CN111404401A - 三相ac-dc交直流转换器、实现三相ac-dc交直流转换器的方法 - Google Patents

三相ac-dc交直流转换器、实现三相ac-dc交直流转换器的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种三相AC‑DC交直流转换器、实现三相AC‑DC交直流转换器的方法。三相单级交直流变换器在低相电压开关应力下实现功率因子校正。直接输入电流检测用于计算交直流变换器的平均输入电流并实现功率因子校正。实施例具有高功率因子、单级功率转换和所有开关的软开关等特性，从而在经济高效的单级三相结构中产生高转换效率。该变换器输出电压纹波小，无双线频率分量，可实现无电解电容器。这种转换器在电动汽车充电等大功率应用中特别有用。

Description

三相AC-DC交直流转换器、实现三相AC-DC交直流转换器的 方法
相关申请
本发明要求于2019年1月22日提出的，申请号为62/795,375的美国专利申请的优先权，并该美国专利申请的全部内容以引用方式纳入本发明中。
技术领域
本发明有关AC-DC交直流功率变换器。更具体地说，本发明涉及具有功率因子校正和单级电压调节的三相AC-DC交直流功率变换器，具有高功率因子和高效率的特点，适合大功率应用。
背景技术
三相AC-DC交直流变换器多用于大功率负载直接连接到公用电网等高需求的应用领域之中。功率因子在这种AC-DC交直流变换器中起到的作用是至关重要的，因为低功率因子会降低电网的可用性，而交流电流中产生的高次谐波会产生导致电磁干扰的电压畸变。因此，带功率因子校正(PFC)的转换器必须符合交流侧产生电流谐波所需的国际标准。
从传统意义上来说，带功率因子校正的AC-DC交直流变换器由两个独立的单级变换器串联而成，例如，以带功率因子矫正的AC-DC交直流整流器作为第一级，以能够实现电压调节并且在某些情况下进行电压隔离的DC-DC变换器作为第二级。带有功率因子校正的两级三相AC-DC交直流变换器的一般结构如图1所示。AC-DC整流通常由一个执行功率因子校正的三相功率增强变换器(PFC onverter)实现，第二级是执行电压调节的三相DC-DC变换器。两级AC-DC交直流变换器的主要缺点是转换效率低，功率密度低，这都是由于使用了多个功率转换级和大尺寸无源元件，而可靠性低则是因为有大量的易损元件，以及降低直流环节电压纹波所需的大型直流环节电解电容器。
在新一代AC-DC交直流变换器中，不管是单相还是三相拓扑都推荐使用单级结构，以此来提高它的可靠性、集成度、功率密度和效率。在单级三相变换器中，三相二极管整流桥通常与DC-DC变换器一起用于功率因子校正和电压调节。使用这种方法，整个输出功率被作为一个整体来处理，因此需要大尺寸无源元件(如电感、变压器和电容器)，这会降低功率密度和效率。实现三相结构的另一种方法是将模块化三相结构连接到三线或四线三相***，如基于正激、反激、SEPIC、Cuk和推拉变换器的三相单级模块化功率因子校正变换器。一般来说，这些方法不适合大功率应用，四线制三相***由于实现成本较高而不可取。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种三相AC-DC交直流转换器、实现三相AC-DC交直流转换器的方法，用于解决相关技术中存在的技术问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种三相AC-DC交直流转换器，包括：
第一输入端子、第二输入端子和第三输入端子，分别用于接收三线三相交流输入电压的第一交流电压相位、第二交流电压相位和第三交流电压相位；
第一整流电路用于对第一输入端子接收到的第一交流电压相位进行整流，并产生第一输入直流电压；第二整流电路用于对第二输入端子接收到的第二交流电压相位进行整流，并产生第二输入直流电压；第三整流电路用于对第三输入端子接收到的第三交流电压相位进行整流，并产生第三输入直流电压；
接收第一输入直流电压并产生第一输出直流电压的第一单级功率因数校正模块；接收第二输入直流电压并产生第二输出直流电压的第二单级功率因数校正模块；接收第三输入直流电压并产生第三输出直流电压的第三单级功率因数校正模块；以及第一输出端子和第二输出端子；
其中，第一输出直流电压、第二输出直流电压和第三输出直流电压在第一输出端子和第二输出端子上并联连接在一起；
其中，第一单级功率因数校正模块、第二单级功率因数校正模块和第三单级功率因数校正模块提供同步的PFC操作和输出电压调节功能。
可选地，还包括：至少一个与第一输出端子和第二输出端子并联在一起的非电解输出电容器。
可选地，还包括：连接在第一输入端子与第一整流器电路之间的第一输入滤波器；连接在第二输入端子与第二整流器电路之间的第二输入滤波器；连接在第三输入端子与第三整流器电路之间的第三输入滤波器。
可选地，第一单级功率因子校正模块、第二单级功率因子校正模块及第三单级功率因子校正模块中每一个模块都包含一个谐振转换器。
可选地，第一单级功率因子校正模块、第二单级功率因子校正模块及第三单级功率因子校正模块中每一个模块都包含一个LLC谐振转换器。
可选地，第一单级功率因子校正模块、第二单级功率因子校正模块及第三单级功率因子校正模块中每一个模块都包含一个LCC谐振转换器。
可选地，还包括一个控制器；
其中，所述控制器分别感测第一单级功率因子校正模块的第一输入直流电压和第一输入直流电流、第二单级功率因子校正模块的第二输入直流电压和第二输入直流电流以及第三输入直流电压和第三输入直流电流，并使用感测的电压和电流来生成相电流参考信号；
所述控制器使用相电流参考信号为第一单级功率因子校正模块、第二单级功率因子校正模块和第三单级功率因子校正模块的一个或多个开关生成栅极驱动信号；
其中，第一单级功率因子校正模块、第二单级功率因子校正模块和第三单级功率因子校正模块提供同步的PFC操作和输出电压调节功能。
可选地，第一单级功率因子校正模块、第二单级功率因子校正模块及第三单级功率因子校正模块中每一个模块都包含一个独立的PWM增强转换器。
可选地，还包括控制器；
所述控制器感测第一单级功率因子校正模块的第一输入直流电压和第一输入直流电流、第二单级功率因子校正模块的第二输入直流电压和第二输入直流电流以及第三单级功率因子校正模块三输入直流电压和第三输入直流电流，并使用感测的电压和电流来调整每个相位的占空比；
所述控制器为第一单级功率因子校正模块、第二单级功率因子校正模块和第三单级功率因子校正模块的一个或多个开关生成栅极驱动信号；
其中，第一单级功率因子校正模块、第二单级功率因子校正模块和第三单级功率因子校正模块提供同步的PFC操作和输出电压调节功能。
可选地，可在电动汽车充电器中实现。
第二方面，本发明实施例提供了一种电动汽车充电器，包括第一方面所述的三相AC-DC交直流转换器。
第三方面，本发明实施例提供了一种实现三相AC-DC交直流转换器的方法，包括：
利用第一整流电路、第二整流电路和第三整流电路分别对三线制三相交流输入电压的第一交流电压、第二交流电压和第三交流电压相进行整流，并分别产生第一输入直流电压、第二输入直流电压和第三输入直流电压；
利用第一单级功率因子校正模块、第二单级功率因子校正模块和第三单级功率因子校正模块分别接收第一输入直流电压、第二输入直流电压和第三输入直流电压并分别产生第一输出直流电压、第二输出直流电压和第三输出直流电压；以及将第一输出直流电压、第二输出直流电压和第三输出直流电压并联在一起以产生最终输出电压；
其中，第一单级功率因子校正模块、第二单级功率因子校正模块和第三单级功率因子校正模块提供同步的PFC操作和输出电压调节功能。
可选地，包括：
将至少一个非电解输出电容器与最终输出电压并联连接。
可选地，第一单级功率因子校正模块、第二单级功率因子校正模块及第三单级功率因子校正模块中每一个模块都包含一个谐振转换器。
可选地，第一单级功率因子校正模块、第二单级功率因子校正模块及第三单级功率因子校正模块中每一个模块都包含一个LLC谐振转换器。
可选地，第一单级功率因子校正模块、第二单级功率因子校正模块及第三单级功率因子校正模块中每一个模块都包含一个LCC谐振转换器。
可选地，可通过以下方式来控制三相AC-DC交直流转换器：
分别感测第一单级功率因子校正模块的第一输入直流电压和第一输入直流电流，第二单级功率因子校正模块的第二入直流电压和第二输入直流电流，第三单级功率因子校正模块的第三入直流电压和第三输入直流电流，并使用感测的电压和电流生成相电流参考信号；
使用相位电流参考信号为第一单级功率因子校正模块、第二单级功率因子校正模块和第三单级功率因子校正模块的一个或多个开关生成栅极驱动信号；
其中，第一单级功率因子校正模块、第二单级功率因子校正模块和第三单级功率因子校正模块提供同步的PFC操作和输出电压调节功能。
可选地，第一单级功率因子校正模块、第二单级功率因子校正模块和第三单级功率因子校正模块中每一个都包含一个PWM增强转换器。
可选地，可以通过以下方式控制三相AC-DC交直流转换器：
分别感测第一单级功率因子校正模块的第一输入直流电压和第一输入直流电流，第二单级功率因子校正模块的第二输入直流电压和第二输入直流电流以及第三单级功率因子校正模块的第三输入直流电压和第三输入直流电流；
使用感测到的电压和电流调整每个相位的占空比；
为第一单级功率因子校正模块、第二单级功率因子校正模块和第三单级功率因子校正模块的一个或多个开关生成栅极驱动信号；
其中，第一单级功率因子校正模块、第二单级功率因子校正模块和第三单级功率因子校正模块提供同步的PFC操作和输出电压调节功能。
可选地，还包括：
使用三相AC-DC交直流转换器为电动汽车充电。
本实施例中，三相单级交直流变换器在低相电压开关应力下实现功率因子校正。直接输入电流检测用于计算交直流变换器的平均输入电流并实现功率因子校正。实施例具有高功率因子、单级功率转换和所有开关的软开关等特性，从而在经济高效的单级三相结构中产生高转换效率。该变换器输出电压纹波小，无双线频率分量，可实现无电解电容器。这种转换器在电动汽车充电等大功率应用中特别有用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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，还可以根据这些图获得其他的附图。
图1是根据现有技术实现的两级三相AC-DC交直流转换器的框图。
图2A是根据一个实施例绘制的单相单级功率因子校正PFC转换器的示意图。
图2B是根据一个实施例绘制的三线制三相功率因子校正PFC转换器的示意图，其中每个相位用单级功率因子校正(PFC)模块实现。
图3A-3C是根据不同实施例绘制的单级功率因子校正(PFC)模块示意图，这些模块分别基于LLC谐振变换器、LCC谐振变换器和单独的PWM增强变换器。
图4A-4B是根据一个实施例绘制的带有数控实现功能的三相单级功率因子校正PFC LLC转换器示意图。
图5A-5B是根据一个实施例绘制的带有数控实现功能的三相单级功率因子校正(PFC)模块独立PWM增强转换器的示意图。
图6为LLC谐振电路在不同相位角下的电压增益示意图。
图7是根据图4A-4B实施例绘制的三相单级谐振PFC LLC转换器的仿真结果示意图。全负荷时三相输入电压(上面板)、三相输入电流(中面板)、400vdc输出电压(下面板)为380vac RMS。
图8是根据图4A-4B实施例的第一相位绘制的谐振电流(上面板)和输入电压(下面板)的仿真结果示意图。全负荷时三相输入电压为380vac RMS，输出电压为400VDC。
图9A-9C是根据图4A-4B实施例的第一相位绘制的谐振电流和并联电感电流的仿真结果示意图。三相电压380×1.2VAC RMS，输入电压相位角(A)θ＝30°，(B)θ＝45°，(C)θ＝90°。
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
本发明提供一种三相单级AC-DC交直流变换器拓扑结构。各实施例基于模块化设计，其中，三相中的每一相使用一个单级功率因子校正转换器，并且三个单级功率因子校正(PFC)模块采用并联的方式连接并向负载端提供直流(DC)输出。单级功率因子校正模块可以包括谐振转换器(即LLC谐振电路或LCC转换器)或脉冲宽度调制(PWM)转换器(即独立的PWM增强转换器)。每个单级功率因子校正转换器可包括桥开关或实现用于功率因子校正的其它适当配置、转换器电路和输出电路。功率因子校正是通过桥路开关上的相电压应力来实现的。输入整流器用于为单级功率因子校正转换器提供直流电压。检测各单级功率因子校正模块的输入电流和电压，实现功率因子校正。实施例中能够实现高功率因子(可高于0.99)、单级功率转换和所有开关的软开关，从而在一个高性价比的单级三相结构中提供高功率转换效率(可高于97％)。此外，实施例得益于无双线频率分量或基本上无双线频率分量的低输出电压纹波，从而能够在无电解电容器的情况下得以实现、提高了可靠性。实施例还可包括以下一些特性：用单级拓扑来减少元件数量、向桥接开关提供相电压的三线三相连接、无电解电容器、所有开关的零电压开关(ZVS)接通和所有二极管的零电流开关(ZCS)断开等。因此，通过本实施例可以实现具有高转换效率、低成本和紧凑尺寸的可靠的高功率密度三相AC-DC交直流转换器。
本实施例可用于任何应用中，特别适合于高功率应用。高功率应用的一个例子是需要高功率传输的电动汽车直流快速充电站。
如上所述，模块化三相转换器的一种常见的优先解决方案就是基于四线制三相***向每个模块施加相电压。当三线制***用于这些转换器时，对每个模块施加线对线电压，因此电路中需要高电压额定开关，这使得它们的实现成本很高。相反，本实施例针对三线三相***优化，并且可以在设计中采用合适的高压开关器件，例如650V氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)，以改进性能。
图2A所示为一个单级功率因子校正(PFC)模块的模块通用电路图。三个这样的模块可用于三相转换器实施例，每相使用一个模块。输入交流电压Va是三线三相交流电源(即主电源通常为低频(例如50赫兹或60赫兹))的三相之一。全桥配置的整流二极管Dr1-整流二极管Dr4向单级PFC模块20提供直流电源。输出电容器Co与负载(如RL所示)并联。输出电压为直流电压，具有双线频率分量。如上所述，单级功率因子校正(PFC)模块可以通过谐振变换器或脉冲宽度调制(PWM)变换器来实现。
图2B为根据本发明描述的实施例绘制的三相单级功率因子校正PFC转换器的广义电路图。三个模块20a、20b、20c以及整流器电路中的每一相都是相同的。每个模块整流器的输入交流电压是三相交流电源(即市电)的三相A、B、C之一。如图2B所示，三线制三相交流电源可具有例如星形或三角形的连接方式，并且在此可称为“真正的”三相电源。电容器Cf连接在三个交流相位的每一个相位之间，用于创建连接到三个整流电路公共点的中性点。这样，每个整流器只接收相电压而不接收线电压。这三个模块的输出通过一个与负载并联的输出电容器Co并联在一起。每个单级单级功率因子校正PFC模块的输出是一个具有双线频率分量的直流电压。当三个直流输出并联在一起时，双线频率分量完全或基本上被取消，从而避免了对大电解输出电容器的需要，并且能够仅使用小的输出电容器在负载端产生完全或基本上无纹波的直流输出电压。
如上所述，单级功率因子校正PFC模块可以用各种转换器设计来实现。转换器可包括频率控制转换器模块或脉冲宽度调制转换器模块。例如，图3A和图3B是分别根据用LLC转换器和LCC谐振转换器实现的单级功率因子校正PFC模块30a、单级功率因子校正30b实施例的电路示意图，图3C是根据使用独立的PWM增强转换器实现的单级功率因子校正PFC模块30c实施例的电路示意图。在所有实施例中，整流交流电压馈送转换器的全桥的初级侧，并且输出电压是在双倍线路频率下具有小纹波的直流电压。LCC谐振变换器的功率因子校正PFC模块工作与LLC变换器类似，可以通过改变串并联谐振频率之间的开关频率来实现。对于独立的PWM增强转换器，可以通过在最小占空比和最大占空比之间调节主开关(S1)的占空比来实现PFC操作。这些实施例仅对主要侧开关施加一个低压应力，加上模块化结构以及仅要求输出一个很小的(非电解)电容，从而能够得以实现高效率和高功率密度。
图4A-4B和5A-5B分别展示了使用LLC变换器和独立的PWM增强PFC模块以及数字控制器实现的三相单级功率因子校正PFC转换器的实施例。图4A和图4B中所示的各部分之间的连接用“To/From a”、“To/From b”和“To/From c”表示，即各部分双向连接。图5A和5B所示的各部分之间的连接用“To/From 1”、“To/From 2”和“To/From 3”表示，即各部分双向连接。
图4A-4B所示的实施例中，三相单级LLC PFC AC-DC交直流转换器的控制可通过输入电压感测电路R1-R2、R3-R4和R5-R6、输入电流感测电路Rsen1、Rsen2和Rsen3以及相应的运算放大器42a、42b和42c和输出电压感测电阻器R7-R8来实现。平均电流计算器44接收运算放大器42a、42b和42c的输出，并且计算平均输入电流以用于功率因子校正。在数字控制模块45中，来自输入电压感测电路、输出电压感测电路和平均电流计算器44的信号通过模数转换器(ADC)进行数字化和采样(采样和保持、S/H)。采样输出电压与参考电压46进行比较，并用于与输入电压和电流信号进行比较。比较器的输出使用PI补偿器和乘法器在47a、47b、47c处产生相电流参考信号，并且为每个相的PFC模块的开关产生栅极驱动信号。因此，通过一个电压控制回路来实现输出电压调节，每个相位通过自己的电流控制回路来单独实现PFC。具有LCC-PFC模块的三相单级PFC转换器的控制可以通过类似于LLC模块的控制来实现。
图5A-5B的实施例中，三相单级独立PWM增强PFC AC-DC交直流转换器的控制可以类似于上述的实现。在数字控制块55(图5B)中，在PI补偿之后的采样/对比信号的处理包含对块57a、57b、57c处每个相位的占空比的调节，随后为每个相位的PFC模块的开关生成栅极驱动信号。与上述LLC(LCC)PFC模块的情况一样，用一个电压控制回路来实现输出电压的调节，每个相位都有自己的电流控制回路来单独实现PFC。
作为非限制性示例，以下将提供单级LLC PFC模块的进一步描述。
三相单级LLC-PFC变换器的设计考虑，以下方程式用于LLC谐振电路；
Figure BDA0002378474470000111
Figure BDA0002378474470000112
Figure BDA0002378474470000121
Figure BDA0002378474470000122
在式(3)中n是变压器的匝数比，定义为n＝n_p/n_s。在式(4)中K是电感比，定义为K＝L_m/L_r，f_n是频率比，定义为f_n＝f_s/f_r。在PFC操作中，LLC变换器的瞬时输出功率根据相位角(θ)而变化，从而获得高输出功率，LLC变换器应在不同的输入电压层级下获得不同的增益。对于无损电路，瞬时输出功率计算如下：
Figure BDA0002378474470000123
通过以上式(5)可计算得出，最大瞬时输出功率出现在Th＝90°的时候且等同于额定输出功率的两倍，输入电压等于1.414Vy(均方根)。θ＝45°时的瞬时输出功率等于额定输出功率，输入电压等于V_u(in(RMS))。θ＝30°时的瞬时输出功率等于额定输出功率，输入电压等于0.707V_u(in(RMS))。
由于三相变换器采用三个相同的单相PFC模块组成，因此这里只需要讨论一个PFC模块的设计准则，设计过程的第一步是根据LLC-PFC变换器的输入电压和输出电压计算变压器匝数比(n)。在PFC应用中，当输入电压达到峰值
Figure BDA0002378474470000124
时，最小电压增益要求在θ＝90°处。为了考虑线电压波动，最大输入电压应考虑在θ＝90°。通过变压器匝数得知LLC PFC的最小增益是在电感区和串联谐振频率fr处或附近实现的，其中LLC电压增益是一致的。PFC应用中的最大所需电压增益在理论上应该是无限的，以补偿线路电压过零区域。然而，如果LLC-PFC交直流变换器的最小开关频率设置在LLC谐振腔的并联谐振频率(fp)，则可以获得高功率因子。
Figure BDA0002378474470000131
Figure BDA0002378474470000132
Figure BDA0002378474470000133
本实施例中用上述公式(8)计算匝数比时，LLC腔在并联谐振频率和θ＝90°时所需的总增益应高于输入电压波动，如下所示：
Figure BDA0002378474470000134
该变换器与一个波动率为20％的三线制三相***相连，并将输出电压调节到一个恒定值。尽管在模拟中考虑了恒定的输出电压，实际设计中还可以结合较宽的输出电压变化。考虑400V输出电压，变压器匝数比可按公式(3)计算，即
Figure BDA0002378474470000135
最大开关频率设置为约250kHz，最小开关频率可以按照公式(2)计算，即fp＝139.6kHz。在PFC功率因子校正方面，可将最小开关频率设置为接近fp，以确保在感应区域中进行PFC操作，同时将最大开关频率设置为略高于fr，以确保在满足最大电压增益要求下实现对输出电压调节的功能。
Example示例说明
使用PSIMTM软件(美国马里兰州洛克维尔市Powersim)对三相单级LLC PFC交直流变换器进行了仿真。图4A-4B给出了三相单级LLC PFC交直流变换器及其传感电路和数字控制实现的原理图。表1显示了用于模拟的参数集。图6使用表1的参数绘制了具有不同相位角或输出功率的LLC腔的电压增益要求。
表1.模拟中使用的参数
Figure BDA0002378474470000141
值得注意的是，场效应晶体管MOSFET可以替代输入整流二极管(例如，IPW65R045C7 650 V C7功率晶体管(英飞凌技术股份公司))和输出整流二极管(例如，IPT60R050G7 600 V G7功率晶体管(英飞凌技术股份公司))。
图7显示了满负载情况下380伏交流均方根(root mean square，RMS)三相输入电压和400伏直流输出电压下所有三相输入电压和电流的模拟结果。测得的功率因子接近统一值(>0.999)，三相均表现出良好的性能。此外，三相单级PFC变换器的输出电压基本上没有双线频率纹波，峰值电压纹波约为0.04v(～0.01％)。
图8显示了满负载情况下380V交流RMS三相输入电压和400V直流输出电压下，一个线路周期的第一相位的谐振电流和输入电压。很明显，峰值输入电压低于400v，因此可以使用650v的GaN HEMTs来提高高频开关性能和减小转换器的体积。此外，谐振电流的峰值出现在输入电压达到峰值(θ＝90°)时。
图9A-9C给出了在380×1.2v RMS三相电压下，不同输入电压相位角(分别为θ＝30°、θ＝45°和θ＝90°)的第一相谐振电流和并联电感电流。很明显，θ＝90°处的工作点接近谐振频率，这证实了输出二极管(D1-D12)处实现了零电流开关ZCS。
等效说明
本发明虽然已对本发明的各种实施例进行了举例图示描述，但需要说明的是，在不脱离本发明范围的前提下，可以对实施例做出多种变化。因此，本发明中所描述的实施例仅用于举例参考，实际发明案例不受限于此。

Claims (20)

1.一种三相AC-DC交直流转换器，其特征在于，包括：
第一输入端子、第二输入端子和第三输入端子，分别用于接收三线三相交流输入电压的第一交流电压相位、第二交流电压相位和第三交流电压相位；
第一整流电路用于对第一输入端子接收到的第一交流电压相位进行整流，并产生第一输入直流电压；第二整流电路用于对第二输入端子接收到的第二交流电压相位进行整流，并产生第二输入直流电压；第三整流电路用于对第三输入端子接收到的第三交流电压相位进行整流，并产生第三输入直流电压；
接收第一输入直流电压并产生第一输出直流电压的第一单级功率因数校正模块；接收第二输入直流电压并产生第二输出直流电压的第二单级功率因数校正模块；接收第三输入直流电压并产生第三输出直流电压的第三单级功率因数校正模块；以及第一输出端子和第二输出端子；
其中，第一输出直流电压、第二输出直流电压和第三输出直流电压在第一输出端子和第二输出端子上并联连接在一起；
其中，第一单级功率因数校正模块、第二单级功率因数校正模块和第三单级功率因数校正模块提供同步的PFC操作和输出电压调节功能。
2.根据权利要求1所述的三相AC-DC交直流转换器，其特征在于，还包括：至少一个与第一输出端子和第二输出端子并联在一起的非电解输出电容器。
3.根据权利要求1所述的三相AC-DC交直流转换器，其特征在于，还包括：连接在第一输入端子与第一整流器电路之间的第一输入滤波器；连接在第二输入端子与第二整流器电路之间的第二输入滤波器；连接在第三输入端子与第三整流器电路之间的第三输入滤波器。
4.根据权利要求1所述的三相AC-DC交直流转换器，其特征在于，第一单级功率因子校正模块、第二单级功率因子校正模块及第三单级功率因子校正模块中每一个模块都包含一个谐振转换器。
5.根据权利要求4所述的三相AC-DC交直流转换器，其特征在于，第一单级功率因子校正模块、第二单级功率因子校正模块及第三单级功率因子校正模块中每一个模块都包含一个LLC谐振转换器。
6.根据权利要求4所述的三相AC-DC交直流转换器，其特征在于，第一单级功率因子校正模块、第二单级功率因子校正模块及第三单级功率因子校正模块中每一个模块都包含一个LCC谐振转换器。
7.根据权利要求4所述的三相AC-DC交直流转换器，其特征在于，还包括一个控制器；
其中，所述控制器分别感测第一单级功率因子校正模块的第一输入直流电压和第一输入直流电流、第二单级功率因子校正模块的第二输入直流电压和第二输入直流电流以及第三输入直流电压和第三输入直流电流，并使用感测的电压和电流来生成相电流参考信号；
所述控制器使用相电流参考信号为第一单级功率因子校正模块、第二单级功率因子校正模块和第三单级功率因子校正模块的一个或多个开关生成栅极驱动信号；
其中，第一单级功率因子校正模块、第二单级功率因子校正模块和第三单级功率因子校正模块提供同步的PFC操作和输出电压调节功能。
8.根据权利要求1所述的三相AC-DC交直流转换器，其特征在于，第一单级功率因子校正模块、第二单级功率因子校正模块及第三单级功率因子校正模块中每一个模块都包含一个独立的PWM增强转换器。
9.根据权利要求8所述的三相AC-DC交直流转换器，其特征在于，还包括控制器；
所述控制器感测第一单级功率因子校正模块的第一输入直流电压和第一输入直流电流、第二单级功率因子校正模块的第二输入直流电压和第二输入直流电流以及第三单级功率因子校正模块三输入直流电压和第三输入直流电流，并使用感测的电压和电流来调整每个相位的占空比；
所述控制器为第一单级功率因子校正模块、第二单级功率因子校正模块和第三单级功率因子校正模块的一个或多个开关生成栅极驱动信号；
其中，第一单级功率因子校正模块、第二单级功率因子校正模块和第三单级功率因子校正模块提供同步的PFC操作和输出电压调节功能。
10.根据权利要求1所述的三相AC-DC交直流转换器，其特征在于，可在电动汽车充电器中实现。
11.一种电动汽车充电器，其特征在于，包括权利要求1所述的三相AC-DC交直流转换器。
12.一种实现三相AC-DC交直流转换器的方法，其特征在于，包括：
利用第一整流电路、第二整流电路和第三整流电路分别对三线制三相交流输入电压的第一交流电压、第二交流电压和第三交流电压相进行整流，并分别产生第一输入直流电压、第二输入直流电压和第三输入直流电压；
利用第一单级功率因子校正模块、第二单级功率因子校正模块和第三单级功率因子校正模块分别接收第一输入直流电压、第二输入直流电压和第三输入直流电压并分别产生第一输出直流电压、第二输出直流电压和第三输出直流电压；以及将第一输出直流电压、第二输出直流电压和第三输出直流电压并联在一起以产生最终输出电压；
其中，第一单级功率因子校正模块、第二单级功率因子校正模块和第三单级功率因子校正模块提供同步的PFC操作和输出电压调节功能。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，包括：
将至少一个非电解输出电容器与最终输出电压并联连接。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，第一单级功率因子校正模块、第二单级功率因子校正模块及第三单级功率因子校正模块中每一个模块都包含一个谐振转换器。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，第一单级功率因子校正模块、第二单级功率因子校正模块及第三单级功率因子校正模块中每一个模块都包含一个LLC谐振转换器。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，第一单级功率因子校正模块、第二单级功率因子校正模块及第三单级功率因子校正模块中每一个模块都包含一个LCC谐振转换器。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，可通过以下方式来控制三相AC-DC交直流转换器：
分别感测第一单级功率因子校正模块的第一输入直流电压和第一输入直流电流，第二单级功率因子校正模块的第二入直流电压和第二输入直流电流，第三单级功率因子校正模块的第三入直流电压和第三输入直流电流，并使用感测的电压和电流生成相电流参考信号；
使用相位电流参考信号为第一单级功率因子校正模块、第二单级功率因子校正模块和第三单级功率因子校正模块的一个或多个开关生成栅极驱动信号；
其中，第一单级功率因子校正模块、第二单级功率因子校正模块和第三单级功率因子校正模块提供同步的PFC操作和输出电压调节功能。
18.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，第一单级功率因子校正模块、第二单级功率因子校正模块和第三单级功率因子校正模块中每一个都包含一个PWM增强转换器。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，可以通过以下方式控制三相AC-DC交直流转换器：
分别感测第一单级功率因子校正模块的第一输入直流电压和第一输入直流电流，第二单级功率因子校正模块的第二输入直流电压和第二输入直流电流以及第三单级功率因子校正模块的第三输入直流电压和第三输入直流电流；
使用感测到的电压和电流调整每个相位的占空比；
为第一单级功率因子校正模块、第二单级功率因子校正模块和第三单级功率因子校正模块的一个或多个开关生成栅极驱动信号；
其中，第一单级功率因子校正模块、第二单级功率因子校正模块和第三单级功率因子校正模块提供同步的PFC操作和输出电压调节功能。
20.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括：
使用三相AC-DC交直流转换器为电动汽车充电。
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CN116494794A (zh) * 2023-05-05 2023-07-28 广州小鹏汽车科技有限公司 车载充电电路以及车辆

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113135109A (zh) * 2020-07-31 2021-07-20 清华大学 一种电动汽车大功率充电装置拓扑结构
CN113135109B (zh) * 2020-07-31 2022-10-25 清华大学 一种电动汽车大功率充电装置拓扑结构
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