CN117375445A - 单级无桥交直流转换电路 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种单级无桥交直流转换电路，该电路包括输入侧电路和输出侧电路，输入侧电路包括三相电路，三相电路中的每相电路包括第一开关电路、滤波电路以及第一单级传能电路，第一单级传能电路包括第二开关电路以及变压器，输出侧电路包括第一输出整流滤波电路。本电路相较于两级电路，具有更高的转换效率。

Description

单级无桥交直流转换电路

技术领域

本申请涉及供电电路技术领域，特别涉及一种单级无桥交直流转换电路。

背景技术

目前，对于电子设备的充电模块对应的电路拓扑方案主要包括单相输入和三相输入，且不管单相输入还是三向输入都是采用两级的拓扑方案，例如单相输入时，前级采用升压斩波电路，后级采用谐振电路或者移相全桥电路实现DCDC高效隔离传能；例如三相输入时，前级通常采用三相维也纳电路实现功率因数校准以及交直流变换，后级同样采用谐振电路或者移相全桥电路实现宽范围直流输出电压和高效率软开关工作。但根据现有技术采用两级方案会使得充电模块的整体转换效率偏低。

发明内容

本申请提供了一种单级无桥交直流转换电路，通过单级电路实现对输入电流的调节，同时实现调校功率因数校正、输入输出的隔离，且具有比两级电路更高的转换效率。

本申请提供了一种单级无桥交直流转换电路，该单级无桥交直流转换电路包括输入侧电路和输出侧电路，输入侧电路包括三相电路，三相电路中的每相电路包括第一开关电路、滤波电路以及第一单级传能电路，第一单级传能电路包括第二开关电路以及变压器，输出侧电路包括第一输出整流滤波电路；

针对每相电路，第一开关电路的第一不动端与输入电压源的第二端口连接，第一开关电路的第二不动端与该相电路之外的另一相电路中的输入电压源的第一端口连接，以使每相电路分别输入不同的线电压，第一开关电路的动端与滤波电路的第二端口以及第二开关电路的第二输入端连接，输入电压源的第一端口与滤波电路的第一端口以及第二开关电路的第一输入端连接，第二开关电路的输出端与变压器的原边绕组的第一端口连接；

三相电路中的变压器的原边绕组的第二端口之间相互连接，三相电路中的变压器的第一副边绕组的第二端口之间相互连接，三相电路中的变压器的第一副边绕组的第一端口分别与第一输出整流滤波电路的三个输入端连接，第一输出整流滤波电路的输出端作为单级无桥交直流转换电路的输出端；

第一开关电路，用于当每相电路输入的线电压不大于第一预设电压时，控制第二不动端与动端之间导通；当每相电路输入的线电压大于第一预设电压时，控制第一不动端与动端之间导通；

滤波电路，用于对输入的第一交流信号进行滤波；

第二开关电路，用于将滤波电路输出的交流信号转换为第二交流信号，其中，第二交流信号的电流大小是通过第二开关电路中的双向开关管控制的；

变压器，用于对第二交流信号的电压进行调整；

第一输出整流滤波电路，用于对变压器输出的交流信号进行整流及滤波。

可以看出，本申请提出单级无桥交直流转换电路，由于本申请为单级型电路，相较于两级型电路，可以实现更高的转换效率，并且本电路输入侧通过无桥电路实现对输入电流大小的控制，这样可以减少功率器件数量，进而提高输入侧对应的转换效率。同时，由于本电路通过第一开关电路实现三相输入线电压与相电压之间的切换，解决了输入线电压较高时，半导体器件电压应力较高的问题，同时也解决了输入线电压较低时，半导体器件导通损耗大转换效率下降的问题，并且，结合线电压与相电压智能输入切换策略，还可以提高输入电压范围，进而提高输出电压范围。

在一个可行的示例中，第二开关电路包括滤波电感、隔直电容以及两个开关管，两个开关管组成双向开关管；滤波电感的第一端口作为第二开关电路的第一输入端，滤波电感的第二端口与双向开关管的第一端口以及隔直电容的第一端口连接，双向开关管的第二端口作为第二开关电路的第二输入端。

在一个可行的示例中，单级无桥交直流转换电路还包括第二输出整流滤波电路、开关Sw1、开关Sw2以及开关Sw3，每相电路还包括第二单级传能电路；每相电路中的第二单级传能电路的第一输入端和第二输入端分别与第一单级传能电路中的第一输入端和第二输入端连接，三个第二单级传能电路的第一输出端分别与第二输出整流滤波电路的三个输入端连接，三个第二单级传能电路的第二输出端之间相互连接，第一输出整流滤波电路的第二输出端与开关Sw1的第一端口以及开关Sw2的第一端口连接，第一输出整流滤波电路的第一输出端与开关Sw3的第一端口连接，第二输出整流滤波电路的第一输出端与开关Sw1的第二端口以及开关Sw3的第二端口连接，第二输出整流滤波电路的第二输出端与开关Sw2的第二端口连接；当开关Sw1导通，且开关Sw3以及开关Sw2断开时，第一输出整流滤波电路与第二输出整流滤波电路串联；当开关Sw3以及开关Sw2导通，且开关Sw1断开时，第一输出整流滤波电路与第二输出整流滤波电路并联。

在本申请中，在每相电路中加入一个单级传能电路，使得输出电流之和的电流纹波周期为两倍开关频率周期纹波，进而减少输出总电流纹波。

在一个可行的示例中，该单级无桥交直流转换电路还包括第三输出整流滤波电路、开关Sw4、开关Sw5以及开关Sw6，每相电路中的变压器的还包括第二副边绕组；三相电路中的三个变压器的第二副边绕组的第一端口分别与第三输出整流滤波电路的三个输入端连接，三个变压器的第二副边绕组的第二端口之间相互连接，第一输出整流滤波电路的第二输出端与开关Sw4的第一端口以及开关Sw5的第一端口连接，第一输出整流滤波电路的第一输出端与开关Sw6的第一端口连接，第三输出整流滤波电路的第一输出端与开关Sw4的第二端口以及开关Sw6的第二端口连接，第三输出整流滤波电路的第二输出端与开关Sw5的第二端口连接；当开关Sw4导通，且开关Sw6以及开关Sw5断开时，第一输出整流滤波电路与第三输出整流滤波电路串联；当开关Sw6以及开关Sw5导通，且开关Sw4断开时，第一输出整流滤波电路与第三输出整流滤波电路并联。

在本申请中，通过上述单级无桥交直流转换电路，可以提高输出电压的范围。

在一个可行的示例中，该单级无桥交直流转换电路还包括第四输出整流滤波电路、开关Sw7、开关Sw8、开关Sw9，每相电路中还包括第二隔直电容和第二变压器；每相电路中的第二隔直电容的第一端口与隔直电容的第一端口连接，且第二隔直电容的第二端口与第二变压器的原边绕组的第一端口连接，三相电路中的三个第二变压器的原边绕组的第二端口之间相互连接，三个第二变压器的副边绕组的第一端口分别与第四输出整流滤波电路的三个输入端连接，三个第二变压器的副边绕组的第二端口之间相互连接，第一输出整流滤波电路的第二输出端与开关Sw7的第一端口以及开关Sw8的第一端口连接，第一输出整流滤波电路的第一输出端与开关Sw9的第一端口连接，第四输出整流滤波电路的第一输出端与开关Sw7的第二端口以及开关Sw9的第二端口连接，第四输出整流滤波电路的第二输出端与开关Sw8的第二端口连接；当开关Sw7导通，且开关Sw9以及开关Sw8断开时，第一输出整流滤波电路与第四输出整流滤波电路串联；当开关Sw9以及开关Sw8导通，且开关Sw7断开时，第一输出整流滤波电路与第四输出整流滤波电路并联。

在本申请中，通过上述单级无桥交直流转换电路，不仅可以提高输出电压的范围，还可以提高输出功率。

在一个可行的示例中，每相电路中的单级传能电路中的双向开关管根据控制信号控制，控制信号根据第一控制结果确定，第一控制结果根据每相电路的输入电流与对应的输入电流控制量之间的偏差进行环路控制后确定，输入电流控制量根据第二控制结果与第三控制结果之间的最小值，以及每相电路输入的电压的绝对值确定，第二控制结果根据单级无桥交直流转换电路输出的电流与外部的需求电流进行环路控制后确定，第三控制结果根据单级无桥交直流转换电路输出的电压与外部的需求电压进行环路控制后确定。

在本申请中，通过确定三相电路中双向开关管的控制信号，从而控制三相电路中双向开关管的导通和断开，进而实现本电路的输入功率因数校正。

在一个可行的示例中，第一输出整流滤波电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6以及滤波电容Co1；二极管D1的第一端口作为第一输出整流滤波电路的第一输入端，并与二极管D2的第二端口连接，二极管D2的第二端口作为第一输出整流滤波电路的第一输出端，并与二极管D3的第二端口、二极管D5的第二端口以及滤波电容Co1的第一端口连接，二极管D2的第一端口作为第一输出整流滤波电路的第二输出端，并与二极管D4的第一端口、二极管D6的第一端口以及滤波电容Co1的第二端口连接，二极管D3的第一端口作为第一输出整流滤波电路的第二输入端，并与二极管D4的第二端口连接，二极管D5的第一端口作为第一输出整流滤波电路的第三输入端，并与二极管D6的第二端口连接。

在一个可行的示例中，三相电路中的三个第一单级传能电路中的开关管对应的控制信号的驱动时间之间分别间隔三分之一开关周期。

在本申请中，通过将三个第一单级传能电路中的开关管对应的控制信号的驱动时间之间分别间隔三分之一开关周期，可以减小输出电流纹波。

在一个可行的示例中，每相电路中的第一单级传能电路以及第二单级传能电路中的双向开关管根据控制信号控制，且每相电路中的第一单级传能电路中的双向开关管对应的控制信号的驱动时间，与第二单级传能电路中的双向开关管对应的控制信号的驱动时间之间间隔半个开关周期。

在本申请中，将每相电路中的两个双向开关管对应的控制信号的驱动时间之间间隔半个开关周期，可以减小输出电流纹波。

在一个可行的示例中，滤波电路包括一个滤波电容。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种单级无桥交直流转换电路结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种单级无桥交直流转换电路拓扑图；

图3为本申请实施例提供的一种正半轴电流波形示意图；

图4为本申请实施例提供的一种负半轴电流波形示意图；

图5为本申请实施例提供的另一种单级无桥交直流转换电路拓扑图；

图6为本申请实施例提供的另一种单级无桥交直流转换电路拓扑图；

图7为本申请实施例提供的另一种单级无桥交直流转换电路拓扑图；

图8为本申请实施例提供的一种单级无桥交直流转换电路的控制框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通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，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

请参阅图1，图1为本申请实施例提供的一种单级无桥交直流转换电路结构示意图，如图1所示，该单级无桥交直流转换电路包括输入侧电路和输出侧电路，输入侧电路中包括三相分别对应的输入电压源Va、Vb和Vc，第一开关电路、滤波电路101、102和103，单级传能电路111、112和113；输出侧电路包括第一输出整流滤波电路121。单级传能电路111、112和113都分别包括第二开关电路以及变压器，第一开关电路通过单刀双掷继电开关S1、S2和S3实现，开关S1、S2和S3包括动端和不动端，其不动端分别包括第一不动端和第二不动端，分别对应图中的端口1和端口2。

其中，开关S1的动端与的滤波电路101的第二输入端连接，该滤波电路101的第一输入端与输入电压源Va的第一端口以及开关S3的第二不动端连接，开关S1的第一不动端与输入电压源Va的第二端口、输入电压源Vb的第二端口、开关S2的第一不动端、输入电压源Vc的第二端口以及开关S3的第一不动端连接，输入电压源Vb的第一端口与开关S1的第二不动端以及滤波电路102的第一输入端连接，开关S2的动端与滤波电路102的第二输入端连接，输入电压源Vc的第一端口与开关S2的第二不动端以及滤波电路103的第一输入端连接，开关S3的动端与滤波电路103的第二输入端连接。N点为三相交流输入相电压的中心点。

滤波电路101的第一输出端和第二输出端分别与单级传能电路111中的第二开关电路的第一输入端和第二输入端连接，单级传能电路111中的第二开关电路的输出端与单级传能电路111中的变压器的原边绕组的第一端口连接；滤波电路102的第一输出端和第二输出端分别与单级传能电路112中的第二开关电路的第一输入端和第二输入端连接，单级传能电路112中的第二开关电路的输出端与单级传能电路112中的变压器的原边绕组的第一端口连接；滤波电路103的第一输出端和第二输出端分别与单级传能电路113中的第二开关电路的第一输入端和第二输入端连接，单级传能电路113中的第二开关电路的输出端与单级传能电路113中的变压器的原边绕组的第一端口连接；单级传能电路111中的变压器的原边绕组的第二端口，与单级传能电路112中的变压器的原边绕组的第二端口以及单级传能电路113中的变压器的原边绕组的第二端口连接。

单级传能电路111中的变压器的副边绕组的第一端口与第一输出整流滤波电路121中的第一输入端连接，单级传能电路112中的变压器的副边绕组的第一端口与第一输出整流滤波电路121中的第二输入端连接，单级传能电路113中的变压器的副边绕组的第一端口与第一输出整流滤波电路121中的第三输入端连接。单级传能电路111中的变压器的副边绕组的第二端口，与单级传能电路112中的变压器的副边绕组的第二端口以及单级传能电路113中的变压器的副边绕组的第二端口连接，第一输出整流滤波电路121的输出端作为单级无桥交直流转换电路的输出端。

滤波电路101、102和103，分别用于对输入的第一交流信号进行滤波，第一交流信号根据开关S1、S2和S3的导通状态确定。

具体地，在初始阶段，开关S1、S2和S3的动端都与第二不动端接触，实现第二不动端与动端之间的导通，此时三相电路输入的第一交流信号对应的电压信号为三相线电压Vab、Vbc和Vca；当每相电路输入的线电压大于第一预设电压时，开关S1、S2和S3的动端都与第一不动端接触，实现第一不动端与动端之间的导通，此时三相电路输入的第一交流信号对应的电压信号为三相相电压Van、Vbn、Vcn；同样的，当每相电路输入的线电压不大于第一预设电压后，开关S1、S2和S3的动端又都与第二不动端接触，实现第二不动端与动端之间的导通，此时电路输入的第一交流信号对应的电压信号为三相线电压Vab、Vbc和Vca。其中，线电压Vab=Van－Vbn，线电压Vbc=Vbn－Vcn，线电压Vca=Vcn－Van。

其中，每相电路输入的线电压大于第一预设电压，可以是三相电路中所有相电路输入的线电压都大于第一预设电压，对应的每相电路输入的线电压不大于第一预设电压，可以是三相电路中存在一相及以上电路输入的线电压不大于第一预设电压。此外，每相电路输入的线电压大于第一预设电压，还可以是三相电路中存在一相及以上电路输入的线电压大于第一预设电压，对应的每相电路输入的线电压不大于第一预设电压，可以是三相电路中所有相电路输入的线电压都不大于第一预设电压。

单级传能电路111、112和113中的第二开关电路，用于将滤波电路输出的交流信号转换为第二交流信号，其中，第二交流信号的电流大小是通过第二开关电路中的双向开关管控制的；

单级传能电路111、112和113中的变压器，用于对第二交流信号的电压进行调整；

第一输出整流滤波电路121，用于对变压器输出的交流信号进行整流及滤波。

由于本电路为单级型电路，相较于两级型电路，可以实现更高的转换效率；并且本电路输入侧通过无桥电路实现对输入电流大小的控制，可以减少功率器件数量，同样可以提高转换效率；同时，本电路还通过相电压输入与线电压输入之间的切换，可以实现更宽的输入电压范围。

下面通过图2对该单级无桥交直流转换电路进行详细说明：

具体地，请参阅图2，图2为本申请实施例提供的一种单级无桥交直流转换电路拓扑图，如图2所示，包括三相分别对应的输入电压源Va、Vb和Vc，单刀双掷继电开关S1、S2和S3。滤波电路101包括滤波电容Ci1；滤波电路102包括滤波电容Ci2；滤波电路103包括滤波电容Ci3。单级传能电路111包括滤波电感Lf1、隔直电容C1、开关管Q1、开关管Q2以及变压器T1；单级传能电路112包括滤波电感Lf3、隔直电容C3、开关管Q3、开关管Q4以及变压器T3；单级传能电路113包括滤波电感Lf5、隔直电容C5、开关管Q5、开关管Q6以及变压器T5。第一输出整流滤波电路121包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6以及滤波电容Co1。开关管Q1与开关管Q2组成双向开关管，开关管Q3和开关管Q4组成双向开关管，开关管Q5和开关管Q6组成双向开关管。上述二极管为整流二极管。

其中，开关S1的动端设置输入电流端ia，且与滤波电容Ci1的第二端口以及开关管Q2的第二端口连接，滤波电容Ci1的第一端口与输入电压源Va的第一端口、开关S3的第二不动端以及滤波电感Lf1的第一端口连接，开关S1的第一不动端与输入电压源Va的第二端口、输入电压源Vb的第二端口、开关S2的第一不动端、输入电压源Vc的第二端口以及开关S3的第一不动端连接，输入电压源Vb的第一端口与开关S1的第二不动端、滤波电容Ci2的第一端口以及滤波电感Lf3的第一端口连接，开关S2的动端设置输入电流端ib，且与滤波电容Ci2的第二端口以及开关管Q4的第二端口连接，输入电压源Vc的第一端口与开关S2的第二不动端、滤波电容Ci3的第一端口以及滤波电感Lf5的第一端口连接，开关S3的动端设置输入电流端ic，且与滤波电容Ci3的第二端口以及开关管Q6的第二端口连接。

滤波电感Lf1的第二端口与开关管Q1的第二端口以及隔直电容C1的第一端口连接，开关管Q1的第一端口与开关管Q2的第一端口连接，隔直电容C1的第二端口与变压器T1的原边绕组的第一端口连接；滤波电感Lf3的第二端口与开关管Q3的第二端口以及隔直电容C3的第一端口连接，开关管Q3的第一端口与开关管Q4的第一端口连接，隔直电容C3的第二端口与变压器T3的原边绕组的第一端口连接；滤波电感Lf5的第二端口与开关管Q5的第二端口以及隔直电容C5的第一端口连接，开关管Q5的第一端口与开关管Q6的第一端口连接，隔直电容C5的第二端口与变压器T5的原边绕组的第一端口连接。变压器T1的原边绕组的第二端口与变压器T3的原边绕组的第二端口以及变压器T5的原边绕组的第二端口连接。

变压器T1的副边绕组的第二端口与变压器T3的副边绕组的第二端口以及变压器T5的副边绕组的第二端口连接。变压器T1的副边绕组的第一端口与二极管D1的第一端口以及二极管D2的第二端口连接；变压器T3的副边绕组的第一端口与二极管D3的第一端口以及二极管D4的第二端口连接；变压器T5的副边绕组的第一端口与二极管D5的第一端口以及二极管D6的第二端口连接。二极管D1的第二端口与二极管D3的第二端口、二极管D5的第二端口以及滤波电容Co1的第一端口连接，二极管D2的第一端口与二极管D4的第一端口、二极管D6的第一端口以及滤波电容Co1的第二端口连接。滤波电容Co1的第二端口设置输出电流端io1，且滤波电容Co1的第一端口以及第二端口分别作为单级无桥交直流转换电路的第一输出端和第二输出端。

上述开关管可以是三极管或金属-氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）。

其中，当每相电路输入的线电压不大于第一预设电压时，三个开关S1、S2和S3的动端与第二不动端接触，实现第二不动端与动端之间的导通，此时电路输入的电压对应三相线电压Vab、Vbc、Vca，此时电路中传能的电流为线电流，开关管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6以及二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6的电压应力取决于输入线电压峰值电压以及输出功率的大小，输入线电压的峰值电压越大，半导体器件应力越高；相同的输入线电压下，输出功率越大，上述开关管的占空比越大，这时上述开关管关断后，叠加在两端的电压应力也会越高。

当输入线电压处于较大值时，智能切换为相电压取能模式，即将三个开关S1、S2和S3的动端与第一不动端接触，实现第一不动端与动端之间的导通，此时电路输入的电压对应三相相电压Van、Vbn、Vcn。此时上述开关管和二极管的电压应力取决于输入相电压峰值电压以及输出功率的大小。由于输入相电压的峰值电压远小于输入线电压峰值，所以半导体器件电压应力较小，电源模块的开关损耗有所降低，即使输出功率增大，上述开关管以及二极管的电压应力也会在安全范围内。

当电路输入的电压对应相电压时，输入的传输电能的电流对应相电流，上述主功率器件（如上述开关管）流过的电流相应增大，导致器件的导通损耗增加。因此，在每相对应的线电压较低时，电路在输入的电压为相电压时的转换效率偏低。因此，在线电压较低时，又智能将三个单刀双掷开关S1、S2和S3的动端都与第二不动端接触。第一预设电压可以根据上述主功率器件（如上述开关管）的电压应力确定。

上述电路通过控制单级传能电路中的开关管的导通和断开，以调整每相电路的输入电流的大小，从而实现上述电路的功率因数校正。

上述电路通过控制每相电路中的第二开关电路中的双向开关管的导通和断开，以调整每相电路的输入电流的大小，从而实现上述电路的功率因数校正。之所以使用双向开关管，是因为输入侧输入的交流电包括正半轴电流和负半轴电流，需要保证正半轴电流和负半轴电流都能在电路中流通。

上述双向开关管根据控制信号进行驱动控制，例如开关管Q1和开关管Q2根据同一控制信号进行驱动控制，该控制信号可以是一个脉冲宽度调制（Pulse width modulation，PWM）信号。该控制信号对应的占空比根据第一控制结果确定，第一控制结果根据每相电路的输入电流与对应的输入电流控制量之间的偏差进行环路控制（电流环）后确定，输入电流控制量根据第二控制结果与第三控制结果之间的最小值，以及每相电路输入的电压的绝对值确定，第二控制结果根据单级无桥交直流转换电路输出的电流与外部的需求电流进行环路控制（电流环）后确定，第三控制结果根据单级无桥交直流转换电路输出的电压与外部的需求电压进行环路控制（电压环）后确定。该环路控制包括比例积分（proportionalintegral controller，PI）控制或比例积分微分（Proportion IntegrationDifferentiation，PID）控制。

可以看出，本申请所示的三相电路中的变压器之间通过星型连接，以使通过一个输出整流滤波电路实现三相电路的输出的整流滤波，从而减少器件数量，进而可以提高转换效率。

下面通过图3和图4对电路的电流波形进行说明：

示例性地，请参阅图3，图3为本申请实施例提供的一种正半轴电流波形示意图。如图3所示，包括开关管Q1、Q2的控制信号（Vgs）的驱动波形图，滤波电感Lf1的电流（iLf1）的波形图，二极管D1的电流（iD1）的波形图，二极管D2的电流（iD2）的波形图。

当输入线电压处于正半轴电压发波时序时，开关管Q1、Q2导通时，交流输入电压叠加在滤波电感Lf1两端，滤波电感Lf1上的电流上升，此时隔直电容C1通过变压器T1的星型连接回路进行放电，此时二极管D1处于反向截止状态，二极管D2处于导通续流状态。在开关管Q1、Q2断开时，滤波电感Lf1上的电流下降，并且电感电流通过隔直电容C1及变压器T1原边绕组，给变压器T1的副边绕组传能，同时也给隔直电容C1进行充电，此时二极管D1处于正向导通传能状态，二极管D2处于反向截止状态。

示例性地，请参阅图4，图4为本申请实施例提供的一种负半轴电流波形示意图。如图4所示，包括开关管Q1、Q2的控制信号（Vgs）的驱动波形图，滤波电感Lf1的电流（iLf1）的波形图，二极管D1的电流（iD1）的波形图，二极管D2的电流（iD2）的波形图。

当输入线电压处于负半轴电压发波时序时，开关管Q1、Q2导通时，交流输入负电压叠加在滤波电感Lf1两端，滤波电感Lf1上电流负向上升，并且此时隔直电容C1通过变压器T1的星型连接回路进行反向放电，此时二极管D2处于反向截止状态，二极管D1处于导通续流状态。在开关管Q1、Q2断开时，滤波电感Lf1上电流负向下降，并且电感电流通过隔直电容C1及变压器T1原边绕组，给变压器T1的副边绕组传能，同时也给隔直电容C1进行反向充电，此时二极管D2处于正向导通传能状态，二极管D1处于反向截止状态。

此外，该单级无桥交直流转换电路中还可以包括其他电路，下面通过图5进行详细说明：

示例性地，请参阅图5，图5为本申请实施例提供的另一种单级无桥交直流转换电路图拓扑图，如图5所示，相比图2所示的单级无桥交直流转换电路，该单级无桥交直流转换电路还包括第二输出整流滤波电路、开关Sw1、开关Sw2以及开关Sw3，每相电路还包括第二单级传能电路，其中，第二输出整流滤波电路包括二极管D11、二极管D12、二极管D13、二极管D14、二极管D15、二极管D16以及滤波电容Co2；第一相的第二单级传能电路包括滤波电感Lf2、隔直电容C2、开关管Q11、开关管Q12以及变压器T2；第二相的第二单级传能电路包括滤波电感Lf4、隔直电容C4、开关管Q13、开关管Q14以及变压器T4；第三相的第二单级传能电路包括滤波电感Lf6、隔直电容C6、开关管Q15、开关管Q16以及变压器T6。此外，其他器件与图2所示的单级无桥交直流转换电路相同，这里不再赘述。同样的，开关管Q11与开关管Q12组成双向开关管，开关管Q13与开关管Q14组成双向开关管，开关管Q15与开关管Q16组成双向开关管。

滤波电感Lf2的第一端口与滤波电感Lf1的第一端口连接，滤波电感Lf2的第二端口与隔直电容C2的第一端口以及开关管Q11的第二端口连接，开关管Q11的第一端口与开关管Q12的第一端口连接，开关管Q12的第二端口与开关管Q2的第二端口连接，隔直电容C2的第二端口与变压器T2的原边绕组的第一端口连接；滤波电感Lf4的第一端口与滤波电感Lf3的第一端口连接，滤波电感Lf4的第二端口与隔直电容C4的第一端口以及开关管Q13的第二端口连接，开关管Q13的第一端口与开关管Q14的第一端口连接，开关管Q14的第二端口与开关管Q4的第二端口连接，隔直电容C4的第二端口与变压器T4的原边绕组的第一端口连接；滤波电感Lf6的第一端口与滤波电感Lf5的第一端口连接，滤波电感Lf6的第二端口与隔直电容C6的第一端口以及开关管Q15的第二端口连接，开关管Q15的第一端口与开关管Q16的第一端口连接，开关管Q16的第二端口与开关管Q6的第二端口连接，隔直电容C6的第二端口与变压器T6的原边绕组的第一端口连接；变压器T2的原边绕组的第二端口与变压器T4的原边绕组的第二端口以及变压器T6的原边绕组的第二端口连接。

变压器T2的副边绕组的第二端口与变压器T4的副边绕组的第二端口以及变压器T6的副边绕组的第二端口连接。变压器T2的副边绕组的第一端口与二极管D11的第一端口以及二极管D12的第二端口连接；变压器T4的副边绕组的第一端口与二极管D13的第一端口以及二极管D14的第二端口连接；变压器T6的副边绕组的第一端口与二极管D15的第一端口以及二极管D16的第二端口连接。二极管D11的第二端口与二极管D13的第二端口、二极管D15的第二端口以及滤波电容Co2的第一端口连接，二极管D12的第一端口与二极管D14的第一端口、二极管D16的第一端口以及滤波电容Co2的第二端口连接。滤波电容Co2的第二端口设置输出电流端io2。第一输出整流滤波电路与第二输出整流滤波电路的输出端作为该单级无桥交直流转换电路的输出端。

其中，当开关Sw1导通，且开关Sw3以及开关Sw2断开时，第一输出整流滤波电路与第二输出整流滤波电路串联；当开关Sw3以及开关Sw2导通，且开关Sw1断开时，第一输出整流滤波电路与第二输出整流滤波电路并联。

可以看出，由于本申请采用单级型电路，使得其电路的输出电流为断续电流，即当三相电路中的双向开关管断开的过程中，通过三相电路中的变压器向输出侧传能；当三相电路中的双向开关管导通的过程中，变压器的原边绕组进行磁复位，原边绕组停止向副边绕组传能。断续传能会导致输出电流纹波很大。因此，本申请在每相电路中加入一个单级传能电路，使得输出电流之和的电流纹波周期为两倍开关频率周期纹波，进而使得输出总电流纹波减小。

此外，示例性地，请参阅图6，图6为本申请实施例提供的另一种单级无桥交直流转换电路拓扑图，如图6所示，相比图2所示的单级无桥交直流转换电路，该单级无桥交直流转换电路还包括第三输出整流滤波电路、开关Sw4、开关Sw5以及开关Sw6，每相电路中的变压器的还包括第二副边绕组，该第三输出整流滤波电路包括二极管D21、二极管D22、二极管D23、二极管D24、二极管D25、二极管D26以及滤波电容Co3。

变压器T1的第二副边绕组的第二端口与变压器T3的第二副边绕组的第二端口以及变压器T5的第二副边绕组的第二端口连接。变压器T1的第二副边绕组的第一端口与二极管D21的第一端口以及二极管D22的第二端口连接；变压器T3的第二副边绕组的第一端口与二极管D23的第一端口以及二极管D24的第二端口连接；变压器T5的第二副边绕组的第一端口与二极管D25的第一端口以及二极管D26的第二端口连接。二极管D21的第二端口与二极管D23的第二端口、二极管D25的第二端口以及滤波电容Co3的第一端口连接，二极管D22的第一端口与二极管D24的第一端口、二极管D26的第一端口以及滤波电容Co3的第二端口连接。滤波电容Co3的第二端口设置输出电流端io3。第一输出整流滤波电路与第三输出整流滤波电路的输出端作为该单级无桥交直流转换电路的输出端。

同样的，当开关Sw4导通，且开关Sw6以及开关Sw5断开时，第一输出整流滤波电路与第三输出整流滤波电路串联；当开关Sw6以及开关Sw5导通，且开关Sw4断开时，第一输出整流滤波电路与第三输出整流滤波电路并联。

可以看出，通过上述单级无桥交直流转换电路，可以提高输出电压的范围。

此外，示例性地，请参阅图7，图7为本申请实施例提供的另一种单级无桥交直流转换电路拓扑图，如图7所示，相比图2所示的单级无桥交直流转换电路，单级无桥交直流转换电路还包括第四输出整流滤波电路、开关Sw7、开关Sw8、开关Sw9，三相电路中还包括隔直电容C7、隔直电容C8、隔直电容C9、变压器T7、变压器T8以及变压器T9，第四输出整流滤波电路包括二极管D31、二极管D32、二极管D33、二极管D34、二极管D35、二极管D36以及滤波电容Co4。

隔直电容C7的第一端口与隔直电容C1的第一端口连接，隔直电容C7的第二端口与变压器T7的原边绕组的第一端口连接；隔直电容C8的第一端口与隔直电容C3的第一端口连接，隔直电容C8的第二端口与变压器T8的原边绕组的第一端口连接；隔直电容C9的第一端口与隔直电容C5的第一端口连接，隔直电容C9的第二端口与变压器T9的原边绕组的第一端口连接；变压器T7的原边绕组的第一端口与变压器T8的原边绕组的第一端口以及变压器T9的原边绕组的第一端口连接。

变压器T7的副边绕组的第二端口与变压器T8的副边绕组的第二端口以及变压器T9的副边绕组的第二端口连接。变压器T7的副边绕组的第一端口与二极管D31的第一端口以及二极管D32的第二端口连接；变压器T8的副边绕组的第一端口与二极管D33的第一端口以及二极管D34的第二端口连接；变压器T9的副边绕组的第一端口与二极管D35的第一端口以及二极管D36的第二端口连接。二极管D31的第二端口与二极管D33的第二端口、二极管D35的第二端口以及滤波电容Co4的第一端口连接，二极管D32的第一端口与二极管D34的第一端口、二极管D36的第一端口以及滤波电容Co4的第二端口连接。滤波电容Co4的第二端口设置输出电流端io4。第一输出整流滤波电路与第四输出整流滤波电路的输出端作为该单级无桥交直流转换电路的输出端。

可以看出，通过上述单级无桥交直流转换电路，不仅可以提高输出电压的范围，还可以提高输出功率。

下面通过图8对上述三相电路中的双向开关管的控制信号的确定进行具体说明：

请参阅图8，图8为本申请实施例提供的一种单级无桥交直流转换电路的控制框图，如图8所示，对单级无桥交直流转换电路的输出电压Vo以及输出电流io进行采样，并根据外部负载需求，确定输出电压的设定值（需求电压）Voref，以及输出电流的设定值（需求电流）Ioref。将输出电压Vo与输出电压的设定值Voref输入输出电压环进行计算，得到输出电压环的输出结果Vpi；将输出电流io与输出电流的设定值Ioref输入输出电流环进行计算，得到输出电流环结果Ipi；将输出电压环结果与输出电流环结果进行取小，得到最终输出环路控制结果Minpi。这样可以分别实现对上述电路的电压控制和电流控制。

通过三相输入线电压大小切换开关S1、S2、S3的导通状态，当线电压大于第一预设电压时，将开关S1、S2、S3切换为与动端与第一不动端之间导通，此时取三相相电压Van、Vbn、Vcn，得到三相输入相电压的电压采样的绝对值|Vac1|、|Vac2|、|Vac3|；当线电压不大于第一预设电压时，将开关S1、S2、S3切换为与动端与第二不动端之间导通，此时取三相线电压Vab、Vbc、Vca，得到三相输入线电压的电压采样的绝对值|Vac1|、|Vac2|、|Vac3|。

将采样得到三相输入交流电压信号的绝对值|Vac1|、|Vac2|、|Vac3|分别与环路输出结果Minpi相乘后分别得到各路的电流给定量Iac1ref、Iac2ref、Iac3ref。此时通过对第一相的输入电流进行采样得到第一相的输入电流Iac1，将第一相的输入电流Iac1与对应的第一相的电流给定量Iac1ref输入第一输入电流环进行计算，得到该相电路中的单级传能电路中的开关管的控制信号的占空比DR1。

通过对第二相的输入电流进行采样得到第二相的输入电流Iac2，将第二相的输入电流Iac2与对应的第二相的电流给定量Iac2ref输入第二输入电流环进行计算，得到该相电路中的单级传能电路中的开关管的控制信号的占空比DR2。通过对第三相的输入电流进行采样得到第三相的输入电流Iac3，将第三相的输入电流Iac3与对应的第三相的电流给定量Iac3ref输入第三输入电流环进行计算，得到该相电路中的单级传能电路中的开关管的控制信号的占空比DR3。

将占空比DR1、DR2、DR3输入PWM发波计算单元，得到第一双向开关管（开关管Q1及开关管Q2）、第二双向开关管（开关管Q3及开关管Q4）、第三双向开关管（开关管Q5及开关管Q6）分别对应的脉冲宽度调制信号PWM1、PWM2、PWM3，其中，PWM1、PWM2、PWM3对应的驱动时间之间间隔三分之一开关周期。

而针对上述图5所示的每相存在两个单级传能电路时，将脉冲宽度调制信号PWM1、PWM2、PWM3进行六路交错发波设计，得到第一双向开关管（开关管Q1及开关管Q2）、第二双向开关管（开关管Q3及开关管Q4）、第三双向开关管（开关管Q5及开关管Q6）、第四双向开关管（开关管Q11及开关管Q12）、第五双向开关管（开关管Q13及开关管Q14）以及第六双向开关管（开关管Q15及开关管Q16）分别对应的控制信号SQ1、SQ2、SQ3、SQ4、SQ5、SQ6。其中，控制信号SQ1与控制信号SQ4之间的发波相位交错180°，控制信号SQ2与控制信号SQ5之间的发波相位交错180°，控制信号SQ3与控制信号SQ6之间的发波相位交错180°，再将控制信号SQ1、控制信号SQ2与控制信号SQ3三路的发波相位交错120°，这样可以减小输出电流纹波。

通过上述方案确定三相电路中双向开关管的控制信号，从而控制三相电路中双向开关管的导通和断开，进而实现本电路的输入功率因数校正。

可以看出，本申请提出单级无桥交直流转换电路，由于本申请为单级型电路，相对于两级型电路，可以实现更高的转换效率，并且本电路输入侧通过无桥电路实现对输入电流大小的控制，这样可以减少功率器件数量，进而提高输入侧对应的转换效率。同时，由于本电路通过第一开关电路实现三相输入线电压与相电压之间的切换，解决了输入线电压较高时，半导体器件电压应力较高的问题，同时也解决了输入线电压较低时，半导体器件导通损耗大转换效率下降的问题，并且，结合线电压与相电压智能输入切换策略，还可以提高输入电压范围，进而提高输出电压范围。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上对本申请实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方 式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上上述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种单级无桥交直流转换电路，其特征在于，所述单级无桥交直流转换电路包括输入侧电路和输出侧电路，所述输入侧电路包括三相电路，所述三相电路中的每相电路包括第一开关电路、滤波电路以及第一单级传能电路，所述第一单级传能电路包括第二开关电路以及变压器，所述输出侧电路包括第一输出整流滤波电路；

针对所述每相电路，所述第一开关电路的第一不动端与输入电压源的第二端口连接，所述第一开关电路的第二不动端与该相电路之外的另一相电路中的输入电压源的第一端口连接，以使所述每相电路分别输入不同的线电压，所述第一开关电路的动端与所述滤波电路的第二端口以及所述第二开关电路的第二输入端连接，所述输入电压源的第一端口与所述滤波电路的第一端口以及所述第二开关电路的第一输入端连接，所述第二开关电路的输出端与所述变压器的原边绕组的第一端口连接；

所述三相电路中的变压器的原边绕组的第二端口之间相互连接，所述三相电路中的变压器的第一副边绕组的第二端口之间相互连接，所述三相电路中的变压器的第一副边绕组的第一端口分别与所述第一输出整流滤波电路的三个输入端连接，所述第一输出整流滤波电路的输出端作为所述单级无桥交直流转换电路的输出端；

所述第一开关电路，用于当所述每相电路输入的线电压不大于第一预设电压时，控制所述第二不动端与所述动端之间导通；当所述每相电路输入的线电压大于第一预设电压时，控制所述第一不动端与所述动端之间导通；

所述滤波电路，用于对输入的第一交流信号进行滤波；

所述第二开关电路，用于将所述滤波电路输出的交流信号转换为第二交流信号，其中，所述第二交流信号的电流大小是通过所述第二开关电路中的双向开关管控制的；

所述变压器，用于对所述第二交流信号的电压进行调整；

所述第一输出整流滤波电路，用于对所述变压器输出的交流信号进行整流及滤波。

2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述第二开关电路包括滤波电感、隔直电容以及两个开关管，所述两个开关管组成所述双向开关管；

所述滤波电感的第一端口作为所述第二开关电路的第一输入端，所述滤波电感的第二端口与所述双向开关管的第一端口以及所述隔直电容的第一端口连接，所述双向开关管的第二端口作为所述第二开关电路的第二输入端。

3.根据权利要求1或2所述的电路，其特征在于，所述单级无桥交直流转换电路还包括第二输出整流滤波电路、开关Sw1、开关Sw2以及开关Sw3，所述每相电路还包括第二单级传能电路；

所述每相电路中的第二单级传能电路的第一输入端和第二输入端分别与所述第一单级传能电路中的第一输入端和第二输入端连接，三个第二单级传能电路的第一输出端分别与所述第二输出整流滤波电路的三个输入端连接，所述三个第二单级传能电路的第二输出端之间相互连接，所述第一输出整流滤波电路的第二输出端与所述开关Sw1的第一端口以及所述开关Sw2的第一端口连接，所述第一输出整流滤波电路的第一输出端与所述开关Sw3的第一端口连接，所述第二输出整流滤波电路的第一输出端与所述开关Sw1的第二端口以及开关Sw3的第二端口连接，所述第二输出整流滤波电路的第二输出端与所述开关Sw2的第二端口连接；

当所述开关Sw1导通，且所述开关Sw3以及所述开关Sw2断开时，所述第一输出整流滤波电路与所述第二输出整流滤波电路串联；

当所述开关Sw3以及所述开关Sw2导通，且所述开关Sw1断开时，所述第一输出整流滤波电路与所述第二输出整流滤波电路并联。

4.根据权利要求1或2所述的电路，其特征在于，所述单级无桥交直流转换电路还包括第三输出整流滤波电路、开关Sw4、开关Sw5以及开关Sw6，所述每相电路中的变压器的还包括第二副边绕组；

所述三相电路中的三个变压器的第二副边绕组的第一端口分别与所述第三输出整流滤波电路的三个输入端连接，所述三个变压器的第二副边绕组的第二端口之间相互连接，所述第一输出整流滤波电路的第二输出端与所述开关Sw4的第一端口以及所述开关Sw5的第一端口连接，所述第一输出整流滤波电路的第一输出端与所述开关Sw6的第一端口连接，所述第三输出整流滤波电路的第一输出端与所述开关Sw4的第二端口以及开关Sw6的第二端口连接，所述第三输出整流滤波电路的第二输出端与所述开关Sw5的第二端口连接；

当所述开关Sw4导通，且所述开关Sw6以及所述开关Sw5断开时，所述第一输出整流滤波电路与所述第三输出整流滤波电路串联；

当所述开关Sw6以及所述开关Sw5导通，且所述开关Sw4断开时，所述第一输出整流滤波电路与所述第三输出整流滤波电路并联。

5.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述单级无桥交直流转换电路还包括第四输出整流滤波电路、开关Sw7、开关Sw8、开关Sw9，所述每相电路中还包括第二隔直电容和第二变压器；

所述每相电路中的第二隔直电容的第一端口与所述隔直电容的第一端口连接，且所述第二隔直电容的第二端口与所述第二变压器的原边绕组的第一端口连接，所述三相电路中的三个第二变压器的原边绕组的第二端口之间相互连接，所述三个第二变压器的副边绕组的第一端口分别与所述第四输出整流滤波电路的三个输入端连接，所述三个第二变压器的副边绕组的第二端口之间相互连接，所述第一输出整流滤波电路的第二输出端与所述开关Sw7的第一端口以及所述开关Sw8的第一端口连接，所述第一输出整流滤波电路的第一输出端与所述开关Sw9的第一端口连接，所述第四输出整流滤波电路的第一输出端与所述开关Sw7的第二端口以及开关Sw9的第二端口连接，所述第四输出整流滤波电路的第二输出端与所述开关Sw8的第二端口连接；

当所述开关Sw7导通，且所述开关Sw9以及所述开关Sw8断开时，所述第一输出整流滤波电路与所述第四输出整流滤波电路串联；

当所述开关Sw9以及所述开关Sw8导通，且所述开关Sw7断开时，所述第一输出整流滤波电路与所述第四输出整流滤波电路并联。

6.根据权利要求1或2所述的电路，其特征在于，所述每相电路中的单级传能电路中的双向开关管根据控制信号控制，所述控制信号根据第一控制结果确定，所述第一控制结果根据所述每相电路的输入电流与对应的输入电流控制量之间的偏差进行环路控制后确定，所述输入电流控制量根据第二控制结果与第三控制结果之间的最小值，以及所述每相电路输入的电压的绝对值确定，所述第二控制结果根据所述单级无桥交直流转换电路输出的电流与外部的需求电流进行环路控制后确定，所述第三控制结果根据所述单级无桥交直流转换电路输出的电压与外部的需求电压进行环路控制后确定。

7.根据权利要求1或2所述的电路，其特征在于，所述第一输出整流滤波电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6以及滤波电容Co1；

所述二极管D1的第一端口作为所述第一输出整流滤波电路的第一输入端，并与所述二极管D2的第二端口连接，所述二极管D2的第二端口作为所述第一输出整流滤波电路的第一输出端，并与所述二极管D3的第二端口、二极管D5的第二端口以及所述滤波电容Co1的第一端口连接，所述二极管D2的第一端口作为所述第一输出整流滤波电路的第二输出端，并与所述二极管D4的第一端口、所述二极管D6的第一端口以及所述滤波电容Co1的第二端口连接，所述二极管D3的第一端口作为所述第一输出整流滤波电路的第二输入端，并与所述二极管D4的第二端口连接，所述二极管D5的第一端口作为所述第一输出整流滤波电路的第三输入端，并与所述二极管D6的第二端口连接。

8.根据权利要求1或2所述的电路，其特征在于，所述三相电路中的三个第一单级传能电路中的双向开关管对应的控制信号的驱动时间之间分别间隔三分之一开关周期。

9.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述每相电路中的第一单级传能电路以及第二单级传能电路中的双向开关管根据控制信号控制，且所述每相电路中的第一单级传能电路中的双向开关管对应的控制信号的驱动时间，与所述第二单级传能电路中的双向开关管对应的控制信号的驱动时间之间间隔半个开关周期。

10.根据权利要求1或2所述的电路，其特征在于，所述滤波电路包括一个滤波电容。