CN115642813A - 含桥式整流功率模块的整流电路及其输出特性调节方法 - Google Patents

Abstract

含桥式整流功率模块的整流电路及其输出特性调节方法，其中整流电路包括至少1个完整功率模块、至少1个简化功率模块和至少1个电感支路模块。所述完整功率模块、简化功率模块和电感支路模块都具有多种形式。其中，完整功率模块能独立完成电能转换，而简化功率模块则通过电感支路模块与完整功率模块协同工作，该特性使得所述整个电路的输出特性更具可调节性，适用的输出特性调节方法更加多样化。

Description

含桥式整流功率模块的整流电路及其输出特性调节方法

技术领域

本发明涉及整流电路，尤其涉及多输入源的桥式整流电路。

背景技术

整流电路是一种能将交流电(AC)转换成直流电(DC)的电路，广泛应用于电力、交通、冶金、石油、化工等行业。其中，桥式整流电路是一种常见的整流电路，其主要特点为：变压器利用率高、所需整流器件数目较多。

随着新能源发电技术的发展，交流电源呈现出多样性，除了传统的火力、水力、核能发电机组，还包括风力、光热、潮汐、氢能发电机组等。多输入源的整流电路具有综合利用多种交流电源的能力。目前，常见的多输入源的整流电路大多采用“单相多重”的形式。即，多输入源的整流电路由多个相同且独立的单输入源的子整流电路构成，各子整流电路的输入端保持独立但输出端并联。

发明内容

“单相多重”的整流电路构造简单，各子整流电路工作独立，彼此间仅呈现一种简单的解耦工作关系。但是，这种“各子整流电路结构相同且工作独立”的特点会牺牲各子整流电路彼此间协同工作以及整个电路进一步简化的可能性。

为克服现有“单相多重”整流电路中各子整流电路彼此间缺乏协同工作以及电路不够简化的不足，基于桥式整流电路，本发明提出一种含桥式整流功率模块的整流电路，还包括一种适用的输出特性调节方法，使其性能得到进一步提高。

根据本发明实施例的一种含桥式整流功率模块的整流电路，包括完整功率模块、简化功率模块和电感支路模块。其中所述完整功率模块包括：第一变压器，其原边绕组的两个端口用于与第一交流电源相连，其副边绕组的两个端口分别为完整功率模块的第一中间端口和第二中间端口；第一二极管，其阴极与完整功率模块的第一中间端口相连，其阳极用于与直流母线的负端或负载的第二端相连；第二二极管，其阴极与完整功率模块的第二中间端口相连，其阳极用于与直流母线的负端或负载的第二端相连；第三二极管，其阳极与完整功率模块的第一中间端口相连；第四二极管，其阳极与完整功率模块的第二中间端口相连；以及第一电感，其一端与第三二极管和第四二极管的阴极相连，其另一端用于与直流母线的正端或负载的第一端相连。所述简化功率模块包括：第二变压器，其原边绕组的两个端口用于与第二交流电源相连，其副边绕组的两个端口分别为简化功率模块的第一中间端口和第二中间端口；第五二极管，其阴极与简化功率模块的第一中间端口相连，其阳极用于与直流母线的负端或负载的第二端相连；以及第六二极管，其阴极与简化功率模块的第二中间端口相连，其阳极用于与直流母线的负端或负载的第二端相连。所述电感支路模块包括至少一个电感支路，其中：所述电感支路包括电感和二极管，且具有电流输入端和电流输出端，所述电感支路的电流输入端与简化功率模块的第一或第二中间端口相连，所述电感支路的电流输出端与完整功率模块的第一或第二中间端口相连。

本发明的实施例还提供一种含桥式整流功率模块的整流电路，包括完整功率模块、简化功率模块和电感支路模块。其中所述完整功率模块包括：第一变压器，其原边绕组的两个端口用于与第一交流电源相连，其副边绕组的两个端口分别为完整功率模块的第一中间端口和第二中间端口；第一二极管，其阴极与完整功率模块的第一中间端口相连，其阳极用于与直流母线的负端或负载的第二端相连；第二二极管，其阴极与完整功率模块的第二中间端口相连，其阳极用于与直流母线的负端或负载的第二端相连；第三二极管，其阳极与完整功率模块的第一中间端口相连；第四二极管，其阳极与完整功率模块的第二中间端口相连；以及第一电感，其一端与第三二极管和第四二极管的阴极相连，其另一端用于与直流母线的正端或负载的第一端相连。所述简化功率模块包括：第二变压器，其原边绕组的两个端口用于与第二交流电源相连，其副边绕组的两个端口分别为简化功率模块的第一中间端口和第二中间端口；第五二极管，其阳极与简化功率模块的第一中间端口相连，其阴极用于与直流母线的正端或负载的第一端相连；以及第六二极管，其阳极与简化功率模块的第二中间端口相连，其阴极用于与直流母线的正端或负载的第一端相连。所述电感支路模块包括至少一个电感支路，其中：所述电感支路包括电感和二极管，且具有电流输入端和电流输出端，所述电感支路的电流输入端与完整功率模块的第一或第二中间端口相连，所述电感支路的电流输出端与简化功率模块的第一或第二中间端口相连。

本发明的实施例还进一步提供一种含桥式整流功率模块的整流电路，包括完整功率模块、简化功率模块和电感支路模块。其中所述完整功率模块包括：第一变压器，其原边绕组的两个端口用于与第一交流电源相连，其副边绕组的两个端口分别为完整功率模块的第一中间端口和第二中间端口；第一二极管，其阳极与完整功率模块的第一中间端口相连，其阴极用于与直流母线的正端或负载的第一端相连；第二二极管，其阳极与完整功率模块的第二中间端口相连，其阴极用于与直流母线的正端或负载的第一端相连；第三二极管，其阴极与完整功率模块的第一中间端口相连；第四二极管，其阴极与完整功率模块的第二中间端口相连；以及第一电感，其一端与第三二极管和第四二极管的阳极相连，其另一端用于与直流母线的负端或负载的第二端相连。所述简化功率模块包括：第二变压器，其原边绕组的两个端口用于与第二交流电源相连，其副边绕组的两个端口分别为简化功率模块的第一中间端口和第二中间端口；第五二极管，其阴极与简化功率模块的第一中间端口相连，其阳极用于与直流母线的负端或负载的第二端相连；以及第六二极管，其阴极与简化功率模块的第二中间端口相连，其阳极用于与直流母线的负端或负载的第二端相连。所述电感支路模块包括至少一个电感支路，其中：所述电感支路包括电感和二极管，且具有电流输入端和电流输出端，所述电感支路的电流输入端与简化功率模块的第一或第二中间端口相连，所述电感支路的电流输出端与完整功率模块的第一或第二中间端口相连。

本发明的实施例还额外提供一种含桥式整流功率模块的整流电路，包括完整功率模块、简化功率模块和电感支路模块。其中所述完整功率模块包括：第一变压器，其原边绕组的两个端口用于与第一交流电源相连，其副边绕组的两个端口分别为完整功率模块的第一中间端口和第二中间端口；第一二极管，其阳极与完整功率模块的第一中间端口相连，其阴极用于与直流母线的正端或负载的第一端相连；第二二极管，其阳极与完整功率模块的第二中间端口相连，其阴极用于与直流母线的正端或负载的第一端相连；第三二极管，其阴极与完整功率模块的第一中间端口相连；第四二极管，其阴极与完整功率模块的第二中间端口相连；以及第一电感，其一端与第三二极管和第四二极管的阳极相连，其另一端用于与直流母线的负端或负载的第二端相连。所述简化功率模块包括：第二变压器，其原边绕组的两个端口用于与第二交流电源相连，其副边绕组的两个端口分别为简化功率模块的第一中间端口和第二中间端口；第五二极管，其阳极与简化功率模块的第一中间端口相连，其阴极用于与直流母线的正端或负载的第一端相连；以及第六二极管，其阳极与简化功率模块的第二中间端口相连，其阴极用于与直流母线的正端或负载的第一端相连。所述电感支路模块包括至少一个电感支路，其中：所述电感支路包括电感和二极管，且具有电流输入端和电流输出端，所述电感支路的电流输入端与完整功率模块的第一或第二中间端口相连，所述电感支路的电流输出端与简化功率模块的第一或第二中间端口相连。

在一些实施例中，前述电感支路包括串联连接的第七二极管与第二电感。

在一些实施例中，前述电感支路包括：第七二极管，其阳极为所述电感支路的第一电流输入端；第八二极管，其阳极为所述电感支路的第二电流输入端；以及第二电感，其一端与第七二极管和第八二极管的阴极相连，其另一端为所述电感支路的电流输出端。

在一些实施例中，前述电感支路包括：第七二极管，其阴极为所述电感支路的第一电流输出端；第八二极管，其阴极为所述电感支路的第二电流输出端；以及第二电感，其一端与第七二极管和第八二极管的阳极相连，其另一端为所述电感支路的电流输入端。

在一些实施例中，前述电感支路包括：第七二极管，其阳极为所述电感支路的第一电流输入端；第八二极管，其阳极为所述电感支路的第二电流输入端；第九二极管，其阴极为所述电感支路的第一电流输出端；第十二极管，其阴极为所述电感支路的第二电流输出端；以及第二电感，其一端与第七二极管和第八二极管的阴极相连，其另一端与第九二极管和第十二极管的阳极相连。

基于上述结构，作为所述含桥式整流功率模块的整流电路的最基本单元，即“1个完整功率模块+1个简化功率模块+1个电感支路模块”的组合存在至少16种。在最基本单元的基础上，可进一步实现“多个完整功率模块+多个简化功率模块+多个电感支路模块”的复合结构，包括1个完整功率模块连接多个电感支路模块、1个简化功率模块连接多个电感支路模块、不同最基本单元的组合。

在一些实施例中，上述部分或全部二极管可以被可控开关器件(例如同步整流MOSFET)所替代。所述交流电源可以是三电平及以上的多电平交流电源，包括正弦交流电源。所述交流电源可以同源，也可以不同源。

本发明实施例还提供适用于前述整流电路的输出特性调节方法，包括以下步骤的任意组合：

步骤1：增加或减少电感支路模块的数目；

步骤2：增加或减少电感支路模块中电感支路的数目；

步骤3：改变电感支路模块中电感的感值；

步骤4：改变与完整功率模块相连的第一交流电源的工作参数，例如幅值、频率、周期、相位、电平值、脉宽等；

步骤5：改变与简化功率模块相连的第二交流电源的工作参数，例如幅值、频率、周期、相位、电平值、脉宽等。

本发明的有益效果主要表现在：与现有“单相多重”桥式整流电路相比，根据本发明实施例的含桥式整流功率模块的整流电路包括完整功率模块、简化功率模块和电感支路模块，其中完整功率模块能独立完成电能转换，简化功率模块则通过电感支路模块与完整功率模块协同工作。其适用的输出功率调节手段更加多样化，即改变电感支路模块的数目、改变电感支路模块内部电感支路的数目、改变交流电源的工作参数都能调节整流电路输出值，提升了整流电路输出特性的可调节性。

附图说明

图1是本发明实施例1的电路图。

图2是本发明实施例1的输出功率特性图。

图3是本发明实施例2的电路图。

图4是本发明实施例2的输出功率特性图。

图5是本发明实施例2的输出电流纹波特性图。

图6是本发明实施例3的电路图。

图7是本发明实施例4的电路图。

图8是本发明实施例4的输出功率特性图。

图9是本发明实施例4的输出电流纹波特性图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了便于对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，本领域普通技术人员可以理解，这些特定细节并非为实施本发明所必需。此外，在一些实施例中，为了避免混淆本发明，未对公知的电路、材料或方法做具体描述。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图均是为了说明的目的，其中相同的附图标记指示相同的元件。应当理解，当称元件“连接到”或“耦接”到另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件，或者可以存在中间元件。

实施例1

参考图1，一种含桥式整流功率模块的整流电路，包括至少1个完整功率模块、至少1个简化功率模块和至少1个电感支路模块。在一些实施例中，整流电路包括多个完整功率模块、多个简化功率模块和多个电感支路模块，这些完整功率模块、简化功率模块和电感支路模块可以分别具有相同的结构，也可以不同。

其中，1个完整功率模块为M1，1个简化功率模块为S1，1个电感支路模块为C1。

所述完整功率模块M1包括变压器T_1A、二极管D_1A、D_1B、D_1C、D_1D和电感L_S1A。变压器T_1A的原边绕组的2个端口与交流电源v_AC1相连，其副边绕组的2个端口为中间端口1_A和1_B；二极管D_1A的阴极与第一中间端口1_A相连，其阳极与直流母线的负端V_o ^-或负载的第二端相连；二极管D_1B的阴极与第二中间端口1_B相连，其阳极与直流母线的负端V_o ^-或负载的第二端相连；二极管D_1C的阳极与第一中间端口1_A相连，其阴极与电感L_S1A的一端相连；二极管D_1D的阳极与第二中间端口1_B相连，其阴极与电感L_S1A的一端相连；电感L_S1A的另一端与直流母线的正端V_o ⁺或负载的第一端相连。

所述简化功率模块S1包括变压器T_1a、二极管D_1a和二极管D_1b。变压器T_1a原边绕组的2个端口与交流电源v_ac1相连，其副边绕组的2个端口为中间端口1_a和1_b；二极管D_1a的阴极与第一中间端口1_a相连，其阳极与直流母线的负端V_o ^-或负载的第二端相连；二极管D_1b的阴极与第二中间端口1_b相连，其阳极与直流母线的负端V_o ^-或负载的第二端相连。

所述电感支路模块C1包括4个电感支路。第一电感支路由电感L_a1和二极管D_a1串联而成，第一电感支路的电流输入端与S1的第一中间端口1_a相连，第一电感支路的电流输出端与M1的第一中间端口1_A相连；第二电感支路由电感L_b1和二极管D_b1串联而成，第二电感支路的电流输入端与S1的第二中间端口1_b相连，第二电感支路的电流输出端与M1的第一中间端口1_A相连；第三电感支路由电感L_c1和二极管D_c1串联而成，第三电感支路的电流输入端与S1的第一中间端口1_a相连，第三电感支路的电流输出端与M1的第二中间端口1_B相连；第四电感支路由电感L_d1和二极管D_d1串联而成，第四电感支路的电流输入端与S1的第二中间端口1_b相连，第四电感支路的电流输出端与M1的第二中间端口1_B相连。电感支路中二极管的作用是：限定电流方向和防止环流。C1中电感支路的数目可变，变化范围为0至4。

为便于理解，图1仅显示了整个含桥式整流功率模块的整流电路的一部分——完整功率模块M1、简化功率模块S1和电感支路模块C1。以图1显示的部分为例，介绍完整/简化功率模块及电感支路模块的稳态工作过程。完整功率模块独立工作时，是典型的桥式整流工作过程，故不再赘述。

为简单起见，假设完整功率模块M1和简化功率模块S1采用了相同的元器件，变压器T_1A原边绕组的第一端口(例如，连接至交流电源v_AC1正端)与其副边绕组的第一端口1_A是同名端关系，变压器T_1a原边绕组的第一端口(例如，连接至交流电源v_ac1正端)和其副边绕组的第一端口1_a是同名端关系；与简化功率模块S1相连的交流电源v_ac1为一三电平交流电源(+V_ac1、0、-V_ac1)，与完整功率模块M1相连的交流电源v_AC1＝A·v_ac1(A为常数)，即v_AC1和v_ac1频率和周期、相位、脉宽都相同，但幅值或电平值不同。以A>1为例，加以说明。图1所示电路的一个工作周期T₁可分为4个阶段，一种典型的工作情况如下：

(1)阶段1：v_ac1＝+V_ac1

完整功率模块M1中：D_1B和D_1C导通，D_1A和D_1D截止，(a)v_AC1经T_1A与D_1C、L_S1A、直流母线或负载、D_1B构成第1个回路；

简化功率模块S1中：D_1b导通，D_1a截止；

电感支路模块C1中：D_c1导通，D_a1和D_d1截止，(b)v_AC1经T_1A、v_ac1经T_1a与D_1C、L_S1A、直流母线或负载、D_1b、D_c1、L_c1构成第2个回路；(c)D_b1导通直至由L_b1、D_1C、L_S1A、直流母线或负载、D_1b、D_b1构成的第3回路中的电流i_b1为零。

(2)阶段2：v_ac1＝0

完整功率模块M1中：D_1A、D_1B、D_1C和D_1D导通，(a)L_S1A、直流母线或负载、D_1A、D_1C构成第1个回路；(b)L_S1A、直流母线或负载、D_1B、D_1D构成第2个回路；

简化功率模块S1中：D_1a和D_1b导通；

电感支路模块C1中：D_c1导通，D_a1、D_b1和D_d1截止；此时，T_1A副边和T_1a副边都相当于短路，流过第三电感支路的电流i_c1经L_S1A由D_1C和D_1D以及D_1a和D_1b共同分担。

(3)阶段3：v_ac1＝-V_ac1

完整功率模块M1中：D_1A和D_1D导通，D_1B和D_1C截止，(a)v_AC1经T_1A与D_1D、L_S1A、直流母线或负载、D_1A构成第1个回路；

简化功率模块S1中：D_1a导通，D_1b截止；

电感支路模块C1中：D_b1导通，D_a1和D_d1截止，(b)v_AC1经T_1A、v_ac1经T_1a与D_b1、L_b1、D_1D、L_S1A、直流母线和负载、D_1a构成第2个回路；(c)D_c1导通直至由L_c1、D_1D、L_S1A、直流母线或负载、D_1a、D_c1构成的第3个回路中的电流i_c1为零。

(4)阶段4：v_ac1＝0

完整功率模块M1中：D_1A、D_1B、D_1C和D_1D导通，(a)L_S1A、直流母线或负载、D_1A、D_1C构成第1个回路；(b)L_S1A、直流母线或负载、D_1B、D_1D构成第2个回路；

简化功率模块S1中：D_1a和D_1b导通；

电感支路模块C1中：D_b1导通，D_a1、D_c1和D_d1截止；此时，T_1A副边和T_1a副边都相当于短路，流过第二电感支路的电流i_b1经L_S1A由D_1C和D_1D以及D_1a和D_1b共同分担。

从上述工作过程可以看出，完整功率模块M1、简化功率模块S1和电感支路模块C1协同工作时，或独立或联合地将2个交流电源的电能转化后供给直流母线或负载。

为了方便理解电感支路模块C1对整个含桥式整流功率模块的整流电路输出特性(主要是输出功率)的影响，假设：V_ac1＝15V，v_ac1的周期T₁＝90μs，v_ac1的+V_ac1脉宽为T₁/4，v_ac1的-V_ac1脉宽为T₁/4，T_1A和T_1a的原副边匝数比均为1:2、耦合系数为0.999，直流母线电压V_o＝18V。取3种情况做进一步说明，情况1：A＝1.33；情况2：A＝1；情况3：A＝0.67。

取L_a1＝L_b1＝L_c1＝L_d1＝100μH、L_S1A＝300μH，图2给出了上述3种情况下本发明实施例1的一种输出功率表现。由图2可知，(i)电感支路模块C1的“有”和“无”(“无”相当于其内部电感支路数目为0的情况)对实施例1的输出功率存在影响；(ii)当电感支路模块C1存在时，其内部电感支路的数目对实施例1的输出功率存在影响；(iii)v_AC1和v_ac1的幅值差或电平差对实施例1的输出功率也存在影响。

此外，电感支路模块中电感的感值对实施例1的输出特性(包括输出功率和输出电流纹波)也存在影响。

基于上述特点，适用实施例1的输出特性调节方法，包括以下步骤的任意组合：

Step 1：增加或减少电感支路模块C1的数目(0至1)；

Step 2：增加或减少电感支路模块中电感支路的数目(0至4)；

Step 3：改变电感支路模块中电感的感值(L_a1或/和L_b1或/和L_c1或/和L_d1)；

Step 4：改变与完整功率模块M1相连的交流电源v_AC1的幅值或电平值(A*V_ac1)；

Step 5：改变与简化功率模块S1相连的交流电源v_ac1的幅值或电平值(V_ac1)。

实施例2

参考图2，一种含桥式整流功率模块的整流电路，包括至少1个完整功率模块、至少1个简化功率模块和至少1个电感支路模块。其中，1个完整功率模块为M1，1个简化功率模块为S1，1个电感支路模块为C1。

所述简化功率模块S1包括T_2a变压器、二极管D_2a和二极管D_2b。变压器T_2a原边绕组的2个端口与交流电源v_ac1相连，其副边绕组的2个端口为中间端口1_a和1_b；二极管D_2a，其阳极与S1的第一中间端口1_a相连，其阴极与直流母线的正端V_o ⁺或负载的第一端相连；二极管D_2b，其阳极与S1的第二中间端口1_b相连，其阴极与直流母线的正端V_o ⁺或负载的第一端相连。

所述电感支路模块C1包括2个电感支路。第一电感支路由电感L_a2、二极管D_a2和二极管D_b2构成：二极管D_a2的阴极与电感L_a2的一端相连，其阳极为第一电感支路的第一电流输入端并与M1的第一中间端口1_A相连；二极管D_b2的阴极与电感L_a2的一端相连，其阳极为第一电感支路的第二电流输入端并与M1的第二中间端口1_B相连；电感L_a2的另一端为第一电感支路的电流输出端并与S1的第一中间端口1_a相连。第二电感支路由电感L_b2、二极管D_c2和二极管D_d2构成：二极管D_c2的阴极与电感L_b2的一端相连，其阳极为第二电感支路的第一电流输入端并与M1的第一中间端口1_A相连；二极管D_d2的阴极与电感L_b2的一端相连，其阳极为第二电感支路的第二电流输入端并与M1的第二中间端口1_B相连；电感L_b2的另一端为第二电感支路的电流输出端并与S1的第二中间端口1_b相连。电感支路中二极管的作用是：限定电流方向和防止环流。C1中电感支路的数目可变，变化范围为0至2。

实施例2其余的结构和实施例1相同。

为便于理解，图3仅显示了整个含桥式整流功率模块的整流电路的一部分——完整功率模块M1、简化功率模块S1和电感支路模块C1。以图3显示的部分为例，介绍完整/简化功率模块及电感支路模块的稳态工作过程。完整功率模块独立工作时，是典型的桥式整流工作过程，故不再赘述。

为简单起见，假设完整功率模块M1和简化功率模块S1采用了相同的元器件，变压器T_1A原边绕组的第一端口和其副边绕组的第一端口1_A是同名端关系，变压器T_2a原边绕组的第一端口和其副边绕组的第一端口1_a是同名端关系；与完整功率模块M1相连的交流电源v_AC1为一三电平交流电源(+V_AC1、0、-V_AC1)，与简化功率模块S1相连的交流电源v_ac1(t)＝v_AC1(t-t0)，即v_AC1和v_ac1幅值或电平值、频率和周期、脉宽都相同，但初始相位不同。以t0＝T₁/4(T₁为周期)为例，加以说明。图3所示电路的一个工作周期T₁可分为4个阶段，一种工作情况如下：

(1)阶段1：v_AC1＝+V_AC1&v_ac1＝0

此时，T_2a副边相当于短路；

完整功率模块M1中：D_1B和D_1C导通，D_1A和D_1D截止，(a)v_AC1经T_1A与D_1C、L_S1A、直流母线或负载、D_1B构成第1个回路；

简化功率模块S1中：D_2a和D_2b导通；

电感支路模块C1中：D_a2和D_c2导通，D_b2和D_d2截止，(b)v_AC1经T_1A与D_a2、L_a2、D_2a、直流母线或负载、D_1B构成第2个回路；(c)v_AC1经T_1A与D_c2、L_b2、D_2b、直流母线或负载、D_1B构成第3个回路。

(2)阶段2：v_AC1＝0&v_ac1＝+V_AC1

此时，T_1A副边相当于短路；

完整功率模块M1中：D_1A和D_1B导通，(a)D_1C导通直至由L_S1A、直流母线或负载、D_1A、D_1C构成的第1个回路中的电流为零；(b)D_1D导通直至由L_S1A、直流母线或负载、D_1B、D_1D构成的第2个回路中的电流为零；

简化功率模块S1中：D_2a导通，D_2b截止；

电感支路模块C1中：D_a2、D_b2、D_c2和D_d2导通，(c)D_2a、直流母线或负载、D_1A、D_1B、D_a2、D_b2、L_a2构成第3个回路，其中流过电感L_a2的电流由D_1A和D_1B以及D_a2和D_b2共同分担；(d)v_ac1经T_2a与D_2a、直流母线或负载、D_1A、D_1B、D_c2、D_d2、L_b2构成第4个回路，其中流过电感L_b2的电流由D_1A和D_1B以及D_c2和D_d2共同分担。

(3)阶段3：v_AC1＝-V_AC1&v_ac1＝0

此时，T_2a副边相当于短路；

完整功率模块M1中：D_1A和D_1D导通，D_1B和D_1C截止，(a)v_AC1经T_1A与D_1D、L_S1A、直流母线或负载、D_1A构成第1个回路；

简化功率模块S1中：D_2a和D_2b导通；

电感支路模块C1中：D_b2和D_d2导通，D_a2和D_c2截止，(b)v_AC1经T_1A与D_b2、L_a2、D_2a、直流母线或负载、D_1A构成第2个回路；(c)v_AC1经T_1A与D_d2、L_b2、D_2b、直流母线或负载、D_1A构成第3个回路。

(4)阶段4：v_AC1＝0&v_ac1＝-V_AC1

此时，T_1A副边相当于短路；

完整功率模块M1中：D_1A和D_1B导通，(a)D_1C导通直至由L_S1A、直流母线或负载、D_1A、D_1C构成的第1个回路中的电流为零；(b)D_1D导通直至由L_S1A、直流母线或负载、D_1B、D_1D构成的第2个回路中的电流为零；

简化功率模块S1中：D_2b导通，D_2a截止；

电感支路模块C1中：D_a2、D_b2、D_c2和D_d2导通，(c)v_ac1经T_2a与D_2b、直流母线或负载、D_1A、D_1B、D_a2、D_b2、L_a2构成第3个回路，其中流过电感L_a2的电流由D_1A和D_1B以及D_a2和D_b2共同分担；(d)D_2b、直流母线或负载、D_1A、D_1B、D_c2、D_d2、L_b2构成第4个回路，其中流过电感L_b2的电流由D_1A和D_1B以及D_c2和D_d2共同分担。

从上述工作过程可以看出，完整功率模块M1、简化功率模块S1和电感支路模块C1协同工作时，交错地将2个交流电源的电能转化后供给直流母线或负载。

为了方便理解电感支路模块C1对整个含桥式整流功率模块的整流电路输出特性的影响，假设：V_AC1＝12V，v_AC1的周期T₁＝90μs，v_AC1的+V_AC1脉宽为T₁/4，v_AC1的-V_AC1脉宽为T₁/4，T_1A和T_2a的原副边匝数比均为1:2、耦合系数为0.999，直流母线电压V_o＝18V。取3种情况做进一步说明，情况1：t0＝0；情况2：t0＝T/8；情况3：t0＝T/4。

取L_a2＝L_b2＝100μH、L_S1A＝300μH，图4给出了上述3种情况下本发明实施例2的一种输出功率表现，图5给出了上述3种情况下本发明实施例2的一种输出电流纹波表现。由图4和图5可知，(i)电感支路模块C1的“有”和“无”(“无”相当于其内部电感支路数目为0的情况)对实施例2的输出特性存在影响；(ii)当电感支路模块C1存在时，其内部电感支路数目对实施例2的输出特性存在显著影响；(iii)v_AC1和v_ac1的相位差对实施例2的输出特性也存在影响。

此外，电感支路模块中电感的感值对实施例2的输出特性也存在影响。

基于上述特点，适用实施例2的输出特性调节方法，包括以下步骤的任意组合：

Step 1：增加或减少电感支路模块C1的数目(0至1)；

Step 2：增加或减少电感支路模块中电感支路的数目(0至2)；

Step 3：改变电感支路模块中电感的感值(L_a2或/和L_b2)；

Step 4：改变与完整功率模块M1相连的交流电源v_AC1的相位；

Step 5：改变与简化功率模块S1相连的交流电源v_ac1的相位(t0)。

实施例3

参考图6，一种含桥式整流功率模块的整流电路，包括至少1个完整功率模块、至少1个简化功率模块和至少1个电感支路模块。

其中，1个完整功率模块为M1，1个简化功率模块为S1，1个电感支路模块为C1。

所述完整功率模块M1包括变压器T_2A、二极管D_2A、二极管D_2B、二极管D_2C、二极管D_2D和电感L_S2A。变压器T_2A原边绕组的2个端口与交流电源v_AC1相连，其副边绕组的2个端口为中间端口1_A和1_B；二极管D_2A的阳极与M1的第一中间端口1_A相连，其阴极与直流母线的正端V_o ⁺或负载的第一端相连；二极管D_2B的阳极与M1的第二中间端口1_B相连，其阴极与直流母线的正端V_o ⁺或负载的第一端相连；二极管D_2C的阴极与M1的第一中间端口1_A相连，其阳极与电感L_S2A的一端相连；二极管D_2D的阴极与M1的第二中间端口1_B相连，其阳极与电感L_S2A的一端相连；电感L_S2A的另一端与直流母线的负端V_o ^-或负载的第二端相连。

所述电感支路模块C1包括2个电感支路。第一电感支路由电感L_a3、二极管D_a3和二极管D_b3构成：二极管D_a3的阳极与电感L_a3的一端相连，其阴极为第一电感支路的第一电流输出端并与M1的第一中间端口1_A相连；二极管D_b3的阳极与电感L_a3的一端相连，其阴极为第一电感支路的第二电流输出端并与M1的第二中间端口1_B相连；电感L_a3的另一端为第一电感支路的电流输入端并与S1的第一中间端口1_a相连。第二电感支路由电感L_b3、二极管D_c3和二极管D_d3构成：二极管D_c3的阳极与电感L_b3的一端相连，其阴极为第二电感支路的第一电流输出端并与M1的第一中间端口1_A相连；二极管D_d3的阳极与电感L_b3的一端相连，其阴极为第二电感支路的第二电流输出端并与M1的第二中间端口1_B相连；电感L_b3的另一端为第二电感支路的电流输入端并与S1的第二中间端口1_b相连。电感支路中二极管的作用是：限定电流方向和防止环流。C1中电感支路的数目可变，变化范围为0至2。

其余的结构和实施例1相同。从结构上看，实施例3和实施例2是互易关系。除了部分电流方向相反，实施例3的工作原理和效果与实施例2相近或等同，两者适用的输出特性调节方法也相同，不再赘述。

实施例4

参考图7，一种含桥式整流功率模块的整流电路，包括至少1个完整功率模块、至少1个简化功率模块和至少1个电感支路模块。其中，1个完整功率模块为M1，1个简化功率模块为S1，1个电感支路模块为C1。

所述完整功率模块M1与实施例3的相同，所述简化功率模块S1与实施例2的相同。

所述电感支路模块C1包括1个电感支路。所述电感支路由电感L_a4、二极管D_a4、二极管D_b4、二极管D_c4、二极管D_d4构成：

二极管D_a4的阳极为电感支路的第一电流输入端并与M1的第一中间端口1_A相连，其阴极与电感L_a4的第一端相连；二极管D_b4的阳极为电感支路的第二电流输入端并与M1的第二中间端口1_B相连，其阴极与电感L_a4的第一端相连；二极管D_c4的阴极为电感支路的第一电流输出端并与S1的第一中间端口1_a相连，其阳极与电感L_a4的第二端相连；二极管D_d4的阴极为电感支路的第二电流输出端并与S1的第二中间端口1_b相连，其阳极与电感L_a4的第二端相连。电感支路中二极管的作用是：限定电流方向和防止环流。C1中电感支路的数目可变，变化范围为0至1。

为便于理解，图7仅显示了整个含桥式整流功率模块的整流电路的一部分——完整功率模块M1、简化功率模块S1和电感支路模块C1。以图7显示的部分为例，介绍完整/简化功率模块及电感支路模块的稳态工作过程。完整功率模块独立工作时，是典型的桥式整流工作过程，故不再赘述。

为简单起见，假设完整功率模块M1和简化功率模块S1采用了相同的元器件，变压器T_2A原边绕组的第一端口和其副边绕组的第一端口1_A是同名端关系，变压器T_2a原边绕组的第一端口和其副边绕组的第一端口1_a是同名端关系；与完整功率模块M1相连的交流电源v_AC1为一三电平交流电源(+V_AC1、0、-V_AC1)，周期为T₁，与简化功率模块S1相连的交流电源v_ac1(t)＝v_AC1(t/a)，即v_AC1和v_ac1幅值或电平值、初始相位相同，但频率和周期不同。以a＝0.5为例，加以说明。图7所示电路的一个工作周期T₁可分为8个阶段，一种典型的工作情况如下：

(1)阶段1：v_AC1＝+V_AC1&v_ac1＝+V_AC1

完整功率模块M1中：D_2D导通，D_2A、D_2B、D_2C截止；

简化功率模块S1中：D_2a导通，D_2b截止；

电感支路模块C1中：D_a4、D_d4导通，D_b4、D_c4截止，(a)v_AC1经T_2A、v_ac1经T_2a与D_a4、L_a4、D_d4、D_2a、直流母线或负载、L_S2A、D_2D构成第1个回路。

(2)阶段2：v_AC1＝+V_AC1&v_ac1＝0

此时，T_2a副边相当于短路；

完整功率模块M1中：D_2A、D_2D导通，D_2B、D_2C截止，(a)v_AC1经T_2A与D_2A、直流母线或负载、L_S2A、D_2D构成第1个回路；

简化功率模块S1中：D_2a、D_2b导通；

电感支路模块C1中：D_a4、D_c4、D_d4导通，D_b4截止，(b)v_AC1经T_2A与D_a4、L_a4、D_c4、D_d4、D_2a、D_2b、直流母线或负载、L_S2A、D_2D构成第2个回路，其中流过L_a4的电流由D_c4和D_d4以及D_2a和D_2b共同分担。

(3)阶段3：v_AC1＝0&v_ac1＝-V_AC1

此时，T_2A副边相当于短路；

完整功率模块M1中：D_2C、D_2D导通，(a)D_2A、D_2B导通直至由L_S2A、D_2C、D_2D、D_2A、D_2B、直流母线或负载构成的第1个回路中的电流为零；

简化功率模块S1中：D_2b导通，D_2a截止；

电感支路模块C1中：D_a4、D_b4、D_c4导通，D_d4截止，(b)v_ac1经T_2a与D_2b、直流母线或负载、L_S2A、D_2C、D_2D、D_a4、D_b4、L_a4、D_c4构成第2个回路。

(4)阶段4：v_AC1＝0&v_ac1＝0

此时，T_2A副边和T_2a副边都相当于短路；

完整功率模块M1中：D_2C、D_2D导通，D_2A、D_2B截止；

简化功率模块S1中：D_2a、D_2b导通；

电感支路模块C1中：D_a4、D_b4、D_c4、D_d4导通，(a)L_a4、D_c4、D_d4、D_2a、D_2b、直流母线或负载、L_S2A、D_2C、D_2D、D_a4、D_b4构成第1个回路，其中流过L_a4的电流由D_a4和D_b4、D_c4和D_d4、D_2a和D_2b以及D_2C和D_2D共同分担。

(5)阶段5：v_AC1＝-V_AC1&v_ac1＝+V_AC1

完整功率模块M1中：D_2C导通，D_2A、D_2B、D_2D截止；

简化功率模块S1中：D_2a导通，D_2b截止；

电感支路模块C1中：D_b4、D_d4导通，D_a4、D_c4截止，(a)v_AC1经T_2A、v_ac1经T_2a与D_b4、L_a4、D_d4、D_2a、直流母线或负载、L_S2A、D_2C构成第1个回路。

(6)阶段6：v_AC1＝-V_AC1&v_ac1＝0

此时，T_2a副边相当于短路；

完整功率模块M1中：D_2B、D_2C导通，D_2A、D_2D截止，(a)v_AC1经T_2A与D_2B、直流母线或负载、L_S2A、D_2C构成第1个回路；

简化功率模块S1中：D_2a、D_2b导通；

电感支路模块C1中：D_b4、D_c4、D_d4导通，D_a4截止，(b)v_AC1经T_2A与D_b4、L_a4、D_c4、D_d4、D_2a、D_2b、直流母线或负载、L_S2A、D_2C构成第2个回路，其中流过L_a4的电流由D_c4和D_d4以及D_2a和D_2b共同分担。

(7)阶段7：v_AC1＝0&v_ac1＝-V_AC1

此时，T_2A副边相当于短路；

完整功率模块M1中：D_2C、D_2D导通，(a)D_2A、D_2B导通直至由L_S2A、D_2C、D_2D、D_2A、D_2B、直流母线或负载构成的第1个回路中的电流为零；

简化功率模块S1中：D_2b导通，D_2a截止；

电感支路模块C1中：D_a4、D_b4、D_c4导通，D_d4截止，(b)v_ac1经T_2a与D_2b、直流母线或负载、L_S2A、D_2C、D_2D、D_a4、D_b4、L_a4、D_c4构成第2个回路。

(8)阶段8：v_AC1＝0&v_ac1＝0

此时，T_2A副边和T_2a副边都相当于短路；

完整功率模块M1中：D_2C、D_2D导通，D_2A、D_2B截止；

简化功率模块S1中：D_2a、D_2b导通；

电感支路模块C1中：D_a4、D_b4、D_c4、D_d4导通，(a)L_a4、D_c4、D_d4、D_2a、D_2b、直流母线或负载、L_S2A、D_2C、D_2D、D_a4、D_b4构成第1个回路，其中流过L_a4的电流由D_a4和D_b4、D_c4和D_d4、D_2a和D_2b以及D_2C和D_2D共同分担。

从上述工作过程可以看出，完整功率模块M1、简化功率模块S1和电感支路模块C1协同工作时，或独立或联合地将2个交流电源的电能转化后供给直流母线或负载。

为了方便理解电感支路模块C1对整个含桥式整流功率模块的整流电路输出特性的影响，假设：V_AC1＝12V，v_AC1的周期T₁＝90μs，v_AC1的+V_AC1脉宽为T₁/4，v_AC1的-V_AC1脉宽也为T₁/4，T_2A和T_2a的原副边匝数比均为1:2、耦合系数为0.999，直流母线电压V_o＝18V。取2种情况做进一步说明，情况1：a＝0.5；情况2：a＝1。

取L_a4＝100μH、L_S2A＝300μH，图8给出了上述2种情况下本发明实施例4的一种输出功率表现，图9给出了上述2种情况下本发明实施例4的一种输出电流纹波表现。由图8和图9可知，(i)电感支路模块C1的“有”和“无”(“无”相当于其内部电感支路数目为0的情况)对实施例4的输出特性存在影响，(ii)电感支路模块C1内部电感支路的数目对实施例4的输出特性存在影响；(iii)v_AC1和v_ac1的频率差或周期差对实施例4的输出特性也存在影响。

此外，电感支路模块中电感的感值对实施例4的输出特性也存在影响。

基于上述特点，适用实施例4的输出特性调节方法，包括以下步骤的任意组合：

Step 1：增加或减少电感支路模块C1的数目(0至1)；

Step 2：增加或减少电感支路模块中电感支路的数目(0至1)；

Step 3：改变电感支路模块中电感的感值(L_a4)；

Step 4：改变与完整功率模块M1相连的交流电源v_AC1的频率或周期(T₁)；

Step 5：改变与简化功率模块S1相连的交流电源v_ac1的频率或周期(a·T₁)。

如发明内容所述，完整功率模块和简化功率模块都有2种优选结构，对应2种不同的简化功率模块也都分别有4种优选的电感支路模块。排列组合后，可形成至少16种的实施例。仅选取典型的实施例1至4加以说明和解释，其余的实施例因工作原理大致相近，故不再枚举赘述。

虽然在前述实施例中均采用二极管在各变压器副边进行续流与能量传递，但本领域技术人员可以理解，上述二极管也可以被可控开关器件(例如同步整流MOSFET)所替代。此外，前述实施例中的交流电源可以是AC-AC、DC-AC等输出为交流的电力(电子)装置；完整功率模块和简化功率模块中的变压器参数(如：原副边匝数、励磁电感、同异名端关系等)可以相同，也可以不同。电感支路模块中电感支路的数目、元件组成及元件连接方式均可以根据具体应用进行选择与调整。除了电感与二极管之外，前述电感支路还可以额外包括其它类型的元件或元件的组合，这些变形均未超出本发明的保护范围。本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围的不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (10)

1.一种含桥式整流功率模块的整流电路，包括完整功率模块、简化功率模块和电感支路模块，其中：

所述完整功率模块包括：

第一变压器，其原边绕组的两个端口用于与第一交流电源相连，其副边绕组的两个端口分别为完整功率模块的第一中间端口和第二中间端口；

第一二极管，其阴极与完整功率模块的第一中间端口相连，其阳极用于与直流母线的负端或负载的第二端相连；

第二二极管，其阴极与完整功率模块的第二中间端口相连，其阳极用于与直流母线的负端或负载的第二端相连；

第三二极管，其阳极与完整功率模块的第一中间端口相连；

第四二极管，其阳极与完整功率模块的第二中间端口相连；以及

第一电感，其一端与第三二极管和第四二极管的阴极相连，其另一端用于与直流母线的正端或负载的第一端相连；

所述简化功率模块包括：

第二变压器，其原边绕组的两个端口用于与第二交流电源相连，其副边绕组的两个端口分别为简化功率模块的第一中间端口和第二中间端口；

第五二极管，其阴极与简化功率模块的第一中间端口相连，其阳极用于与直流母线的负端或负载的第二端相连；以及

第六二极管，其阴极与简化功率模块的第二中间端口相连，其阳极用于与直流母线的负端或负载的第二端相连；

所述电感支路模块包括至少一个电感支路，其中：

所述电感支路包括电感和二极管，且具有电流输入端和电流输出端，所述电感支路的电流输入端与简化功率模块的第一或第二中间端口相连，所述电感支路的电流输出端与完整功率模块的第一或第二中间端口相连。

2.一种含桥式整流功率模块的整流电路，包括完整功率模块、简化功率模块和电感支路模块，其中：

所述完整功率模块包括：

第一变压器，其原边绕组的两个端口用于与第一交流电源相连，其副边绕组的两个端口分别为完整功率模块的第一中间端口和第二中间端口；

第一二极管，其阴极与完整功率模块的第一中间端口相连，其阳极用于与直流母线的负端或负载的第二端相连；

第二二极管，其阴极与完整功率模块的第二中间端口相连，其阳极用于与直流母线的负端或负载的第二端相连；

第三二极管，其阳极与完整功率模块的第一中间端口相连；

第四二极管，其阳极与完整功率模块的第二中间端口相连；以及

第一电感，其一端与第三二极管和第四二极管的阴极相连，其另一端用于与直流母线的正端或负载的第一端相连；

所述简化功率模块包括：

第二变压器，其原边绕组的两个端口用于与第二交流电源相连，其副边绕组的两个端口分别为简化功率模块的第一中间端口和第二中间端口；

第五二极管，其阳极与简化功率模块的第一中间端口相连，其阴极用于与直流母线的正端或负载的第一端相连；以及

第六二极管，其阳极与简化功率模块的第二中间端口相连，其阴极用于与直流母线的正端或负载的第一端相连；

所述电感支路模块包括至少一个电感支路，其中：

所述电感支路包括电感和二极管，且具有电流输入端和电流输出端，所述电感支路的电流输入端与完整功率模块的第一或第二中间端口相连，所述电感支路的电流输出端与简化功率模块的第一或第二中间端口相连。

3.一种含桥式整流功率模块的整流电路，包括完整功率模块、简化功率模块和电感支路模块，其中：

所述完整功率模块包括：

第一变压器，其原边绕组的两个端口用于与第一交流电源相连，其副边绕组的两个端口分别为完整功率模块的第一中间端口和第二中间端口；

第一二极管，其阳极与完整功率模块的第一中间端口相连，其阴极用于与直流母线的正端或负载的第一端相连；

第二二极管，其阳极与完整功率模块的第二中间端口相连，其阴极用于与直流母线的正端或负载的第一端相连；

第三二极管，其阴极与完整功率模块的第一中间端口相连；

第四二极管，其阴极与完整功率模块的第二中间端口相连；以及

第一电感，其一端与第三二极管和第四二极管的阳极相连，其另一端用于与直流母线的负端或负载的第二端相连；

所述简化功率模块包括：

第二变压器，其原边绕组的两个端口用于与第二交流电源相连，其副边绕组的两个端口分别为简化功率模块的第一中间端口和第二中间端口；

第五二极管，其阴极与简化功率模块的第一中间端口相连，其阳极用于与直流母线的负端或负载的第二端相连；以及

第六二极管，其阴极与简化功率模块的第二中间端口相连，其阳极用于与直流母线的负端或负载的第二端相连；

所述电感支路模块包括至少一个电感支路，其中：

所述电感支路包括电感和二极管，且具有电流输入端和电流输出端，所述电感支路的电流输入端与简化功率模块的第一或第二中间端口相连，所述电感支路的电流输出端与完整功率模块的第一或第二中间端口相连。

4.一种含桥式整流功率模块的整流电路，包括完整功率模块、简化功率模块和电感支路模块，其中：

所述完整功率模块包括：

第一变压器，其原边绕组的两个端口用于与第一交流电源相连，其副边绕组的两个端口分别为完整功率模块的第一中间端口和第二中间端口；

第一二极管，其阳极与完整功率模块的第一中间端口相连，其阴极用于与直流母线的正端或负载的第一端相连；

第二二极管，其阳极与完整功率模块的第二中间端口相连，其阴极用于与直流母线的正端或负载的第一端相连；

第三二极管，其阴极与完整功率模块的第一中间端口相连；

第四二极管，其阴极与完整功率模块的第二中间端口相连；以及

第一电感，其一端与第三二极管和第四二极管的阳极相连，其另一端用于与直流母线的负端或负载的第二端相连；

所述简化功率模块包括：

第二变压器，其原边绕组的两个端口用于与第二交流电源相连，其副边绕组的两个端口分别为简化功率模块的第一中间端口和第二中间端口；

第五二极管，其阳极与简化功率模块的第一中间端口相连，其阴极用于与直流母线的正端或负载的第一端相连；以及

第六二极管，其阳极与简化功率模块的第二中间端口相连，其阴极用于与直流母线的正端或负载的第一端相连；

所述电感支路模块包括至少一个电感支路，其中：

所述电感支路包括电感和二极管，且具有电流输入端和电流输出端，所述电感支路的电流输入端与完整功率模块的第一或第二中间端口相连，所述电感支路的电流输出端与简化功率模块的第一或第二中间端口相连。

5.如权利要求1至4中任一项所述的含桥式整流功率模块的整流电路，其中所述电感支路包括串联连接的第七二极管与第二电感。

6.如权利要求1至4中任一项所述的含桥式整流功率模块的整流电路，其中所述电感支路包括：

第七二极管，其阳极为所述电感支路的第一电流输入端；

第八二极管，其阳极为所述电感支路的第二电流输入端；以及

第二电感，其一端与第七二极管和第八二极管的阴极相连，其另一端为所述电感支路的电流输出端。

7.如权利要求1至4中任一项所述的含桥式整流功率模块的整流电路，其中所述电感支路包括：

第七二极管，其阴极为所述电感支路的第一电流输出端；

第八二极管，其阴极为所述电感支路的第二电流输出端；以及

第二电感，其一端与第七二极管和第八二极管的阳极相连，其另一端为所述电感支路的电流输入端。

8.如权利要求1至4中任一项所述的含桥式整流功率模块的整流电路，其中所述电感支路包括：

第七二极管，其阳极为所述电感支路的第一电流输入端；

第八二极管，其阳极为所述电感支路的第二电流输入端；

第九二极管，其阴极为所述电感支路的第一电流输出端；

第十二极管，其阴极为所述电感支路的第二电流输出端；以及

第二电感，其一端与第七二极管和第八二极管的阴极相连，其另一端与第九二极管和第十二极管的阳极相连。

9.如权利要求1至4中任一项所述的含桥式整流功率模块的整流电路，其中部分或全部二极管被可控开关器件所替代。

10.适用于如权利要求1至4中任一项所述的含桥式整流功率模块的整流电路的输出特性调节方法，包括以下步骤的任意组合：

步骤1：增加或减少电感支路模块的数目；

步骤2：增加或减少电感支路模块中电感支路的数目；

步骤3：改变电感支路模块中电感的感值；

步骤4：改变与完整功率模块相连的第一交流电源的工作参数；

步骤5：改变与简化功率模块相连的第二交流电源的工作参数。

Images