的一端和第四二极管的负极，第四开关管的另一端连接第四二极管的正极和第二桥臂的第二输出端，第二开关组的第3脚连接第二桥臂的第三输出端，第二开关组的第4脚连接第三开关管的另一端和第三二极管的正极，第三开关管的一端连接第三二极管的负极和第二桥臂的第一输出端；第二开关组、第三开关管、第四开关管的控制端均连接控制模块。

6.根据权利要求5所述的兼容单相和三相交流输入的PFC电路，其特征在于，所述第三桥臂包括第三电抗器、第三开关组、第五开关管、第六开关管、第五二极管和第六二极管；所述第三电抗器的一端连接第三桥臂的输入端，第三电抗器的另一端连接第三开关组的第1脚，第三开关组的第2脚连接第六开关管的一端和第六二极管的负极，第六开关管的另一端连接第六二极管的正极和第三桥臂的第二输出端，第三开关组的第3脚连接第三桥臂的第三输出端，第三开关组的第4脚连接第五开关管的另一端和第五二极管的正极，第五开关管的一端连接第五二极管的负极和第三桥臂的第一输出端；第三开关组、第五开关管、第六开关管的控制端均连接控制模块。

7.根据权利要求3所述的兼容单相和三相交流输入的PFC电路，其特征在于，所述输出模块包括第一输出电容和第二输出电容；所述第一输出电容的正极连接正母线、第三桥臂的第一输出端和DCDC电路；第一输出电容的负极连接第二输出电容的正极、第三桥臂的第三输出端和中线；第二输出电容的负极连接负母线、第三桥臂的第二输出端和DCDC电路。

8.根据权利要求1所述的兼容单相和三相交流输入的PFC电路，其特征在于，所述输入开关切换模块包括第一开关、第二选择开关和第三选择开关；所述第一开关的一端连接第二选择开关的第2脚、三相火线的A相和电压检测模块；第一开关的另一端连接三相PFC功率模块30，第二选择开关的第1脚连接三相火线的B相和电压检测模块，第二选择开关的第3脚连接三相PFC功率模块，第三选择开关的第1脚连接三相火线的C相和电压检测模块，第三选择开关的第2脚连接三相火线的中线，第三选择开关的第3脚连接三相PFC功率模块，第二选择开关和第三选择开关的控制端均连接控制模块。

9.根据权利要求8所述的兼容单相和三相交流输入的PFC电路，其特征在于，所述三相PFC功率模块包括第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂；所述第一桥臂的输入端连接第一开关的另一端，第二桥臂的输入端连接第二选择开关的第3脚，第三桥臂的输入端连接第三选择开关的第3脚；第一桥臂的第一输出端、第二桥臂的第一输出端、第三桥臂的第一输出端相互连接并连接输出模块；第一桥臂的第二输出端、第二桥臂的第二输出端、第三桥臂的第二输出端相互连接并连接输出模块；第一桥臂的第三输出端、第二桥臂的第三输出端、第三桥臂的第三输出端相互连接并连接中线。

10.一种采用权利要求1所述的兼容单相和三相交流输入的PFC电路的控制方法，包括：

步骤A、电压检测模块检测市电和三相电压的输入状态，并反馈检测结果给控制模块；控制模块根据检测结果输出对应的驱动信号给输入开关切换模块，输出对应的控制信号给三相PFC功率模块；

步骤B、输入开关切换模块根据驱动信号控制内部开关的通断状态，将三相火线中的任一相的火线接入三相PFC功率模块以进入单相工作模式，或将三相火线均接入三相PFC功率模块以进入三相工作模；

步骤C、三相PFC功率模块根据控制信号对单相工作模式和三相工作模式下输入的市电进行整流或逆变，输出正负母线电压给输出模块；在单相工作模式下进行对应两个桥臂的并联输出，控制模块控制两个桥臂交错并联进行整流或逆变；

步骤D、输出模块对所述正负母线电压进行滤波后输出给DCDC电路。