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CN111697855A - 一种图腾柱无桥电路 - Google Patents

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CN111697855A CN202010583306.XA CN202010583306A CN111697855A CN 111697855 A CN111697855 A CN 111697855A CN 202010583306 A CN202010583306 A CN 202010583306A CN 111697855 A CN111697855 A CN 111697855A
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Abstract

本发明实施例涉及电力电子技术领域，提供了一种图腾柱无桥电路。包括：电流采样单元，包括第一初级绕组、第二初级绕组、次级绕组及采样电路，所述第一初级绕组和所述第二初级绕组在高频开关周期内轮流工作，实现第一三象限正反向励磁和磁通复位，次级绕组分别与第一初级绕组和第二初级绕组耦合，用于感应流经第一初级绕组和第二初级绕组的第一电流；采样电路与次级绕组连接，用于采样流经所述次级绕组的第二电流，得到采样电压；控制电路，分别与第一桥臂单元、第二桥臂单元以及采样电路连接,用于根据采样电压，控制第三开关管和第四开关管的开关状态。通过上述方式，本发明实施例能够简化电路结构，提升电路可靠性。

Description

一种图腾柱无桥电路
【技术领域】
本发明实施例涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种图腾柱无桥电路。
【背景技术】
目前，具有过零检测功能的图腾柱无桥电路包括交流电源、电感、第一桥臂单元、第二桥臂单元、负载单元、第一电流互感器以及第二电流互感器。其中，第一桥臂单元、第二桥臂单元以及负载单元并联连接，第一桥臂单元包括同向串联的第一开关管和第二开关管，第二桥臂单元包括同向串联的第三开关管和第四开关管，第一开关管和第二开关管之间的点为第一串联点，第三开关管和第四开关管之间的点为第二串联点，第一串联点和第二串联点之间还用于连接交流电源和电感，交流电源和电感串联。第一电流互感器与第三开关管串联连接，第二电流互感器与第四开关管串联连接。
在交流输入的正半周，第四开关管为主管，第三开关管为续流管，当第四开关管导通，第三开关管关断时，交流电源对电感进行储能，当第三开关管导通，第四开关管关断时，电感续流，与交流电源一起为负载单元提供能量；在交流输入的负半周，第三开关管为主管，第四开关管为续流管，当第三开关管导通，第四开关管关断时，交流电源对电感进行储能，当第四开关管导通，第三开关管关断时，电感续流，与交流电源一起为负载单元提供能量。第一电流互感器和第二电流互感器分别用于对续流管电流进行过零检测，在交流输入的正半周对第三开关管进行过零检测，在交流输入的负半周对第四开关管进行过零检测。
然而，无论在图腾柱无桥电路的任意工作阶段，每个电流互感器均只能进行单象限、单向励磁工作，因此需要额外增加控制电路进行磁通复位，导致图腾柱无桥电路的电路结构更加复杂，可靠性降低。
【发明内容】
本发明实施例旨在提供一种图腾柱无桥电路，其能够简化电路结构，提升电路可靠性。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种图腾柱无桥电路，包括并联于第一并联点和第二并联点之间的第一桥臂单元和第二桥臂单元，所述第一桥臂单元包括同向串联的第一开关管和第二开关管，所述第一开关管和第二开关管之间的点为第一串联点，所述第二桥臂单元包括同向串联的第三开关管和第四开关管，所述第三开关管和第四开关管之间的点为第二串联点，所述第一并联点和第二并联点之间还用于并联负载单元，所述第一串联点和第二串联点之间还用于连接电源和电感，所述电源和电感串联，所述图腾柱无桥电路还包括：
电流采样单元，包括第一初级绕组、第二初级绕组、次级绕组及采样电路，所述第一初级绕组设置在所述第二串联点与所述第一并联点之间，所述第二初级绕组设置在所述第二串联点与所述第二并联点之间，所述第一初级绕组和所述第二初级绕组在高频开关周期内轮流工作，实现第一三象限正反向励磁和磁通复位，所述次级绕组分别与所述第一初级绕组和所述第二初级绕组耦合，用于感应流经所述第一初级绕组和所述第二初级绕组的第一电流；所述采样电路与所述次级绕组连接，用于采样流经所述次级绕组的第二电流，得到采样电压；
控制电路，分别与所述第一桥臂单元、所述第二桥臂单元以及所述采样电路连接，用于根据所述采样电压，确定电感电流的过零点，并根据所述过零点，控制所述第三开关管和所述第四开关管的开关状态。
在一些实施例中，所述控制电路包括：
信号处理单元，与所述采样电路连接，用于将所述采样电压整形成方波信号，所述方波信号包括第一过零检测信号和第二过零检测信号；
控制器，分别与所述第一桥臂单元、所述第二桥臂单元以及所述信号处理单元连接，用于根据所述方波信号，确定电感电流的过零点，并根据所述过零点，控制所述第三开关管和所述第四开关管的开关状态。
在一些实施例中，所述信号处理单元包括：
第一比较单元，所述第一比较单元的反相端用于被施加所述采样电压，同相端用于被施加第一阈值电压，所述第一比较单元用于将所述采样电压整形成方波信号；
开关单元，分别与所述第一比较单元的第一比较输出端和所述控制器连接，用于选择所述第一过零检测信号或所述第二过零检测信号输出至所述控制器。
在一些实施例中，所述开关单元包括：
第一开关电路，第一开关输入端用于被施加与所述第二开关管相同的第二控制信号，第二开关输入端与所述第一比较输出端连接并用于接收所述方波信号，第一开关输出端与所述控制器连接，用于输出所述第一过零检测信号；
第二开关电路，第三开关输入端用于被施加与所述第一开关管相同的第一控制信号，第四开关输入端与所述第一比较输出端连接并用于接收所述方波信号，第二开关输出端与所述控制器连接，用于输出所述第二过零检测信号，其中，所述控制器根据所述第一过零检测信号或所述第二过零检测信号，确定电感电流的过零点。
在一些实施例中，所述第一开关电路包括第一与门，所述第一与门的第一输入端用于被施加所述第二控制信号，第二输入端与所述第一比较输出端连接并用于接收所述方波信号，第一输出端与所述控制器连接，用于输出所述第一过零检测信号；
所述第二开关电路包括第二与门，所述第二与门的第三输入端用于被施加所述第一控制信号，第四输入端与所述第一比较输出端连接并用于接收所述方波信号，第二输出端与所述控制器连接，用于输出所述第二过零检测信号。
在一些实施例中，所述控制电路还包括保护电路，所述保护电路分别与所述采样电路和所述控制器连接，用于将所述采样电压转换成保护信号，使得所述控制器根据所述保护信号，控制各个开关管执行保护操作。
在一些实施例中，所述保护电路包括第二比较单元，所述第二比较单元的反相端用于被施加第二阈值电压，同相端用于被施加所述采样电压，第二比较输出端与所述控制器连接，所述第二比较单元用于将所述采样电压转换成保护信号。
在一些实施例中，所述采样电路包括：
整流电路，与所述次级绕组连接，用于对所述第二电流进行整流；
采样电阻，与所述整流电路连接，用于采样流经所述第二电流，得到采样电压。
在一些实施例中，所述第一初级绕与所述第二初级绕组串联；
或者，
所述第一初级绕组设置在所述第二串联点与所述第三开关管之间，所述第二初级绕组设置在所述第二并联点与所述第四开关管之间；
或者，
所述第一初级绕组设置在所述第一并联点与所述第三开关管之间，所述第二初级绕组设置在所述第二并联点与所述第四开关管之间；
或者，
所述第一初级绕组设置在所述第一并联点与所述第三开关管之间，所述第二初级绕组设置在所述第二串联点与所述第四开关管之间。
在一些实施例中，所述控制电路根据所述过零点，控制所述第三开关管和所述第四开关管的开关状态包括：
当所述电源的交流电压处于负半周时，控制所述第一开关管持续导通，并且，检测到所述过零点时，关断所述第四开关管，导通所述第三开关管；
当所述电源的交流电压处于正半周时，控制所述第二开关管持续导通，并且，检测到所述过零点时，关断所述第三开关管，导通所述第四开关管。
本发明的有益效果是：与现有技术相比较，本发明实施例提供了一种图腾柱无桥电路。通过设置电流采样单元包括第一初级绕组、第二初级绕组、次级绕组及采样电路，第一初级绕组与图腾柱无桥电路的第二桥臂单元的第三开关管串联连接，第二初级绕组与图腾柱无桥电路的第二桥臂单元的第四开关管串联连接，第一初级绕组和第二初级绕组在高频开关周期内轮流工作，实现第一三象限正反向励磁和磁通复位，次级绕组分别与第一初级绕组和第二初级绕组耦合，用于感应流经第一初级绕组和第二初级绕组的第一电流，采样电路与次级绕组连接，用于采样流经次级绕组的第二电流，得到采样电压。因此，本发明实施例能够避免电流采样单元只能进行单象限、单向励磁工作，导致需要额外增加控制电路进行磁通复位的问题，从而简化了电路结构，提升了电路可靠性。
【附图说明】
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1为本发明实施例提供的一种图腾柱无桥电路的结构示意图；
图2为图1所示的采样电路的结构示意图；
图3为图1所示的控制电路的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种图腾柱无桥电路的电路示意图；
图5a为图1所示的第一初级绕组和第二初级绕组的其中一种连接示意图；
图5b为图1所示的第一初级绕组和第二初级绕组的其中一种连接示意图；
图5c为图1所示的第一初级绕组和第二初级绕组的其中一种连接示意图；
图6为图1所示的次级绕组和采样电路的另一种电路示意图；
图7a为当电源的交流电压处于正半周，第四开关管导通，第三开关管关断时，电感电流iL和次级绕组电流iS的电流流向示意图；
图7b为当电源的交流电压处于正半周，第三开关管导通，第四开关管关断时，电感电流iL和次级绕组电流iS的电流流向示意图；
图8a为当电源的交流电压处于负半周，第三开关管导通，第四开关管关断时，电感电流iL和次级绕组电流iS的电流流向示意图；
图8b为当电源的交流电压处于负半周，第四开关管导通，第三开关管关断时，电感电流iL和次级绕组电流iS的电流流向示意图；
图9a为当电源的交流电压处于正半周时，流过电感、第四开关管、第三开关管、次级绕组的电流以及采样电阻输出的采样电压的信号波形图；
图9b为当电源的交流电压处于负半周时，流过电感、第四开关管、第三开关管、次级绕组的电流以及采样电阻输出的采样电压的信号波形图；
图10a为当电源的交流电压处于正半周时，流过电感的电流、输入至第一比较单元的采样电压和第一阈值电压以及第一开关电路输出的第一过零检测信号的信号波形图；
图10b为当电源的交流电压处于负半周时，流过电感的电流、输入至第一比较单元的采样电压和第二阈值电压以及第二开关电路输出的第二过零检测信号的信号波形图；
图11为电源的交流电压、第一开关电路输出的第一过零检测信号、第二开关电路输出的第二过零检测信号、施加于第一开关管和第二开关电路的第一控制信号以及施加于第二开关管和第一开关电路的第二控制信号的信号波形图；
图12为流过电感的电流、采样电阻输出的采样电压以及第二比较单元输出的保护信号的信号波形图。
【具体实施方式】
为了便于理解本申请，下面结合附图和具体实施方式，对本申请进行更详细的说明。需要说明的是，当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
此外，下面所描述的本申请不同实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
请参阅图1，为本发明实施例提供的一种图腾柱无桥电路的结构示意图。如图1所示，图腾柱无桥电路100包括第一桥臂单元11、第二桥臂单元12、负载单元13、电源14、电感15、电流采样单元10以及控制电路20。
所述第一桥臂单元11和所述第二桥臂单元12并联连接，所述第一桥臂单元11和所述第二桥臂单元12的连接点分别为第一并联点12a和第二并联点12b。所述第一桥臂单元11包括同向串联的第一开关管111和第二开关管112，所述第一开关管111和第二开关管112之间的点为第一串联点11a。所述第二桥臂单元12包括同向串联的第三开关管121和第四开关管122，所述第三开关管121和第四开关管122之间的点为第二串联点11b。
可以理解，第一开关管111、第二开关管112、第三开关管121和第四开关管122可以为双极型三极管、金属-氧化物半导体场效应晶体管等半导体器件。
本申请以第一开关管111、第二开关管112、第三开关管121和第四开关管122皆为金属-氧化物半导体场效应晶体管为例，如图4-图8b任一附图所示，第一开关管111包括第一MOS管Q1，第二开关管112包括第二MOS管Q2，第三开关管121包括第三MOS管Q3，第四开关管122包括第四MOS管Q4。
具体的，第一MOS管Q1的栅极与控制电路20连接，用于接收控制电路20发送的第一控制信号PWM1，第一MOS管Q1的源极连接至第一串联点11a，第一MOS管Q1的漏极连接至第一并联点12a。第二MOS管Q2的栅极与控制电路20连接，用于接收控制电路20发送的第二控制信号PWM2，第二MOS管Q2的漏极连接至第一串联点11a，第二MOS管Q2的源极连接至第二并联点12b。第三MOS管Q3的栅极与控制电路20连接，用于接收控制电路20发送的第三控制信号PWM3，第三MOS管Q3的源极连接至第二串联点11b，第三MOS管Q3的漏极连接至第一并联点12a。第四MOS管Q4的栅极与控制电路20连接，用于接收控制电路20发送的第四控制信号PWM4，第四MOS管Q4的源极连接至第二并联点12b，第四MOS管Q4的漏极连接至第二串联点11b。
所述负载单元13并联于所述第一并联点12a和所述第二并联点12b之间。
如图4-图8b任一附图所示，负载单元13包括电容C1和电阻R1，电容C1和电阻R1并联连接，且并联于第一并联点12a和第二并联点12b。在电感L1续流阶段，电感L1储蓄的能量和交流电源Vin的交流电压一起为电容C1和电阻R1提供能量。
所述电源14和电感15串联连接于所述第一串联点11a和所述第二串联点11b之间。
如图4-图8b任一附图所示，电源14包括交流电源Vin，电感15包括电感L1，交流电源Vin与电感L1串联连接，且连接于第一串联点11a和第二串联点11b之间。交流电源Vin的一端(负极或正极)与第一串联点11a连接，交流电源Vin的另一端(正极或负极)与电感L1的一端连接，电感L1的另一端与第二串联点11b连接。在图腾柱无桥电路100工作的任意阶段，当主开关管(包括第三开关管121或第四开关管122)导通时，交流电源Vin、电感L1以及主开关管形成闭合回路，交流电源Vin的交流电压为电感L1充电，以使电感L1储蓄能量。
所述电流采样单元10包括第一初级绕组101、第二初级绕组102、次级绕组103及采样电路104，所述第一初级绕组101设置在所述第二串联点11b与所述第一并联点12a之间，所述第二初级绕组102设置在所述第二串联点11b与所述第二并联点12b之间，所述第一初级绕组101和所述第二初级绕组102在高频开关周期内轮流工作，实现第一三象限正反向励磁和磁通复位，所述次级绕组103分别与所述第一初级绕组101和所述第二初级绕组102耦合，用于感应流经所述第一初级绕组101和所述第二初级绕组102的第一电流；所述采样电路104与所述次级绕组103连接，用于采样流经所述次级绕组103的第二电流，得到采样电压。
如图4-图5c所示，第一初级绕组101包括初级绕组NP1，第二初级绕组102包括初级绕组NP2，次级绕组103包括次级绕组NS，初级绕组NP1、初级绕组NP2以及次级绕组NS形成一电流互感器CT1(初级绕组NP1、初级绕组NP2与次级绕组NS之间的磁芯未标示)。其中，所述第一初级绕组101设置在所述第二串联点11b与所述第一并联点12a之间，所述第二初级绕组102设置在所述第二串联点11b与所述第二并联点12b之间包括以下4种情形：
(1)所述第一初级绕101与所述第二初级绕组102串联。
优选的，请参阅图4，电流互感器CT1的初级包括两个带有中间抽头的对称绕组，分别为初级绕组NP1和初级绕组NP2，初级绕组NP1的同名端和第三MOS管Q3的源极连接，初级绕组NP1的异名端和初级绕组NP2的同名端中间抽头，初级绕组NP2的异名端与第四MOS管Q4的漏极连接。
在一些实施例中，电流互感器CT1的初级绕组NP1和初级绕组NP2可以完全独立，初级绕组NP1和初级绕组NP2不直接连接，初级绕组NP1和初级绕组NP2分别与第三MOS管Q3和第四MOS管Q4串联，如下述情形(2)-(4)：
(2)所述第一初级绕组101设置在所述第二串联点11b与所述第三开关管121之间，所述第二初级绕组102设置在所述第二并联点12b与所述第四开关管122之间。
请参阅图5a，初级绕组NP1设置在第二串联点11b与第三开关管121之间，即初级绕组NP1的同名端与第三MOS管Q3的源极连接，初级绕组NP1的异名端连接至第二串联点11b。初级绕组NP2设置在第二并联点12b与第四开关管122之间，即初级绕组NP2的同名端与第四MOS管Q4的源极连接，初级绕组NP2的异名端与连接至第二并联点12b。
(3)所述第一初级绕组101设置在所述第一并联点12a与所述第三开关管121之间，所述第二初级绕组102设置在所述第二并联点12b与所述第四开关管122之间。
请参阅图5b，初级绕组NP1设置在第一并联点12a与第三开关管121之间，即初级绕组NP1的同名端连接至第一并联点12a，初级绕组NP1的异名端与第三MOS管Q3的漏极连接。初级绕组NP2设置在第二并联点12b与第四开关管之间，即初级绕组NP2的同名端与第四MOS管Q4的源极连接，初级绕组NP2的异名端与连接至第二并联点12b。
(4)所述第一初级绕组101设置在所述第一并联点12a与所述第三开关管121之间，所述第二初级绕组102设置在所述第二串联点11b与所述第四开关管122之间。
请参阅图5c，初级绕组NP1设置在第一并联点12a与第三开关管121之间，即初级绕组NP1的同名端连接至第一并联点12a，初级绕组NP1的异名端与第三MOS管Q3的漏极连接。初级绕组NP2设置在第二串联点11b与第四开关管122之间，即初级绕组NP2的同名端连接至第二串联点11b，初级绕组NP2的异名端与第四MOS管Q4的漏极连接。
请一并参阅图2，所述采样电路104包括整流电路1041和采样电阻1042。
所述整流电路1041与所述次级绕组103连接，用于对所述第二电流进行整流。
所述采样电阻1042与所述整流电路1041连接，用于采样流经所述第二电流，得到采样电压。
如图4-图5c所示，整流电路1041包括全桥整流电路，全桥整流电路包括二极管D1、二极管D2、二极管D3以及二极管D4，采样电阻1042包括电阻R2。其中，二极管D1的阳极与次级绕组NS的同名端和二极管D3的阴极连接，二极管D1的阴极与二极管D2的阴极和电阻R2的一端连接，二极管D2的阳极与次级绕组NS的异名端和二极管D4的阴极连接，二极管D3的阳极、二极管D4的阳极以及电阻R2的另一端均接地。
其中，当电源14的交流电压处于正半周时，电阻R2输出的采样电压的信号波形如图9a所示。当电源14的交流电压处于负半周时，电阻R2输出的采样电压的信号波形如图9b所示。
在一些实施例中，请参阅图6，电流互感器CT1的次级包括两个带有中间抽头的对称绕组，分别是次级绕组NS1和次级绕组NS2，此时，整流电路1041包括全波整流电路，全波整流电路包括的二极管D5和二极管D6。其中，次级绕组NS1的同名端与二极管D5的阳极连接，次级绕组NS1的异名端与次级绕组NS2的一端中间抽头并接地。次级绕组NS2的另一端与二极管D6的阳极连接，二极管D5的阴极与二极管D6的阴极和电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端接地。
综上，图腾柱无桥电路的电流信号流向大致如下：
当交流电源Vin的交流电压处于正半周，如图7a所示，控制电路20控制第一MOS管Q1关断，第二MOS管Q2导通，此时，第四MOS管Q4为主开关管，第三MOS管Q3为续流开关管，第三MOS管Q3关断，第四MOS管Q4导通，电感电流iL的电流流向为交流电源Vin的正极、电感L1的一端、电感L1的另一端、初级绕组NP2的同名端、初级绕组NP2的异名端、第四MOS管Q4的漏极、第四MOS管Q4的源极、第二MOS管Q2的源极、第二MOS管Q2的漏极，最后返回交流电源Vin的负极，该阶段交流电源Vin对电感L1进行储能。对应的，次级绕组NS的同名端为正，次级绕组NS电流iS的电流流向为次级绕组NS的同名端、二极管D1的阳极、二极管D1的阴极、电阻R2的一端、电阻R2的另一端、二极管D4的阳极、二极管D4的阴极，最后返回次级绕组NS的异名端。在交流电源Vin处于正半周且对电感L1进行储能过程中，电流互感器CT1通过初级绕组NP2实现磁通复位并进行第一象限正向励磁。
当交流电源Vin的交流电压处于正半周，如图7b所示，电感L1续流时，此时，第四MOS管Q4关断，第三MOS管Q3导通，电感电流iL的电流流向为交流电源Vin的正极、电感L1的一端、电感L1的另一端、初级绕组NP1的异名端、初级绕组NP1的同名端、第三MOS管Q3的源极、第三MOS管Q3的漏极、负载单元13(电容C1和电阻R1)、第二MOS管Q2的源极、第二MOS管Q2的漏极，最后返回交流电源Vin的负极，该阶段电感L1通过第三MOS管Q3进行续流。对应的，次级绕组NS的同名端为负，次级绕组NS电流iS的电流流向为次级绕组NS的异名端、二极管D2的阳极、二极管D2的阴极、电阻R2的一端、电阻R2的另一端、二极管D3的阳极、二极管D3的阴极，最后返回次级绕组NS的同名端。在交流电源Vin处于正半周且电感L1通过第三MOS管Q3进行续流过程中，电流互感器CT1通过初级绕组NP1实现磁通复位并进行第三象限负向励磁。
当交流电源Vin的交流电压处于负半周，如图8a所示，控制电路20控制第一MOS管Q1导通，第二MOS管Q2关断，此时，第三MOS管Q3为主开关管，第四MOS管Q4为续流开关管，第四MOS管Q4关断，第三MOS管Q3导通，电感电流iL的电流流向为交流电源Vin的正极、第一MOS管Q1的源极、第一MOS管Q1的漏极、第三MOS管Q3的漏极、第三MOS管Q3的源极、初级绕组NP1的同名端、初级绕组NP1的异名端、电感L1的另一端、电感L1的一端，最后返回交流电源Vin的负极，该阶段交流电源Vin对电感L1进行储能。对应的，次级绕组NS的同名端为正，次级绕组NS电流iS的电流流向为次级绕组NS的同名端、二极管D1的阳极、二极管D1的阴极、电阻R2的一端、电阻R2的另一端、二极管D4的阳极、二极管D4的阴极，最后返回次级绕组NS的异名端。在交流电源Vin处于负半周且对电感L1进行储能过程中，电流互感器CT1通过初级绕组NP1实现磁通复位并进行第一象限正向励磁。
当交流电源Vin的交流电压处于负半周，如图8b所示，电感L1续流时，此时，第三MOS管Q3关断，第四MOS管Q4导通，电感电流iL的电流流向为交流电源Vin的正极、第一MOS管Q1的源极、第一MOS管Q1的漏极、负载单元13(电容C1和电阻R1)、第四MOS管Q4的源极、第四MOS管Q4的漏极、初级绕组NP2的异名端、初级绕组NP2的同名端、电感L1的另一端、电感L1的一端，最后返回交流电源Vin的负极，该阶段电感L1通过第四MOS管Q4进行续流。对应的，次级绕组NS的同名端为负，次级绕组NS电流iS的电流流向为次级绕组NS的异名端、二极管D2的阳极、二极管D2的阴极、电阻R2的一端、电阻R2的另一端、二极管D3的阳极、二极管D3的阴极，最后返回次级绕组NS的同名端。在交流电源Vin处于负半周且电感L1通过第四MOS管Q4进行续流过程中，电流互感器CT1通过初级绕组NP2实现磁通复位并进行第三象限负向励磁。由此可见，本申请的电流互感器CT1能够通过初级绕组NP1或初级绕组NP2复位，并在第一象限正向励磁和第三象限负向励磁，无需额外增加控制电路来复位电流互感器CT1，且在图腾柱无桥电路100工作的任意阶段，可以同时实现对第三开关管121和第四开关管122的过零检测，避免了电流互感器CT1工作在单一象限导致的仅能对第三开关管121或第四开关管122进行过零检测的问题。
所述控制电路20分别与所述第一桥臂单元11、所述第二桥臂单元12以及所述采样电路104连接，用于根据所述采样电压，确定电感电流的过零点，并根据所述过零点，控制所述第三开关管121和所述第四开关管122的开关状态。
请参阅图3，所述控制电路20包括信号处理单元21和控制器22。
所述信号处理单元21与所述采样电路104连接，用于将所述采样电压整形成方波信号，所述方波信号包括第一过零检测信号和第二过零检测信号。
其中，所述信号处理单元21包括第一比较单元211和开关单元212。
所述第一比较单元211的反相端用于被施加所述采样电压，同相端用于被施加第一阈值电压，所述第一比较单元用于将所述采样电压整形成方波信号。
所述开关单元212分别与所述第一比较单元211的第一比较输出端和所述控制器22连接，用于选择所述第一过零检测信号或所述第二过零检测信号输出至所述控制器22。
请参阅图4、图10a以及图10b，所述第一比较单元211包括比较器U1，比较器U1的反相端用于被施加采样电压VR2，比较器U1的同相端用于被施加第一阈值电压VTH1。当第一阈值电压VTH1大于采样电压VR2时，比较器U1的第一比较输出端输出高电平信号，当第一阈值电压VTH1不大于采样电压VR2时，比较器U1的第一比较输出端输出低电平信号，得到方波信号，所述方波信号包括第一过零检测信号和第二过零检测信号。当电源14的交流电压处于正半周时，得到第一过零检测信号ZCD1，当电源14的交流电压处于负半周时，得到第一过零检测信号ZCD2。
其中，所述开关单元212包括第一开关电路2121和第二开关电路2122。
所述第一开关电路2121的第一开关输入端用于被施加与所述第二开关管112相同的第二控制信号，所述第一开关电路2121的第二开关输入端与所述第一比较输出端连接并用于接收所述方波信号，所述第一开关电路2121的第一开关输出端与所述控制器22连接，用于输出所述第一过零检测信号。
如图4所示，所述第一开关电路2121包括第一与门U3，所述第一与门U3的第一输入端用于被施加所述第二控制信号，所述第一与门U3的第二输入端与所述第一比较输出端连接并用于接收所述方波信号，所述第一与门U3的第一输出端与所述控制器22连接，用于输出所述第一过零检测信号。
请参阅图11，在当电源14的交流电压处于正半周时，第一控制信号PWM1为低电平，第二控制信号PWM2为高电平，此时，选通第一与门U3，第二控制信号PWM2与方波信号进行逻辑与运算，输出第一过零检测信号ZCD1，使得控制器22根据第一过零检测信号ZCD1，得到流过第三MOS管Q3和第四MOS管Q4的电流信息，确定第三MOS管Q3和第四MOS管Q4驱动的上升沿，即确定电感电流的过零点，用以控制第三MOS管Q3和第四MOS管Q4的开关状态。
所述第二开关电路2122的第三开关输入端用于被施加与所述第一开关管111相同的第一控制信号，所述第二开关电路2122的第四开关输入端与所述第一比较输出端连接并用于接收所述方波信号，所述第二开关电路2122的第二开关输出端与所述控制器22连接，用于输出所述第二过零检测信号，其中，所述控制器22根据所述第一过零检测信号或所述第二过零检测信号，确定电感电流的过零点。
如图4所示，所述第二开关电路2122包括第二与门U4，所述第二与门U4的第三输入端用于被施加所述第一控制信号，所述第二与门U4的第四输入端与所述第一比较输出端连接并用于接收所述方波信号，所述第二与门U4的第二输出端与所述控制器22连接，用于输出所述第二过零检测信号。
请再次参阅图11，在当电源14的交流电压处于负半周时，第一控制信号PWM1为高电平，第二控制信号PWM2为低电平，此时，选通第二与门U4，第一控制信号PWM1与方波信号进行逻辑与运算，输出第二过零检测信号ZCD2，使得控制器22根据第二过零检测信号ZCD2，得到流过第三MOS管Q3和第四MOS管Q4的电流信息，确定第三MOS管Q3和第四MOS管Q4驱动的上升沿，即确定电感电流的过零点，用以控制第三MOS管Q3和第四MOS管Q4的开关状态。
在一些实施例中，比较器U1通过外围电路设置迟滞窗口，使方波信号的高电平维持一定的宽度，以使单片机U5能够可靠地获取所述方波信号。
所述控制器22分别与所述第一桥臂单元11、所述第二桥臂单元12以及所述信号处理单元21连接，用于根据所述方波信号，确定电感电流的过零点，并根据所述过零点，控制所述第三开关管121和所述第四开关管122的开关状态。
在本实施例中，所述控制器22包括单片机U5及其外围电路(图未示)，所述单片机U5可以采用51系列、Arduino系列、STM32系列等。
在一些实施例中，所述控制器22还可以为通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、ARM(Acorn RISC Machine)或其它可编程逻辑器件、分立门或晶体管逻辑、分立的硬件组件或者这些部件的任何组合；还可以是任何传统处理器、控制器、微控制器或状态机；也可以被实现为计算设备的组合，例如，DSP和微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器结合DSP核、或任何其它这种配置。
所述控制电路20根据所述过零点，控制所述第三开关管121和所述第四开关管122的开关状态包括：当所述电源14的交流电压处于负半周时，控制所述第一开关管111持续导通，并且，检测到所述过零点时，关断所述第四开关管122，导通所述第三开关管121；当所述电源14的交流电压处于正半周时，控制所述第二开关管112持续导通，并且，检测到所述过零点时，关断所述第三开关管121，导通所述第四开关管122。
在一些实施例中，所述控制电路20还包括保护电路23，所述保护电路23分别与所述采样电路104和所述控制器22连接，用于将所述采样电压转换成保护信号，使得所述控制器22根据所述保护信号，控制各个开关管执行保护操作。
所述保护电路23包括第二比较单元231，所述第二比较单元231的反相端用于被施加第二阈值电压，同相端用于被施加所述采样电压，第二比较输出端与所述控制器22连接，所述第二比较单元231用于将所述采样电压转换成保护信号。
如图4所示，第二比较单元211包括比较器U2，比较器U2的反相端用于被施加第二阈值电压VTH2，比较器U2的同相端用于被施加采样电压VR2，比较器U2的第二比较输出端用于输出保护信号OCP。
请参阅图12，当采样电压VR2大于第二阈值电压VTH2时，比较器U2的第二比较输出端输出高电平信号，当采样电压VR2不大于第二阈值电压VTH2时，比较器U2的第二比较输出端输出低电平信号，从而得到保护信号OCP，使得控制器22根据保护信号OCP控制各个开关管执行保护操作。其中，所述根据保护信号OCP控制各个开关管执行保护操作包括：判断保护信号OCP是否发生从低到高的跳变；若是，对第三开关管121和第四开关管122进行封波处理或逐波限流处理；若否，不执行保护操作。从而，确保第三开关管121和第四开关管122在可承受的电流范围内工作。
在一些实施例中，比较器U2通过外围电路设置迟滞窗口，使保护信号OCP的高电平维持一定的宽度，以使单片机U5能够可靠地获取所述保护信号OCP。
本发明实施例提供了一种图腾柱无桥电路。通过设置电流采样单元包括第一初级绕组、第二初级绕组、次级绕组及采样电路，第一初级绕组与图腾柱无桥电路的第二桥臂单元的第三开关管串联连接，第二初级绕组与图腾柱无桥电路的第二桥臂单元的第四开关管串联连接，第一初级绕组和第二初级绕组在高频开关周期内轮流工作，实现第一三象限正反向励磁和磁通复位，次级绕组分别与第一初级绕组和第二初级绕组耦合，用于感应流经第一初级绕组和第二初级绕组的第一电流，采样电路与次级绕组连接，用于采样流经次级绕组的第二电流，得到采样电压。因此，本发明实施例能够避免电流采样单元只能进行单象限、单向励磁工作，导致需要额外增加控制电路进行磁通复位的问题，从而简化了电路结构，提升了电路可靠性。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；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范围。

Claims (10)

1.一种图腾柱无桥电路，包括并联于第一并联点和第二并联点之间的第一桥臂单元和第二桥臂单元，所述第一桥臂单元包括同向串联的第一开关管和第二开关管，所述第一开关管和第二开关管之间的点为第一串联点，所述第二桥臂单元包括同向串联的第三开关管和第四开关管，所述第三开关管和第四开关管之间的点为第二串联点，所述第一并联点和第二并联点之间还用于并联负载单元，所述第一串联点和第二串联点之间还用于连接电源和电感，所述电源和电感串联，其特征在于，所述图腾柱无桥电路还包括：
电流采样单元，包括第一初级绕组、第二初级绕组、次级绕组及采样电路，所述第一初级绕组设置在所述第二串联点与所述第一并联点之间，所述第二初级绕组设置在所述第二串联点与所述第二并联点之间，所述第一初级绕组和所述第二初级绕组在高频开关周期内轮流工作，实现第一三象限正反向励磁和磁通复位，所述次级绕组分别与所述第一初级绕组和所述第二初级绕组耦合，用于感应流经所述第一初级绕组和所述第二初级绕组的第一电流；所述采样电路与所述次级绕组连接，用于采样流经所述次级绕组的第二电流，得到采样电压；
控制电路，分别与所述第一桥臂单元、所述第二桥臂单元以及所述采样电路连接，用于根据所述采样电压，确定电感电流的过零点，并根据所述过零点，控制所述第三开关管和所述第四开关管的开关状态。
2.根据权利要求1所述的图腾柱无桥电路，其特征在于，所述控制电路包括：
信号处理单元，与所述采样电路连接，用于将所述采样电压整形成方波信号，所述方波信号包括第一过零检测信号和第二过零检测信号；
控制器，分别与所述第一桥臂单元、所述第二桥臂单元以及所述信号处理单元连接，用于根据所述方波信号，确定电感电流的过零点，并根据所述过零点，控制所述第三开关管和所述第四开关管的开关状态。
3.根据权利要求2所述的图腾柱无桥电路，其特征在于，所述信号处理单元包括：
第一比较单元，所述第一比较单元的反相端用于被施加所述采样电压，同相端用于被施加第一阈值电压，所述第一比较单元用于将所述采样电压整形成方波信号；
开关单元，分别与所述第一比较单元的第一比较输出端和所述控制器连接，用于选择所述第一过零检测信号或所述第二过零检测信号输出至所述控制器。
4.根据权利要求3所述的图腾柱无桥电路，其特征在于，所述开关单元包括：
第一开关电路，第一开关输入端用于被施加与所述第二开关管相同的第二控制信号，第二开关输入端与所述第一比较输出端连接并用于接收所述方波信号，第一开关输出端与所述控制器连接，用于输出所述第一过零检测信号；
第二开关电路，第三开关输入端用于被施加与所述第一开关管相同的第一控制信号，第四开关输入端与所述第一比较输出端连接并用于接收所述方波信号，第二开关输出端与所述控制器连接，用于输出所述第二过零检测信号，其中，所述控制器根据所述第一过零检测信号或所述第二过零检测信号，确定电感电流的过零点。
5.根据权利要求4所述的图腾柱无桥电路，其特征在于，
所述第一开关电路包括第一与门，所述第一与门的第一输入端用于被施加所述第二控制信号，第二输入端与所述第一比较输出端连接并用于接收所述方波信号，第一输出端与所述控制器连接，用于输出所述第一过零检测信号；
所述第二开关电路包括第二与门，所述第二与门的第三输入端用于被施加所述第一控制信号，第四输入端与所述第一比较输出端连接并用于接收所述方波信号，第二输出端与所述控制器连接，用于输出所述第二过零检测信号。
6.根据权利要求2至5任一项所述的图腾柱无桥电路，其特征在于，所述控制电路还包括保护电路，所述保护电路分别与所述采样电路和所述控制器连接，用于将所述采样电压转换成保护信号，使得所述控制器根据所述保护信号，控制各个开关管执行保护操作。
7.根据权利要求6所述的图腾柱无桥电路，其特征在于，所述保护电路包括第二比较单元，所述第二比较单元的反相端用于被施加第二阈值电压，同相端用于被施加所述采样电压，第二比较输出端与所述控制器连接，所述第二比较单元用于将所述采样电压转换成保护信号。
8.根据权利要求1至5任一项所述的图腾柱无桥电路，其特征在于，所述采样电路包括：
整流电路，与所述次级绕组连接，用于对所述第二电流进行整流；
采样电阻，与所述整流电路连接，用于采样流经所述第二电流，得到采样电压。
9.根据权利要求1至5任一项所述的图腾柱无桥电路，其特征在于，
所述第一初级绕与所述第二初级绕组串联；
或者，
所述第一初级绕组设置在所述第二串联点与所述第三开关管之间，所述第二初级绕组设置在所述第二并联点与所述第四开关管之间；
或者，
所述第一初级绕组设置在所述第一并联点与所述第三开关管之间，所述第二初级绕组设置在所述第二并联点与所述第四开关管之间；
或者，
所述第一初级绕组设置在所述第一并联点与所述第三开关管之间，所述第二初级绕组设置在所述第二串联点与所述第四开关管之间。
10.根据权利要求1至5任一项所述的图腾柱无桥电路，其特征在于，所述控制电路根据所述过零点，控制所述第三开关管和所述第四开关管的开关状态包括：
当所述电源的交流电压处于负半周时，控制所述第一开关管持续导通，并且，检测到所述过零点时，关断所述第四开关管，导通所述第三开关管；
当所述电源的交流电压处于正半周时，控制所述第二开关管持续导通，并且，检测到所述过零点时，关断所述第三开关管，导通所述第四开关管。
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