三相单级式谐振型电能变换装置及控制方法

1.本发明属于电能变换领域，具体涉及一种矩阵式全桥电路的控制方法。


背景技术：

2.隔离型ac/dc变换器通常采用两级式结构，前级采用三相pfc变换器结构，完成三相电流控制任务，应付各种电网畸变问题，保证电网电能质量，后级采用隔离型dcdc结构，实现供电侧和用电侧之间的电气隔离，在不同负载条件下实现输出电压稳定。但由于是两级功率变换，该结构存在变换效率低，成本高等缺点。另外，两级式结构还需要体积庞大母线电容器（通常采用便宜且寿命短的电解电容）来缓冲前后级变换器的能量，这会降低变换器的可靠性，并限制其功率密度的优化。
3.相比于两级式结构，单级式acdc变换器结构可通过减少能量变换等级和移除中间直流母线电容来提高整体效率和变换器的功率密度，更符合于当前ac/dc电源设备的设计要求。
4.已知技术中，通过复杂的控制策略也可实现单级式acdc能量变换，但无法保证在全负载条件下所有开关管实现软开关，限制了这类变换器的推广应用。


技术实现要素：

5.为了解决背景技术中的技术问题，本发明将dc/dc谐振电路加入到低频整流变换过程中，借助llc谐振单元实现三电平桥式单元中高频开关管的软开关以降低开关损耗，同时利用dc/dc谐振电路的宽增益特性通过调节三电平桥式单元中高频开关管的开关频率和占空比完成三相输入电流控制以及输出电压或电流的控制。
6.为了实现上述目的，本发明主要采用以下技术方案：一种三相单级式谐振型电能变换装置，包括，ac/dc整流电路，其输入端连接三相交流电，所述ac/dc整流电路的输出端包括第一端子、第二端子和第三端子，所述第一端子输出所述三相交流电的正向最大值，所述第二端子输出三相交流电的中间值，所述第三端子输出三相交流电的反向最大值，dc/dc谐振电路，与所述ac/dc整流电路的输出端连接，包括，三电平桥式单元、谐振单元和输出整流滤波单元，所述三电平桥式单元的输入端与第一端子和第三端子连接，所述三电平桥式单元的桥臂中点与所述第二端子连接，所述谐振单元的输入端与所述三电平桥式单元的输出端并联，所述整流滤波单元与所述谐振单元的输出端并联。
7.上述ac/dc整流电路包括，三相整流单元，所述三相整流单元包括a相桥臂模块、b相桥臂模块和c相桥臂模块，所述a相桥臂模块、b相桥臂模块和c相桥臂模块并联，所述三相交流电分别与所述a相桥臂模块、b相桥臂模块和c相桥臂模块的桥臂中点连接，所述ac/dc整流电路还包括a相双向开关、b相双向开关和c相双向开关，所述a相双向开关、b相双向开关和c相双向开关的一端分别与所述a相桥臂模块、b相桥臂模块和c相桥臂模块的桥臂中点连接，另一端并联后为第二端子，三相交流电的a相、b相和c相分别与所述a相桥臂模块、b相
桥臂模块和c相桥臂模块的桥臂中点连接。
8.上述谐振单元包括电感、电容和变压器，所述电感、电容和变压器串联连接。
9.上述三电平桥式单元为半桥三电平桥式单元或者全桥三电平桥式单元。
10.本发明还提供一种三相单级式谐振型电能变换装置的控制方法，包括，步骤t01采样所述三相交流电，比较每相交流电的电压绝对值，电压绝对值为最大值的相位为第一相位、电压绝对值为中间值的相位为第二相位以及电压绝对值为最小值的相位为第三相位；步骤t02关断第一相位和第二相位连接的所述双向开关，所述双向开关为所述a相双向开关、b相双向开关和c相双向开关，闭合第三相位连接的所述双向开关，所述双向开关为所述a相双向开关、b相双向开关和c相双向开关；步骤t03采样输出电流，并与输出电流参考值进行调节生成第一参考值，所述第一参考值与三相交流电的第二相位电压相乘生成该相位电流的参考值，并和该相位电流的采样值进行调节生成三电平桥式单元中开关的第一占空比；步骤t04所述第一参考值与三相交流电的第一相位电压相乘生成该相位电流的参考值，并和该相位电流的采样值进行调节后生成三电平桥式单元中开关控制的开关周期；步骤t05所述开关周期大于第一设定值时，所述开关周期设定为第一设定值，所述第一参考值与三相交流电的第一相位电压相乘生成该相位电流的参考值，并和该相位电流的采样值进行调节后生成三电平桥式单元中开关控制的第二占空比。
11.第一占空比与所述开关周期相乘的时间为第一时刻，开关控制周期起始至第一时刻之间，控制所述谐振单元两端的电压为第一端子和第二端子之间的电压。
12.第一时刻至二分之一开关周期之间，控制所述谐振单元两端的电压为第一端子和第三端子之间的电压或第三端子和第二端子之间的电压。
13.第二占空比与所述开关周期相乘的时间为第二时刻，第一时刻至第二时刻之间，控制所述谐振单元两端的电压为第一端子和第三端子之间的电压或第三端子和第二端子之间的电压。
14.第二时刻至二分之一开关周期之间，控制所述谐振单元两端的电压为零。
15.所述开关周期包括正半周期和负半周期，所述正半周期和负半周期中控制所述谐振单元两端的电压正负对称。
16.所述开关周期包括正半周期和负半周期，所述正半周期中控制所述谐振单元两端的电压具有输入电压，所述负半周期中控制所述谐振单元两端的电压为零。
17.本发明将各种形式的dc/dc谐振电路加入到低频整流ac/dc整流电路中，借助llc谐振单元保证高频开关管在所有情况下实现软开关以降低开关损耗，同时利用dc/dc谐振电路的宽增益特性调节输出电压或电流以及三相输入电流。利用低频整流ac/dc整流电路将三个相电压变为三个线电压，来应对畸变且不平衡的电网情况。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本发明的三相单级式谐振变换装置原理框图。
20.图2为本发明的三相单级式谐振变换装置第一具体实施例。
21.图3为本发明的三相单级式谐振变换装置第二具体实施例。
22.图4为本发明的三相单级式谐振变换装置第三具体实施例。
23.图5为本发明的三相单级式谐振变换装置第四具体实施例。
24.图6为本发明的三相单级式谐振变换装置第五具体实施例。
25.图7为图2-图6中ac/dc整流电路中关键点波形图。
26.图8为图11所示控制方法控制图4所示实施例中dc/dc谐振电路的关键点波形图。
27.图9为图11所示控制方法控制图6所示实施例中dc/dc谐振电路在第一工作状态下关键点波形图。
28.图10为图11所示控制方法控制图6所示实施例中dc/dc谐振电路在第二工作状态下关键点波形图。
29.图11为本发明三相单级式电能变换装置的控制方法流程图。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。
31.图1所示为本发明的三相单级式谐振变换装置原理框图，三相交流电输入至ac/dc整流电路11，ac/dc整流电路11输出直流电至pyn三端，dc/dc谐振电路12对pyn三端的电能进行变换输出电压vo至负载。dc/dc谐振电路12调节输出电压vo和三相输入电流iaibic，或者调节输出电流io和三相输入电流iaibic。
32.所述ac/dc整流电路11在一具体实施例中，例如为低频工作状态的ac/dc整流电路，提高单级式电能变换装置应对电网畸变、三相不平衡等故障情况能力。
33.所述dc/dc谐振电路12使用llc谐振单元保证所述dc/dc谐振电路12中高频开关在所有情况下实现软开关以降低开关损耗，同时使用llc谐振单元的宽增益特性调节输出电压vo或者输出电流io和三相输入电流iaibic。
34.如图2所示为本发明第一具体实施例，ac/dc整流电路21包括三相整流单元211和双向开关管say、sby、scy，所述双向开关管say、sby、scy在两相电压相交时刻低频切换开通。相交的两相中电压幅值绝对值较大的一相双向开关关断，同时幅值较小的一相双向开关开通。这样，三相整流单元211中正向电压中幅值较大的一相通过上端二极管dap或dbp或dcp接入p端，负向电压中幅值较大的一相通过下端二极管dan或dbn或dcn接入n端，剩余一相则通过导通的双向开关管say或sby或scy连接到y端，结合图7，将ua、ub、uc变为u
p
、un、uy，得到三个正向线电压u
pn
、u
py
和u
yn
，其中u
pn
始终为最大的一个，无论输入电压是正常供电还是出现畸变或三相不平衡等问题，u
pn
始终为最大的一个，另外两个u
py
和u
yn
交替变化。
35.dc/dc谐振电路22调节输出电压vo和三相输入电流iaibic，或者调节输出电流io和三相输入电流iaibic。
36.请再参考图3，ac/dc整流电路31输出直流电至pyn三端，dc/dc谐振电路32对pyn三
端的电能进行变换输出电压vo至负载。dc/dc谐振电路32调节输出电压vo和三相输入电流iaibic，或者调节输出电流io和三相输入电流iaibic。
37.dc/dc谐振电路32的输入电压为三个线电压u
pn
、u
py
和u
yn
，高频切换三电平桥式单元321中的开关，将电压u
pn
、u
py
、u
yn
和0电平馈入给llc谐振单元322，利用llc谐振单元322为三电平桥式单元321中的开关提供软开关条件。整流滤波单元323与变压器t的副边绕组并联，对变压器t输出的电能进行整流和滤波。
38.图4为本发明的一具体实施例示意图，该实施例中三电平桥式单元421为三电平半桥单元，整流滤波单元423为全桥整流滤波单元。具体的开关逻辑和llc谐振单元422的输入电压和谐振电流的波形如图8所示。其中，谐振电流i
lr
为从llc谐振单元422输入端流入的电流，励磁电流i
lm
位流经变压器t的励磁电流，以下说明中均如此。这里以u
py
大于u
yn
对应的开关周期为例，介绍对应的工作过程：1）阶段1[t0-t1]：在t0时刻，开关s1和s4开通，llc谐振单元输入电压为u
pn
，电感lr和电容cr发生谐振，谐振电流i
lr
从负变为正。在t1=dts时刻，s4关断，谐振电流i
lr
给s4结电容充电，同时给开关s3结电容放电至电容电压下降为0，同时s3的体二极管导通，为s3提供零电压开通条件。在此阶段中，谐振电流从端p流入并从端n流出。
[0039]
2）阶段2[t1-t2]：在t2时刻，开关s3在零电压情况下开通，llc谐振单元221输入电压变为u
py
，电感lr和电容cr继续谐振，若谐振电流i
lr
等于励磁电流i
lm
，则会变成电感lr、电感lm和电容cr三元件谐振。在t2=ts/2时刻，开关s1关断，此时谐振电流i
lr
依然为正，给开关s1结电容充电，同时给开关s2结电容放电至电容电压下降为0，为开关s2提供零电压开通条件。在此阶段中，谐振电流i
lr
从p端流入并从y端流出。
[0040]
整个正半周期中，ac/dc整流电路41处理的输入能量传递给llc谐振单元422后，llc谐振单元422内的能量一部分传递到副边，一部分储存在谐振电容cr上，并形成谐振电容cr上的直流偏置。
[0041]
3）阶段3[t2-t3]：在t3时刻，s2在零电压情况下开通，llc谐振单元422输入电压u
llc
变为0，电感lr和电容cr再次谐振，谐振电流i
lr
由正变为负。在t=ts时刻，开关s2和s3关断，负向的谐振电流i
lr
给开关s2和s3结电容充电，同时给开关s1和s4结电容放电至电容电压下降为0，为开关s1和s4提供零电压开通条件。在此阶段中，无谐振电流流过ac/dc整流电路41。谐振电容cr上储存的能量传递给副边，谐振电容cr上的直流偏置成为llc谐振单元422的输入电压。
[0042]
当u
py
小于u
yn
时，只是llc谐振单元正半周期的输入电压变成u
py
和u
yn
，开关s1、s2和s3、s4开关逻辑更换，其工作过程几乎相似。
[0043]
图4所示实施例，通过单级变换结构实现三相acdc变换，同时所有高频开关可借助llc谐振单元获得软开关条件，因此整个acdc变换系统传递能量的效率更高，同时借助ac/dc整流电路41，可以应对各种三相电压情况：无论是三相平衡的情况还是发生畸变、不平衡等故障情况。发生故障时，u
pn
、u
py
和u
yn
都保持正向的，u
pn
为其中幅值最大的线电压。另外，dc/dc谐振电路42，只有4个高频开关，成本低，高频开关的开关逻辑非常简单，由谐振腔输入电压的时序确定，开关s1、s2和s3、s4两组开关都保持互补导通，可避免两相直通的危险。
[0044]
图5中ac/dc整流电路51输出三个线电压u
pn
、u
py
和u
yn
，dc/dc谐振电路52是使用三电平i型全桥单元实现三电平桥式单元521，三电平桥式单元521的正端（s5和s6的漏极）连
接端p，三电平桥式单元521的负端（s11和s12的源极）连接端n。二极管d5和d6之间以及二极管d7和d8之间连接到端y。llc谐振单元522的两端分别接到开关s7、s9之间与开关s8、s10之间。
[0045]
dc/dc谐振电路52的输入电压同样为三个线电压u
pn
、u
py
和u
yn
，高频切换s5-s12，将电压u
pn
、u
py
和u
yn
馈入给llc谐振单元522，利用llc谐振单元522为开关s5-s12提供软开关。整流滤波单元523与变压器t的副边绕组并联。
[0046]
图6是使用三电平t型全桥单元实现三电平桥式单元621，三电平桥式单元621正端（开关s13和s14的漏极）连接端p，三电平桥式单元621负端（开关s15和s16的源极）连接端n。llc谐振单元622的两端分别经过双向开关s17和s18以及双向开关s19和s20连接到端y。
[0047]
ac/dc整流电路61输出三个线电压u
pn
、u
py
和u
yn
，dc/dc谐振电路62的输入电压同样为三个线电压u
pn
、u
py
和u
yn
，高频切换s13-s20，将电压u
pn
、u
py
和u
yn
馈入给llc谐振单元622，利用llc谐振单元622为高频开关提供软开关。整流滤波单元623为全桥整流滤波单元。
[0048]
具体的开关逻辑和llc腔的输入电压和谐振电流的波形如图9所示，这里同样以u
py
大于u
yn
对应的开关周期为例，介绍对应的工作过程：1）阶段1[t0-t1]：在t0时刻，开关s13和s16开通，llc谐振单元622输入电压为u
pn
，电感lr和电容cr发生谐振，谐振电流i
lr
从负变为正。在此阶段可同时开通开关s20，由于开关s19未开通，且其体二极管方向和u
yn
电压方向反向相同，在此阶段开通开关s20可实现零电流开通。在t=dts时刻，开关s16关断，正向谐振电流ilr给开关s16结电容充电，同时给开关s19的结电容放电至结电容电压下降为0，同时开关s19的体二极管导通，为开关s19提供零电压开通条件。在此阶段中，谐振电流i
lr
从p端流入并从n端流出。
[0049]
2）阶段2[t1-t2]：在t2时刻开关s19在零电压情况下开通，llc谐振单元622输入电压变为u
py
，电感lr和电容cr继续谐振，若谐振电流ilr等于励磁电流i
lm
，则会变成lr、lm和cr三元件谐振。在t=ts/2时刻，s13、s19和s20同时关断，此时谐振电流ilr依然为正，给s13、s19和s20结电容充电，同时给s15和s14的结电容放电至电容电压下降为0，为s15和s14提供零电压开通条件。在此阶段中，谐振电流从p端流入并从y端流出。
[0050]
阶段3[t2-t3]和阶段4[t3-t4]与阶段1、2的输入电压正好对称（输入电压变成-u
pn
和-u
py
），谐振电流ilr波形也正对称，谐振电流ilr由正变负，工作过程也相似，这里不再赘述。
[0051]
每半个开关周期内，llc谐振腔内的能量会全部传递到副边，和传统dc/dc全桥llc变换器一样，电容cr电压波形对称，不会再出现直流偏置。
[0052]
调节开关周期ts控制llc谐振单元传递的能量大小以调节输出电压或电流，调节占空比来分配谐振电流ilr到p、n、y端电流的大小以实现三相输入电流功率因数校正。
[0053]
请参考图11，本发明三相单级式电能变换装置的控制方法，包括如下步骤，步骤t01采样所述三相交流电，比较每相交流电的电压绝对值，确定电压绝对值为最大值的相位为第一相位、电压绝对值为中间值的相位为第二相位以及电压绝对值为最小值的相位为第三相位。
[0054]
步骤t02关断第一相位和第二相位对应的双向开关say或sby或scy，打开第三相位的双向开关say或sby或scy。
[0055]
步骤t03采样输出电流，并与输出电流参考值进行调节生成第一参考值，所述第一
参考值与第二相位的输入电压相乘生成该相位输入电流的参考值，并和该相位输入电流的采样值进行调节生成三电平桥式单元中开关的第一占空比。
[0056]
请参考图8-图10，所述第一占空比为d1。
[0057]
也可以采样输出电压，并与输出电压参考值进行调节生成第一参考值，根据具体的应用场景需要进行变更。
[0058]
步骤t04所述第一参考值与第一相位的输入电压相乘生成该相位输入电流的参考值，并和该相位输入电流的采样值进行调节后生成三电平桥式单元中开关控制的开关周期。
[0059]
请参考图8-图10，所述开关周期为ts。
[0060]
步骤t05所述开关周期大于第一设定值时，所述开关周期设定为第一设定值，所述第一参考值与输入电压最大值相应的相位的输入电压相乘生成该相位输入电流的参考值，并和该相位输入电流的采样值进行调节后生成三电平桥式单元中开关控制的第二占空比。
[0061]
请参考图10，所述第二占空比为d2。
[0062]
可以实现所有开关的零电压开通。通过在工频周期内区域切换出加入恰当的过渡驱动时序，可以保证过渡区不发生相间直通的同时实现较好的电流波形。
[0063]
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。