单级式交流-直流变换器及其控制方法、控制电路

本技术涉及电能变换，且特别是有关于一种单级式交流-直流变换器及其控制方法、控制电路。

背景技术：

1、微电网作为分布式发电的重要应用场景之一，可以向用户提供安全、稳定、清洁的电力供应，同时由于其安装灵活、位置分散，能减小能源运输中带来的损耗，提高新能源的利用效率，拓展新能源的利用途径，并电力系统的供电形式多样化。如今的交直流微电网集可再生能源和分布式储能为一体，主体由各种新能源发电单元、储能装置以及连接不同装置所用的变流器所构成，在微电网中，ac/dc变换器是连接新能源发电单元、母线、电网以及储能单元的核心部分，拥有高效且稳定的ac/dc变换器对微电网来说意义重大。

2、其中，两级式ac/dc 变换器可靠性高且控制方法成熟，目前已被广泛应用，单此类拓补通常由前级ac/dc 和后级隔离dc/dc 连接构成，导致元件数量增多、体积增大且结构复杂度上升，不仅增加成本，还增加功率密度，而相较于两级式，单级式ac/dc 全桥lc谐振变换器可减少一级功率变换，具有高效、高功率密度和低成本等潜在优势。而在准单极式结构的基础上，通过对拓补实施移相控制，可实现大范围软开关，同时拓展了控制自由度，实现效率提升与动态响应，更好的满足了微电网、绿色能源对ac/dc转换器高效率、小型化、高自由度的核心需求。

3、然而传统供电系统中，交流输入需先经独立整流电路（一级）将交流电转换为直流电，再送入原dc-dc变换器（二级）实现升压与功率传输，多级电路存在两次能量转换损耗，且额外的整流模块会增加元件数量、扩大整体体积并提升成本。同时原谐振型单级式ac/dc变换器由于直流侧结构为半桥，移相方式受限，引发软开关实现困难以及增益精度受限等问题。

技术实现思路

1、本技术旨在提供一种单级式交流-直流变换器及其控制方法、控制电路，具备完整的全桥结构，可以通过单移相、拓展移相、双重移相以及三重移相控制拓展软开关范围，易于软开关实现的同时增加了增益精度。同时，由于具备全桥结构，开关管承受的电压应力减小，提高了电路稳定性与使用寿命。

2、为达到上述目的，本技术技术方案是：

3、一种单级式交流-直流变换器的控制方法，所述单级式交流-直流变换器的功率电路原边采用全桥整流电路结构及全桥谐振电路结构；

4、所述单级式交流-直流变换器的控制方法包括，

5、计算一个死区时间内对开关管结电容完全充放电所需的最小理论电流；

6、根据当前工况选取控制对应的控制模式，基于所述最小理论电流与当前控制模式下的补偿谐振电流得到软开关电流误差量；其中，根据对所述单级式交流-直流变换器的性能要求越高，选取的控制模式依次为：单移相-变频控制模式、拓展移相-变频控制模式、双重移相-变频控制模式及三重移相-变频控制模式；

7、根据所述软开关电流误差量进行调节与基波近似调制反向运算，得到对应控制模式的给定开关频率与移相角，生成开关驱动信号。通过动态调节开关频率与移相角，电压增益覆盖范围广，能适配输入交流电压压高幅度的波动，电压适配能力更强，抗波动性能更优异。

8、可选的，计算当前控制模式下的补偿谐振电流，包括：

9、单移相-变频控制模式中，采集反馈的当前控制模式下的给定外移相角及开关频率计算补偿谐振电流表示如下：

10、

11、其中，补偿谐振电流表示，

f为归一化开关频率，；

z为谐振腔归一化阻抗，；

m为交直流电压比，；为外移相角，

n为变压器变比，为谐振频率，

fs为开关频率，

vdc为输出直流电压，

vac为输入交流电压，为开关角频率；所述单移相-变频控制模式算法运算量最低，仅通过外移相角及开关频率调节补偿谐振电流，适配负载波动小、输入电压稳定的常规工况。

12、拓展移相-变频控制模式中，采集反馈的当前控制模式下的给定外移相角、内移相角及开关频率计算补偿谐振电流表示如下：

13、

14、其中，表示内移相角；该控制模式中参数之间存在交叉干扰。相较于单移相-变频控制模式，直流电压增益覆盖范围更广，能适配输入交流电压更高幅度的波动，电压适配能力更强，抗波动性能更优异。

15、双重移相-变频控制模式中，采集反馈的当前控制模式下的给定外移相角、内移相角及开关频率计算补偿谐振电流表示如下：

16、；

17、所述双重移相-变频控制模式将外移相角、内移相角拆分为独立分项展开，消除参数交叉耦合干扰，交直流电压比乘以的项中乘以一组差值形式，单独剥离内移相角的电压影响分量；相较于拓展移相-变频控制模式，直流电压增益覆盖范围进一步变广，能适配输入交流电压更加高幅度的波动，电压适配能力进一步加强，抗波动性能更加优异。

18、三重移相-变频控制模式中，采集反馈的当前控制模式下的给定开关频率、外移相角、原边内移相角及副边内移相角计算补偿谐振电流，表示如下：

19、其中，表示原边内移相角；表示副边内移相角。分别对原边、副边内移相角做独立校正，交直流电压比m乘以的项中乘以一组差值形式，单独剥离原边内移相角的电压影响分量，可应对原边电网波动与副边负载剧烈波动的双重扰动；相较于单移相-变频控制模式、拓展移相-变频控制模式及双重移相-变频控制模式，直流电压增益覆盖范围最广，能适配输入交流电压最高幅度的波动，电压适配能力最强，抗波动性能最优异。

20、可选的，计算一个死区时间内对开关管结电容完全充放电所需的最小理论电流，表示如下：

21、

22、其中，表示一个死区时间内对开关管结电容完全充放电所需的最小理论电流，为开关管结电容容值，为死区时间，为输入交流电压

vac的瞬时绝对值。

23、可选的，根据所述软开关电流误差量进行调节与基波近似调制反向运算，得到对应控制模式的给定开关频率与移相角，生成开关驱动信号，具体包括：

24、对软开关电流误差量进行比例积分调节得到谐振电流校正补偿分量；

25、对所述谐振电流校正补偿分量及所述最小理论电流叠加得到给定谐振电流q轴分量；

26、采集所述给定谐振电流q轴分量、输入交流电压、电流基准值、输出直流电压，经过基波近似调制得到对应控制模式的给定开关频率与移相角；

27、根据对应控制模式的给定开关频率与移相角进行脉冲宽度调制，得到开关驱动信号。

28、可选的，生成开关驱动信号之后还包括：调节开关频率扩展直流电压增益，表示如下：

29、

30、其中，

m表示直流电压增益，表示归一化开关频率， 表示谐振频率处的品质因数。

31、一种单级式交流-直流变换器的控制电路，所述单级式交流-直流变换器的功率电路原边采用全桥整流电路结构及全桥谐振电路结构；

32、所述单级式交流-直流变换器的控制电路包括：

33、减法模块，所述减法模块输入一个死区时间内对开关管结电容完全充放电所需的最小理论电流及当前控制模式下的补偿谐振电流进行作差得到软开关电流误差量；

34、比例积分调节模块，输入软开关电流误差量进行比例积分调节得到谐振电流校正补偿分量；

35、加法模块，输入所述谐振电流校正补偿分量及所述最小理论电流叠加得到给定谐振电流q轴分量；

36、基波近似调制模块，输入所述给定谐振电流q轴分量、输入交流电压、电流基准值、输出直流电压，经过基波近似调制得到对应控制模式的给定开关频率与移相角；

37、补偿谐振电流计算模块，输入反馈的当前控制模式的给定开关频率与移相角得到当前控制模式下的补偿谐振电流。

38、可选的，所述单级式交流-直流变换器的控制电路，还包括：

39、脉冲宽度调制模块，输入对应控制模式的给定开关频率与移相角进行脉冲宽度调制得到开关驱动信号。

40、一种单级式交流-直流变换器，包括功率电路及控制电路，功率电路和控制电路连接，控制电路为功率电路提供开关驱动信号生成输出直流电压；

41、功率电路包括：全桥整流模块，所述全桥整流模块接收输入交流电压进行整流，得到第一直流电；所述全桥整流模块采用全桥整流电路结构；

42、全桥谐振模块，所述全桥谐振模块对第一直流电进行谐振变换得到第一交流电；所述全桥谐振模块采用全桥谐振电路结构；

43、副边整流模块，所述副边整流模块对第一交流电进行整流，得到输出直流电压。由于原边电路的全桥整流模块、全桥谐振模块为全桥电路结构，开关管承受电压应力减少，电路稳定性提高，使用寿命增加。

44、可选的，所述控制电路集成了如上述的单级式交流-直流变换器的控制方法。

45、可选的，所述控制电路采用如上述的单级式交流-直流变换器的控制电路。

46、本技术提供一种单级式交流-直流变换器及其控制方法、控制电路，具备完整的全桥结构，可以通过单移相、拓展移相、双重移相以及三重移相控制拓展软开关范围，易于软开关实现的同时增加了增益精度。

47、为让申请的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。