CN221042676U - 基于三相全耦合变压器的单级ac-dc变换器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及变换器技术领域，并公开了一种基于三相全耦合变压器的单级AC‑DC变换器，该电路包括：依次连接的交流侧输入滤波电路、原边桥臂开关电路、全耦合变压器和副边桥臂开关电路、母线电容支路；交流侧输入滤波电路中的三相交流输入端连接三相交流源，交流侧输入滤波电路中的三相交流输出端连接原边桥臂开关电路中的桥臂中点；原边桥臂电路与母线电容支路连接；全耦合变压器包括变压器磁芯、绕制在变压器磁芯上的三相原边线圈以及副边线圈；每相原边线圈的第一输入端由一个隔直电容连接至原边桥臂开关电路中的桥臂中点，第二输入端连接母线电容支路的中点；副边线圈与副边桥臂开关电路连接。本申请提高了三相AC‑DC变换器功率密度。

Description

基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器

技术领域

本实用新型涉及变换器技术领域，尤其涉及一种基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器。

背景技术

随着社会的发展，三相AC-DC变换器在各个领域，如电动汽车上的使用也越来也多，用户在希望三相AC-DC变换器可以正常工作的同时提高变换器的功率密度，这也对三相AC-DC变换器电路的设计提出了更高的要求。

传统的三相AC-DC变换器电路是通过设计三路电路(每路电路中单独设计变压器)分别输入三相交流电实现AC到DC的变换，这种三相AC-DC变换器电路存在很大缺陷，会存在每路电路分别输入单相电压造成变压器上存在交流分量的现象发生，即，这种三相AC-DC变换器电路会由于每路电路分别输入单相电压造成变压器上存在交流分量，进而影响三相AC-DC变换器功率密度的进一步提升。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提出一种基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器，旨在如何提高三相AC-DC变换器功率密度的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供一种基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器，所述基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器包括依次电性连接的交流侧输入滤波电路、原边桥臂开关电路、全耦合变压器和副边桥臂开关电路、母线电容支路；

所述交流侧输入滤波电路包括三相交流输入端和三相交流输出端，所述三相交流输入端分别连接至三相交流源，所述三相交流输出端分别连接至所述原边桥臂开关电路中与其对应桥臂的桥臂中点；所述原边桥臂开关电路的第一输出端和第二输出端分别与所述母线电容支路的两端电性连接；

所述全耦合变压器包括变压器磁芯、绕制在所述变压器磁芯上的三相原边线圈以及与三相所述原边线圈对应的副边线圈；其中，每相所述原边线圈的第一输入端经由一个隔直电容连接至所述原边桥臂开关电路中与其对应桥臂的桥臂中点，每相所述原边线圈的第二输入端连接至所述母线电容支路的中点；所述副边线圈的输出端与所述副边桥臂开关电路的输入端电性连接。

可选地，所述交流侧输入滤波电路包括与三相交流电对应的，用于对三相交流电进行滤波的第一电感、第二电感和第三电感；

所述第一电感的两端分别构成第一相电压的交流输入端和交流输出端；

所述第二电感的两端分别构成第二相电压的交流输入端和交流输出端；

所述第三电感的两端分别构成第三相电压的交流输入端和交流输出端。

可选地，三相所述原边线圈包括第一原边线圈、第二原边线圈和第三原边线圈，所述第一原边线圈的同名端、所述第二原边线圈的同名端和所述第三原边线圈的同名端为非相邻缠绕状态；每相原边线圈的同名端为其第一输入端，异名端为其第二输入端。

可选地，所述原边桥臂开关电路包括三相桥臂，每相桥臂由两个串联的开关管组成；每相桥臂的第一端共接后构成所述原边桥臂开关电路的第一输出端，每相桥臂的第二端共接后构成所述原边桥臂开关电路的第二输出端，每相桥臂中两个开关管的共接点构成该相桥臂的桥臂中点。

可选地，所述三相桥臂包括第一原边桥臂、第二原边桥臂和第三原边桥臂；

所述第一原边桥臂包括第一MOS管和第二MOS管，所述第一MOS管的漏极为所述第一原边桥臂的第一端，所述第一MOS管的源极与所述第二MOS管的漏极共接后构成所述第一原边桥臂的桥臂中点，所述第二MOS管的源极为所述第一原边桥臂的第二端；

所述第二原边桥臂包括第三MOS管和第四MOS管，所述第三MOS管的漏极为所述第二原边桥臂的第一端，所述第三MOS管的源极与所述第四MOS管的漏极共接后构成所述第二原边桥臂的桥臂中点，所述第四MOS管的源极为所述第二原边桥臂的第二端；

所述第三原边桥臂包括第五MOS管和第六MOS管，所述第五MOS管的漏极为所述第三原边桥臂的第一端，所述第五MOS管的源极与所述第六MOS管的漏极共接后构成所述第三原边桥臂的桥臂中点，所述第六MOS管的源极为所述第三原边桥臂的第二端。

可选地，所述原边桥臂开关电路还包括第四桥臂，所述第四桥臂包括第一补偿MOS管和第二补偿MOS管；

所述第一补偿MOS管的第一端与所述原边桥臂开关电路的第一输出端、所述母线电容支路的第一端电性连接，所述第一补偿MOS管的第二端与所述第二补偿MOS管的第一端连接，所述第二补偿MOS管的第二端与所述原边桥臂开关电路的第二输出端、所述母线电容支路的第二端电性连接；所述第一补偿MOS管和所述第二补偿MOS管的共接点还与零线电性连接。

可选地，所述基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器还包括LC电路，所述LC电路的第一端连接至所述第一补偿MOS管和所述第二补偿MOS管的共接点，所述LC电路的第二端连接至所述母线电容支路的中点。

可选地，所述母线电容支路由串联的第一电容和第二电容构成，所述第一电容和第二电容共接点构成所述母线电容支路的中点。

可选地，所述基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器还包括连接在所述副边线圈和所述副边桥臂开关电路之间的谐振腔。

可选地，所述副边桥臂开关电路包括第一副边桥臂、第二副边桥臂；所述第一副边桥臂的桥臂中点为所述副边桥臂开关电路的第一输入端，所述第二副边桥臂的桥臂中点为所述副边桥臂开关电路的第二输入端，所述第一副边桥臂的第一端与所述第二副边桥臂的第一端共接后构成所述副边桥臂开关电路的第一输出端，所述第一副边桥臂的第二端和所述第二副边桥臂的第二端共接后构成所述副边桥臂开关电路的第二输出端；

所述三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器还包括输出滤波电路，所述输出滤波电路的两端分别与所述副边桥臂开关电路的第一输出端、第二输出端连接；

所述第一副边桥臂包括第七MOS管和第八MOS管，所述第七MOS管的漏极构成所述第一副边桥臂的第一端，所述第七MOS管的源极与所述第八MOS管的漏极共接构成所述第一副边桥臂的桥臂中点，所述第八MOS管的源极构成所述第一副边桥臂的第二端；

所述第二副边桥臂包括第九MOS管和第十MOS管，所述第九MOS管的漏极构成所述第二副边桥臂的第一端，所述第九MOS管的源极与所述第十MOS管的漏极共接构成所述第二副边桥臂的桥臂中点，所述第十MOS管的源极构成所述第二副边桥臂的第二端。

本申请提供了一种基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器，该电路包括依次电性连接的交流侧输入滤波电路、原边桥臂开关电路、全耦合变压器和副边桥臂开关电路、母线电容支路；所述交流侧输入滤波电路包括三相交流输入端和三相交流输出端，三相交流输入端分别连接至三相交流源，三相交流输出端分别连接至所述原边桥臂开关电路中与其对应桥臂的桥臂中点；所述原边桥臂开关电路的第一输出端和第二输出端分别与所述母线电容支路的两端电性连接；所述全耦合变压器包括变压器磁芯、绕制在所述变压器磁芯上的三相原边线圈以及与三相所述原边线圈对应的副边线圈；其中，每相所述原边线圈的第一输入端经由一个隔直电容连接至所述原边桥臂开关电路中与其对应桥臂的桥臂中点，每相所述原边线圈的第二输入端连接至所述母线电容支路的中点；所述副边线圈的输出端与所述副边桥臂开关电路的输入端电性连接。通过全耦合变压器的原边线圈与交流侧输入滤波电路连接，进而平衡交流侧输入滤波电路输入的交流分量及线圈和磁芯的减少，从而避免了现有技术中每路电路分别输入单相电压造成变压器上存在交流分量，进而影响三相AC-DC变换器功率密度的进一步提升的现象发生，这种基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器一方面采用单级隔离拓扑替代传统的二级拓扑，省去了DCDC原边管，简化了电路，另一方面通过全耦合变压器与交流侧输入滤波电路连接，进而平衡交流侧输入滤波电路输入的交流分量，同时相比较现有电路单个变压器的使用可以省去了两个副边线圈，减小了磁件的体积，进而可以提高三相AC-DC变换器功率密度。

附图说明

图1为本实用新型基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器的结构示意图；

图2为常用单相AC-DC变换器电路的一连接示意图；

图3为常用三相臂AC-DC变换器电路的一连接示意图；

图4为本实用新型基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器的一连接示意图；

图5为本实用新型基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器的等效连接示意图；

图6为本实用新型基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器的一波形示意图；

图7为本实用新型基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器的一仿真波形示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				10	原边桥臂开关电路	20	交流侧输入滤波电路
30	全耦合变压器	40	副边桥臂开关电路
				11	第一原边桥臂	12	第二原边桥臂
13	第三原边桥臂	50	第四桥臂
				Q1-Q6	第一MOS管-第六MOS管	QN1	第一补偿MOS管
QN2	第二补偿MOS管	C6	第一电容
				C7	第二电容	U1	第一相电压
V1	第二相电压	W1	第三相电压
				L1	第一电感	L2	第二电感
L3	第三电感	C1	第三桥臂的桥臂中点
				A1	第一桥臂的桥臂中点	B1	第二桥臂的桥臂中点
T1	第一原边线圈	T2	第二原边线圈
				T3	第三原边线圈	T4	副边线圈
CX	变压器磁芯	31	原边线圈
				41	谐振腔	Q7	第七MOS管
Q8	第八MOS管	Q9	第八九MOS管
				Q10	第十MOS管	C8	第三电容
C3	第一隔直电容	C4	第二隔直电容
				C5	第三隔直电容	N	零线
O	母线电容支路的中点	60	LC网络
				100	三相交流源	80	母线电容支路
21	三相交流输入端	22	三相交流输出端
				1A	桥臂中点

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

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的一部分实施例，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。

需要说明，本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”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申请中的具体含义。

另外，在本申请中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

本实用新型提供一种基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器，参照图1的基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器的结构示意图，基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器包括依次电性连接的交流侧输入滤波电路20、原边桥臂开关电路10、全耦合变压器30和副边桥臂开关电路40、母线电容支路80；

所述交流侧输入滤波电路20包括三相交流输入端21和三相交流输出端22，三相交流输入端21分别连接至三相交流源100，所述三相交流输出端22分别连接至所述原边桥臂开关电路10中与其对应桥臂的桥臂中点1A；所述原边桥臂开关电路10的第一输出端和第二输出端分别与所述母线电容支路80的两端电性连接；

所述全耦合变压器30包括变压器磁芯CX、绕制在所述变压器磁芯CX上的三相原边线圈31以及与三相所述原边线圈31对应的副边线圈T4；其中，每相所述原边线圈31的第一输入端经由一个隔直电容连接至所述原边桥臂开关电路10中与其对应桥臂的桥臂中点1A，每相所述原边线圈31的第二输入端连接至所述母线电容支路的中点O；所述副边线圈T4的输出端与所述副边桥臂开关电路40的输入端电性连接。

随着能源行业的不断发展，电力电子的三相AC-DC变换器应用越来广泛，尤其是在新能源电动汽车，储能，光伏等领域；而如何提高功率密度，降低成本等成为三相AC-DC变换器的主要攻关课题。参照图2，图2为常用单相AC-DC变换器电路的一连接示意图，单相AC-DC变换器电路至少存在两级拓扑，进而造成单相AC-DC变换器电路的功率密度无法进一步提升。参照图3，图3为常用三相AC-DC变换器电路的一连接示意图，如单相AC-DC变换器电路一样，三相AC-DC变换器电路也是由两级拓扑组成，一级ACDC拓扑和一级隔离的DC-DC拓扑，主要缺点是器件多，且三相交流电分为三个电路进行分开处理，进而使变压器处存在交流分流，无法进一步提升功率密度。现有AC-DC变换器电路通常采用单级拓扑结构来解决该问题，为了进一步提高功率密度，当前技术中应用较多的是交流侧电感的集成，或者谐振腔电感和主变压器的集成，但未能做到全集成。从而导致对于图3中多相输入情形，变压器需要设置多个副边绕组以与多个原边绕组对应(即三相交流电的每一相电压均需要设置变压器进行变压)，导致变压器数量多或体积大；同时副边电路还需要多个开关管桥臂(每相均需要开关管进行控制)与该多个副边绕组对应，导致变压器原边和副边管子数量多。因此基于以上问题提出了本实用新型的基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器。

在本实施例中，交流侧输入滤波电路20的原边线圈31分别与原边桥臂开关电路10和全耦合变压器30连接，分别是指交流侧输入滤波电路20与原边桥臂开关电路10和全耦合变压器30连接到原边线圈34上，而全耦合变压器30与副边桥臂开关电路40连接，进而可以实现AC-DC变换，此时原边线圈34还与母线电容支路的中点O进行连接。通过接入全耦合变压器30进而可以保证较少副边线圈及变压器磁芯的使用,即一方面采用单级隔离拓扑替代传统的二级拓扑，省去了DCDC原边管，简化了电路，其次变压器也可以减少输出端的引脚，可以降低整个AC-DC变换器电路的成本，同时全耦合变压器30与交流侧输入滤波电路20中的三相交流电连接，并平衡三相交流电中输入的交流分量，进而可以提高电路的功率密度，另一方面也通过减小磁芯体积(较比较常用三相AC-DC变换器电路减少了至少四块磁芯的体积，同时相比较现有电路单个变压器的使用可以省去了两个副边线圈，减小了磁件的体积，)进而可以提高电路的功率密度。

本实施例提供了一种基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器，该电路包括依次电性连接的交流侧输入滤波电路、原边桥臂开关电路、全耦合变压器和副边桥臂开关电路、母线电容支路；所述交流侧输入滤波电路包括三相交流输入端和三相交流输出端，三相交流输入端分别连接至三相交流源，三相交流输出端分别连接至所述原边桥臂开关电路中与其对应桥臂的桥臂中点；所述原边桥臂开关电路的第一输出端和第二输出端分别与所述母线电容支路的两端电性连接；所述全耦合变压器包括变压器磁芯、绕制在所述变压器磁芯上的三相原边线圈以及与三相所述原边线圈对应的副边线圈；其中，每相所述原边线圈的第一输入端经由一个隔直电容连接至所述原边桥臂开关电路中与其对应桥臂的桥臂中点，每相所述原边线圈的第二输入端连接至所述母线电容支路的中点；所述副边线圈的输出端与所述副边桥臂开关电路的输入端电性连接。通过全耦合变压器的原边线圈与交流侧输入滤波电路连接，进而平衡交流侧输入滤波电路输入的交流分量及线圈和磁芯的减少，从而避免了现有技术中每路电路分别输入单相电压造成变压器上存在交流分量，进而影响三相AC-DC变换器功率密度的进一步提升的现象发生，这种基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器一方面采用单级隔离拓扑替代传统的二级拓扑，省去了DCDC原边管，简化了电路，另一方面通过全耦合变压器与交流侧输入滤波电路连接，进而平衡交流侧输入滤波电路输入的交流分量，同时相比较现有电路单个变压器的使用可以省去了两个副边线圈，减小了磁件的体积，进而可以提高三相AC-DC变换器功率密度。

进一步地，在本申请基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器又一实施例中，参照图4，图4为本实用新型基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器的一连接示意图，所述交流侧输入滤波电路20包括与三相交流电对应的，用于对三相交流电进行滤波的第一电感L1、第二电感L2和第三电感L3；

所述第一电感L1的两端分别构成第一相电压U1的交流输入端和交流输出端；

所述第二电感L2的两端分别构成第二相电压V1的交流输入端和交流输出端；

所述第三电感L3的两端分别构成第三相电压W1的交流输入端和交流输出端。

在本实施例中，交流侧输入滤波电路20包括第一电感L1、第二电感L2和第三电感L3，其中，第一电感L1、第二电感L2和第三电感L3相同，至少包括了三个耦合电感的组成及连接方式及器件选型相同，也就是针对第二电感L2和第三电感L3内部的器件及连接关系与记载的第一电感L1内部的器件及连接关系相同，只是并非使用的同一个器件。第一电感L1、第二电感L2和第三电感L3进而可以保证每相电压可以输出两种不同电压，同时相电压的压值也有较大变化，如相电压400V，则可以输出±400V相电压，进而可以提供输出电压的选择性。同时为后续全耦合变压器30对每相电压实现交流分量的平衡提供了依据，同时第一电感L1、第二电感L2和第三电感L3也是针对后续与全耦合变压器30连接(连接电容中点O)所特定设计的，进而可以保证后续全耦合变压器30平衡交流分量，以提高基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器的功率密度。

进一步地，在本申请基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器又一实施例中，三相所述原边线圈31包括第一原边线圈T1、第二原边线圈T2和第三原边线圈T3，所述第一原边线圈T1的同名端、所述第二原边线圈T2的同名端和所述第三原边线圈T3的同名端为非相邻缠绕状态；每相原边线圈的同名端为其第一输入端，异名端为其第二输入端。

示例性的，每相原边线圈的同名端为其第二输入端，异名端为其第一输入端。

在本实施例中，因常用的buck型的单级隔离拓扑结构不能充分利用交流能量，而AC-DC变换器电路由于全耦合变压器30的存在，使得主磁芯的磁路无工频分量，还可以达成节省磁芯体积的效果，其中，无工频分量是指无交流分量，通过第一原边线圈T1的同名端、第二原边线圈T2的同名端和第三原边线圈T3的同名端为非相邻缠绕状态，同时各个线圈的连接方式依次为A1OB1OC1O或OC1OB1OA1的连接方式，进而可以将三相交流电中各自的交流分量进行补偿，进而平衡全耦合变压器30中原边线圈31上的交流分量，进而可以提高基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器的功率密度。同时在全耦合变压器30的原边线圈31处设计第一隔直电容C3、第二隔直电容C4和第三隔直电容C5，进而可以保证输入交流电压的稳定性。同时较比较常用的三相AC-DC变换器电路，明显可知少了两个变压器和原副边线圈处的MOS管的减少，进而至少降低了四颗磁芯的体积，也进一步提高了基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器的功率密度。

进一步地，在本申请基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器又一实施例中，所述原边桥臂开关电路10包括三相桥臂，每相桥臂由两个串联的开关管组成；每相桥臂的第一端共接后构成所述原边桥臂开关电路10的第一输出端，每相桥臂的第二端共接后构成所述原边桥臂开关电路10的第二输出端，每相桥臂中两个开关管的共接点构成该相桥臂的桥臂中点1A。

具体的，所述三相桥臂包括第一原边桥臂11、第二原边桥臂12和第三原边桥臂13；

所述第一原边桥臂11包括第一MOS管Q1和第二MOS管Q2，所述第一MOS管Q1的漏极为所述第一原边桥臂11的第一端，所述第一MOS管Q1的源极与所述第二MOS管Q2的漏极共接后构成所述第一原边桥臂的桥臂中点A1，所述第二MOS管Q2的源极为所述第一原边桥臂11的第二端；

所述第二原边桥臂12包括第三MOS管Q3和第四MOS管Q4，所述第三MOS管Q3的漏极为所述第二原边桥臂12的第一端，所述第三MOS管Q3的源极与所述第四MOS管Q4的漏极共接后构成所述第二原边桥臂的桥臂中点B1，所述第四MOS管Q4的源极为所述第二原边桥臂12的第二端；

所述第三原边桥臂13包括第五MOS管Q5和第六MOS管Q6，所述第五MOS管Q5的漏极为所述第三原边桥臂13的第一端，所述第五MOS管Q5的源极与所述第六MOS管Q6的漏极共接后构成所述第三原边桥臂的桥臂中点C1，所述第六MOS管Q6的源极为所述第三原边桥臂13的第二端。

在本实施例中，原边桥臂开关电路10包括控制器(图中未画出，用于控制mos管导通进而实现发波方式的控制)、第一原边桥臂11、第二原边桥臂12、第三原边桥臂13，其中，第一原边桥臂11、第二原边桥臂12和第三原边桥臂13相同，至少包括了三个桥臂组的组成及连接方式及器件选型相同，也就是针对第二原边桥臂12和第三原边桥臂13内部的器件及连接关系与记载的第一原边桥臂11内部的器件及连接关系相同，只是并非使用的同一个器件。可参照图5，图5为本实用新型基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器的等效连接示意图，将整个桥臂开关电路10分为三个桥臂，桥臂A、桥臂B和桥臂C分别对应接到交流侧输入滤波电路20中三相交流电的每一路电压。通过原边桥臂开关电路10进而可以采取SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制)或者SPWM(SinusoidalPWM,正弦脉冲宽度调制)发波方式，通过控制器将A1与电容中点O、B1与电容中点O、C1与电容中点O作为全耦合变压器30原边线圈处的输入。通过采用全耦合变压器30传递能量，因为三相平衡的特性，副边无交流的工频分量，主磁通无工频分量，采用全耦合变压器还可以节省磁芯的体积，进而提高了电路的功率密度。利用ABC桥臂中的第一桥臂的输出端A1、第二桥臂的输出端B1和第三桥臂的输出端(即桥臂中点)C1分别对母线电容中点O呈高频PWM波的原因，可以用来传递能量；又因为三相的原因，可以采用全耦合变压器30将第一桥臂的输出端(即桥臂中点)A1、第二桥臂的输出端(即桥臂中点)B1和第三桥臂的输出端(即桥臂中点)C1三路电压叠加，形成一个4电平的PWM波，实现直接从AC侧向副边传递能量。以上发波控制的方法均为现有技术，且交错并联也为常用发波方法中所常见的控制方式。进而基于以上原边桥臂开关电路10控制的发波方式实现交流电压输入全耦合变压器30，为后续AC-DC变换提供了依据。

示例性的，可参照图6，图6为本实用新型基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器的一波形示意图，图中(a)部分为第一桥臂的输出端A1相对于电容中点O，进而在第一MOS管Q1和第二MOS管Q2的发波控制下，第一MOS管Q1和第二MOS管Q2之间产生的波形；(b)部分为第二桥臂的输出端B1相对于电容中点O，进而在第三MOS管Q3和第四MOS管Q4的发波控制下，第三MOS管Q3和第四MOS管Q4之间产生的波形；(c)部分为第三桥臂的输出端B1相对于电容中点O，进而在第五MOS管Q5和第六MOS管Q6的发波控制下，第五MOS管Q5和第六MOS管Q6之间产生的波形。此时磁集成装置产生一个方波电压波形如(d)部分图示所示，进而传递至全耦合变压器30的副边绕组上实现直流电压的输出。进而通过全耦合变压器30的使用，在保证直流电压的输出的同时一方面通过减少MOS管和变压器的使用降低了电路成本，另一方面通过全耦合变压器30对输入的三相交流电平衡交流分流及整个磁芯的面积减少，进而可以提高AC-DC变换器电路的功率密度。

进一步地，在本申请基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器又一实施例中，所述原边桥臂开关电路10还包括第四桥臂50，所述第四桥臂50包括第一补偿MOS管QN1和第二补偿MOS管QN2；

所述第一补偿MOS管QN1的第一端与所述原边桥臂开关电路10的第一输出端、所述母线电容支路80的第一端电性连接，所述第一补偿MOS管QN1的第二端与所述第二补偿MOS管QN2的第一端连接，所述第二补偿MOS管QN2的第二端与所述原边桥臂开关电路10的第二输出端、所述母线电容支路80的第二端电性连接；所述第一补偿MOS管QN1和所述第二补偿MOS管QN2的共接点还与零线N电性连接。

具体的，所述基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器还包括LC电路60，所述LC电路60的第一端连接至所述第一补偿MOS管QN1和所述第二补偿MOS管QN2的共接点，所述LC电路60的第二端连接至所述母线电容支路的中点O。

具体的，所述母线电容支路80由串联的第一电容C6和第二电容C7构成，所述第一电容C6和第二电容C7共接点构成所述母线电容支路的中点O。

在本实施例中，原边桥臂开关电路10还包括第四桥臂50，第四桥臂50包括第一补偿MOS管QN1和第二补偿MOS管QN2，第一补偿MOS管QN1的控制端和第二补偿MOS管QN2的控制端通过与控制器连接进而实现对零线N实现共模电流补偿，其补偿方式与常用的补偿方式相同(如果不需要补偿共模电流，则无需此桥臂)。同时还设计LC网络60，LC网络至少由电感和电容组成，设置在零线N-电容中点O之间，此时LC网络依据发波方式进行选择，如SPWM发波，则选择电感连接即可，如SVPWM发波则选择电容连接或者在整流处设置虚拟电容进行控制，进而可以通过第四桥臂50和LC网络60的设计可以保证AC-DC变换器电路的功能性与控制的准确性。

进一步地，在本申请基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器又一实施例中，所述，基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器还包括连接在所述副边线圈T4和所述副边桥臂开关电路40之间的谐振腔41。

具体的，所述副边桥臂开关电路40包括第一副边桥臂、第二副边桥臂；所述第一副边桥臂的桥臂中点为所述副边桥臂开关电路的第一输入端，所述第二副边桥臂的桥臂中点为所述副边桥臂开关电路的第二输入端，所述第一副边桥臂的第一端与所述第二副边桥臂的第一端共接后构成所述副边桥臂开关电路40的第一输出端，所述第一副边桥臂的第二端和所述第二副边桥臂的第二端共接后构成所述副边桥臂开关电路40的第二输出端；

所述三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器还包括输出滤波电路，所述输出滤波电路的两端分别与所述副边桥臂开关电路40的第一输出端、第二输出端连接；

所述第一副边桥臂包括第七MOS管Q7和第八MOS管Q8，所述第七MOS管Q7的漏极构成所述第一副边桥臂的第一端，所述第七MOS管Q7的源极与所述第八MOS管Q8的漏极共接构成所述第一副边桥臂的桥臂中点，所述第八MOS管Q8的源极构成所述第一副边桥臂的第二端；

所述第二副边桥臂包括第九MOS管Q9和第十MOS管Q10，所述第九MOS管Q9的漏极构成所述第二副边桥臂的第一端，所述第九MOS管Q9的源极与所述第十MOS管Q10的漏极共接构成所述第二副边桥臂的桥臂中点，所述第十MOS管Q10的源极构成所述第二副边桥臂的第二端。

值得说明的是，所述第七MOS管Q7的控制端、所述第八MOS管Q8的控制端、所述第九MOS管Q9的控制端和所述第十MOS管Q10的控制端分别与所述控制器连接。

在本实施例中，副边桥臂开关电路第七MOS管Q7、第八MOS管Q8、第九MOS管Q9、第十MOS管Q10和第三电容C8组成，此时第三电容C8两端就可以直接连接到输出电压。谐振腔41通过接收全耦合变压器30的副边线圈T4的输出电压，此时3个原边线圈31的每一原边绕组的两端分别连接一个桥臂组，进而实现输入，同时平衡输入三相交流电中的交流分量，以提高电路的功率密度。同时因为第七MOS管Q7、第八MOS管Q8、第九MOS管Q9、第十MOS管Q10各自的控制端与控制器连接(可以与前文共用控制器或单独选择控制器)，进而在副边桥臂开关电路40中可以通过副边部分DAB或者SRC发波方式实现调压。进而可以保证直流输出的可选择性和功能性。

示例性的，参照图7，图7为本实用新型基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器的一仿真波形示意图，基于本实用新型的基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器进行仿真，得到的仿真示意图，图中纵轴为波形大小，横轴为不同时间点，(a)部分为经过电感之后输出的电流波形，此时波形为三相电的波形，只是未将其放大。(b)部分为母线电压，即图4中BUS+和BUS-之间的电压，(c)部分为输出电压，即图4中第三电容C8之间的电压，也就是实际输出的直流电压。同时基于本实用新型的基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器可以确定磁密波形，由图中(d)部分的磁密波形可知，本实用新型的基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器大大提高了基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器的功率密度。

此外，本申请还提供了一种三相AC-DC变换器，三相AC-DC变换器包括上述的基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器。

以上所述仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是在本申请的发明构思下，利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器，其特征在于，基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器包括依次电性连接的交流侧输入滤波电路、原边桥臂开关电路、全耦合变压器和副边桥臂开关电路、母线电容支路；

所述交流侧输入滤波电路包括三相交流输入端和三相交流输出端，所述三相交流输入端分别连接至三相交流源，所述三相交流输出端分别连接至所述原边桥臂开关电路中与其对应桥臂的桥臂中点；所述原边桥臂开关电路的第一输出端和第二输出端分别与所述母线电容支路的两端电性连接；

所述全耦合变压器包括变压器磁芯、绕制在所述变压器磁芯上的三相原边线圈以及与三相所述原边线圈对应的副边线圈；其中，每相所述原边线圈的第一输入端经由一个隔直电容连接至所述原边桥臂开关电路中与其对应桥臂的桥臂中点，每相所述原边线圈的第二输入端连接至所述母线电容支路的中点；所述副边线圈的输出端与所述副边桥臂开关电路的输入端电性连接。

2.如权利要求1所述基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器，其特征在于，所述交流侧输入滤波电路包括与三相交流电对应的，用于对三相交流电进行滤波的第一电感、第二电感和第三电感；

所述第一电感的两端分别构成第一相电压的交流输入端和交流输出端；

所述第二电感的两端分别构成第二相电压的交流输入端和交流输出端；

所述第三电感的两端分别构成第三相电压的交流输入端和交流输出端。

3.如权利要求1所述基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器，其特征在于，三相所述原边线圈包括第一原边线圈、第二原边线圈和第三原边线圈，所述第一原边线圈的同名端、所述第二原边线圈的同名端和所述第三原边线圈的同名端为非相邻缠绕状态；每相原边线圈的同名端为其第一输入端，异名端为其第二输入端。

4.如权利要求1所述基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器，其特征在于，所述原边桥臂开关电路包括三相桥臂，每相桥臂由两个串联的开关管组成；每相桥臂的第一端共接后构成所述原边桥臂开关电路的第一输出端，每相桥臂的第二端共接后构成所述原边桥臂开关电路的第二输出端，每相桥臂中两个开关管的共接点构成该相桥臂的桥臂中点。

5.如权利要求4所述基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器，其特征在于，所述三相桥臂包括第一原边桥臂、第二原边桥臂和第三原边桥臂；

所述第一原边桥臂包括第一MOS管和第二MOS管，所述第一MOS管的漏极为所述第一原边桥臂的第一端，所述第一MOS管的源极与所述第二MOS管的漏极共接后构成所述第一原边桥臂的桥臂中点，所述第二MOS管的源极为所述第一原边桥臂的第二端；

所述第二原边桥臂包括第三MOS管和第四MOS管，所述第三MOS管的漏极为所述第二原边桥臂的第一端，所述第三MOS管的源极与所述第四MOS管的漏极共接后构成所述第二原边桥臂的桥臂中点，所述第四MOS管的源极为所述第二原边桥臂的第二端；

所述第三原边桥臂包括第五MOS管和第六MOS管，所述第五MOS管的漏极为所述第三原边桥臂的第一端，所述第五MOS管的源极与所述第六MOS管的漏极共接后构成所述第三原边桥臂的桥臂中点，所述第六MOS管的源极为所述第三原边桥臂的第二端。

6.如权利要求1所述基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器，其特征在于，所述原边桥臂开关电路还包括第四桥臂，所述第四桥臂包括第一补偿MOS管和第二补偿MOS管；

所述第一补偿MOS管的第一端与所述原边桥臂开关电路的第一输出端、所述母线电容支路的第一端电性连接，所述第一补偿MOS管的第二端与所述第二补偿MOS管的第一端连接，所述第二补偿MOS管的第二端与所述原边桥臂开关电路的第二输出端、所述母线电容支路的第二端电性连接；所述第一补偿MOS管和所述第二补偿MOS管的共接点还与零线电性连接。

7.如权利要求6所述基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器，其特征在于，所述基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器还包括LC电路，所述LC电路的第一端连接至所述第一补偿MOS管和所述第二补偿MOS管的共接点，所述LC电路的第二端连接至所述母线电容支路的中点。

8.如权利要求1所述基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器，其特征在于，所述母线电容支路由串联的第一电容和第二电容构成，所述第一电容和第二电容共接点构成所述母线电容支路的中点。

9.如权利要求1所述基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器，其特征在于，所述基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器还包括连接在所述副边线圈和所述副边桥臂开关电路之间的谐振腔。

10.如权利要求1所述基于三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器，其特征在于，所述副边桥臂开关电路包括第一副边桥臂、第二副边桥臂；所述第一副边桥臂的桥臂中点为所述副边桥臂开关电路的第一输入端，所述第二副边桥臂的桥臂中点为所述副边桥臂开关电路的第二输入端，所述第一副边桥臂的第一端与所述第二副边桥臂的第一端共接后构成所述副边桥臂开关电路的第一输出端，所述第一副边桥臂的第二端和所述第二副边桥臂的第二端共接后构成所述副边桥臂开关电路的第二输出端；

所述三相全耦合变压器的单级AC-DC变换器还包括输出滤波电路，所述输出滤波电路的两端分别与所述副边桥臂开关电路的第一输出端、第二输出端连接；

所述第一副边桥臂包括第七MOS管和第八MOS管，所述第七MOS管的漏极构成所述第一副边桥臂的第一端，所述第七MOS管的源极与所述第八MOS管的漏极共接构成所述第一副边桥臂的桥臂中点，所述第八MOS管的源极构成所述第一副边桥臂的第二端；

所述第二副边桥臂包括第九MOS管和第十MOS管，所述第九MOS管的漏极构成所述第二副边桥臂的第一端，所述第九MOS管的源极与所述第十MOS管的漏极共接构成所述第二副边桥臂的桥臂中点，所述第十MOS管的源极构成所述第二副边桥臂的第二端。