一种交直流变换电路、交直流变换器及其控制方法与流程

本发明涉及交直流变换技术，尤其涉及一种交直流变换电路、交直流变换器及其控制方法。

背景技术：

在新能源光伏系统、储能系统以及电动汽车充电系统等多种应用场合，要求电能变换器中的能量可以双向流动：能量即可以由电网流向电池等储能单元，实现电能的存储，同时，又要求能量可以从储能单元流向电网或单独以交流电源的形式输出，实现电网电能的调节或者满足离网条件下电能的使用。实现上述功能，除了需要高效实用的隔离直流直流变换器以外，还需要效率更高、体积更小以及成本更低的非隔离交流直流双向变换器。

对单相系统而言，传统的双向交直流变换器一般采用四个开关管组成的全桥电路及交流端口lc滤波的电路结构，其上下两个开关管串联组成一个桥臂，共有两个桥臂，如图1所示，为了减小电路的共模干扰，同时为了降低电路的开关损耗提高电路效率，所述全桥电路的一个桥臂一般工作在与交流侧频率同频的低频开关状态，而另一个桥臂则工作在高频spwm开关状态，任何一个桥臂上下两个开关管都互补导通，其开关驱动信号波形如图2所示，以上电路，受开关器件自身损耗的限制，开关频率不可能做得太高，则加载在交流端口lc滤波端口上的脉动电压频率就不会太高。为了减小流入交流端口的纹波电流从而保证交流侧电能的质量，后级lc滤波器特别是滤波电感的体积就会比较大。这样，造成整个交直流变换器体积大，成本高，同时变换器的效率也难以提高。

技术实现要素：

本发明的第一目是提供一种功率电路自主均流的交错并联的交直流变换电路。

本发明的第二目是提供一种功率电路自主均流的交错并联的交直流变换器。

本发明的第三目是提供一种功率电路自主均流的交错并联的交直流变换电路的控制方法。

为了实现本发明的第一目的，本发明提供一种交直流变换电路，其特征在于，包括第一滤波电路、低频开关桥臂、第一高频开关桥臂和第二高频开关桥臂，第一滤波电路与交直流变换电路的直流端口连接，低频开关桥臂、第一高频开关桥臂和第二高频开关桥臂分别与直流端口并联连接；

低频开关桥臂包括第一开关管和第二开关管，第一开关管的源极与第二开关管的漏极连接；

第一高频开关桥臂包括第三开关管和第四开关管，第三开关管的源极与第四开关管的漏极连接；

第二高频开关桥臂包括第五开关管和第六开关管，第五开关管的源极与第六开关管的漏极连接；

交直流变换电路还包括共模电感和第二滤波电路，共模电感的第一绕组的第一同名端与第三开关管的源极连接，共模电感的第二绕组的第二同名端与第五开关管的源极连接，第一绕组的第二同名端、第二绕组的第一同名端和第一开关管的源极与第二滤波电路连接，第二滤波电路与交直流变换电路的交流端口连接。

更进一步的方案是，第二滤波电路包括第一电感和第一电容，第一电感的第一端、第一绕组的第二同名端和第二绕组的第一同名端连接，第一电感的第二端与第一电容的第一端连接，第一电容的第二端与第一开关管的源极连接。

更进一步的方案是，第二滤波电路包括第一电感、第二电感和第一电容，第一电感的第一端与第一绕组的第二同名端连接，第二电感的第一端和第二绕组的第一同名端连接，第一电感的第二端、第二电感的第二端和第一电容的第一端连接，第一电容的第二端与第一开关管的源极连接。

为了实现本发明的第一目的，本发明提供一种交直流变换电路，其特征在于，包括第一滤波电路、低频开关桥臂、第一高频开关桥臂和第二高频开关桥臂，第一滤波电路与交直流变换电路的直流端口连接，低频开关桥臂、第一高频开关桥臂和第二高频开关桥臂分别与直流端口并联连接；

低频开关桥臂包括第一开关管和第二开关管，第一开关管的源极与第二开关管的漏极连接；

第一高频开关桥臂包括第三开关管和第四开关管，第三开关管的源极与第四开关管的漏极连接；

第二高频开关桥臂包括第五开关管和第六开关管，第五开关管的源极与第六开关管的漏极连接；

交直流变换电路还包括第一电感、第二电感和第一电容，第一电感的第一端与第三开关管的源极连接，第二电感的第一端与第五开关管的源极连接，第一电感的第二端、第二电感的第二端与第一电容的第一端连接，第一电容的第二端与第一开关管的源极连接，第一电容与交直流变换电路的交流端口并联。

为了实现本发明的第一目的，本发明提供一种交直流变换电路，其特征在于，包括第一滤波电路、三相桥臂组件，第一滤波电路与交直流变换电路的直流端口连接，每一相的桥臂组件分别与直流端口并联连接；

每一相的桥臂组件包括：

第一高频开关桥臂，包括第一开关管和第二开关管，第一开关管的源极与第二开关管的漏极连接；

第二高频开关桥臂，包括第三开关管和第四开关管，第三开关管的源极与第四开关管的漏极连接；

共模电感，共模电感的第一绕组的第一同名端与第三开关管的源极连接，共模电感的第二绕组的第二同名端与第一开关管的源极连接，第一绕组的第二同名端、第二绕组的第一同名端和桥臂组件的输出端连接；

交直流变换电路还包括第二滤波电路，每一相的桥臂组件的输出端分别与第二滤波电路连接，第二滤波电路与交直流变换电路的交流端口连接。

更进一步的方案是，第二滤波电路为交流三相lc滤波器，每一相的桥臂组件的输出端分别与交流三相lc滤波器的输入端连接。

由上述方案可见，本案的交直流变换电路加载在交流端口上的电压的脉动频率可为开关频率的两倍，而脉动幅值只有非交错控制时的一半，因此在同样交流滤波电感的情况下，通过本交直流变换电路的实施，使得交流端口纹波电流可下降为原来的1/4，而且，由于每一个高频桥臂连接共模电感的一个绕组，而一般选用共模电感的感量很大从而流过其两个绕组的共模电流相对于差模电流很小，可以忽略不计，因此上述共模电感两个绕组的电流必然接近相等。也就是说，由于上述共模电感的存在，交流端口的电流自然均分地由两个高频桥臂承担，实现了功率电路自主均流，提高了电路的工作效率。以及应用于本电流均流的构思，还可以运用在三相交直流变换电路上，也能够实现本发明的目的。

为了实现本发明的第二目的，本发明提供一种交直流变换器，其特征在于，包括交直流变换电路和控制单元，交直流变换电路为上述方案中任一项的交直流变换电路，控制单元包括：

频率相位识别电路，用于接收交流电压采样信号；

第一驱动电路，用于接收频率相位识别电路输出的控制信号，第一驱动电路对低频开关桥臂进行驱动

控制调节器，用于接收交流电压采样信号、交流电流采样信号和直流电压采样信号；

载波信号发生器，用于输出载波信号；

移相电路，用于接收载波信号；

第一spwm调制器，用于接收控制调节器输出的控制信号和载波信号；

第二spwm调制器，用于接收控制调节器输出的控制信号和移相电路输出的移相载波信号；

第二驱动电路，用于接收第一spwm调制器输出的调制信号，第二驱动电路对第一高频开关桥臂进行驱动；

第三驱动电路，用于接收第二spwm调制器输出的调制信号，第三驱动电路对第二高频开关桥臂进行驱动。

为了实现本发明的第二目的，本发明提供一种交直流变换器，包括交直流变换电路和控制单元，交直流变换电路为上述方案中的交直流变换电路；

控制单元包括：

频率相位识别电路，用于接收交流电压采样信号；

第一驱动电路，用于接收频率相位识别电路输出的控制信号，第一驱动电路对低频开关桥臂进行驱动

控制调节器，用于接收交流电压采样信号和直流电压采样信号；

第一比较器，用于接收控制调节器输出的交流电流参考信号和第一电感的电流采样信号；

第二比较器，用于接收控制调节器输出的交流电流参考信号和第二电感的电流采样信号；

第一电流调节器，用于接收第一比较器输出的调节信号；

第二电流调节器，用于接收第二比较器输出的调节信号；

载波信号发生器，用于输出载波信号；

移相电路，用于接收载波信号；

第一spwm调制器，用于接收第一电流调节器的控制信号和载波信号；

第二spwm调制器，用于接收第二电流调节器输出的控制信号和移相电路输出的移相载波信号；

第二驱动电路，用于接收第一spwm调制器输出的调制信号，第二驱动电路对第一高频开关桥臂进行驱动；

第三驱动电路，用于接收第二spwm调制器输出的调制信号，第三驱动电路对第二高频开关桥臂进行驱动。

由上述方案可见，根据不同的控制目的进行负反馈调节，输出相应的控制信号到第一spwm调制器和第二spwm调制器，而不同控制目的包括但不限于稳定交流电压、稳定交流电流或稳定直流电压等，使得加载在交流端口上的电压的脉动频率可为开关频率的两倍，而脉动幅值只有非交错控制时的一半，因此在同样交流滤波电感的情况下，通过本交直流变换器的实施，使得交流端口纹波电流可下降为原来的1/4，而且，由于每一个高频桥臂连接共模电感的一个绕组，而一般选用共模电感的感量很大从而流过其两个绕组的共模电流相对于差模电流很小，可以忽略不计，因此上述共模电感两个绕组的电流必然接近相等。也就是说，由于上述共模电感的存在，交流端口的电流自然均分地由两个高频桥臂承担，实现了功率电路自主均流，提高了电路的工作效率。

为了实现本发明的第三目的，本发明提供一种用于交直流变换电路的控制方法，其特征在于，交直流变换电路为上述方案中任一项的交直流变换电路；

控制方法包括：

控制第一开关管和第二开关管互补导通，低频开关桥臂的工作频率与交流端口的电压频率相同，低频开关桥臂的开关占空比为50%，第一开关管的动作时刻、第二开关管的动作时刻和交流端口的电压过零时刻同步；

控制第三开关管和第四开关管互补导通，第一高频开关桥臂的工作频率为预设的高频开关频率，第一高频开关桥臂的开关占空比为根据交流电压采样信号、交流电流采样信号和直流电压采样信号计算所得；

控制第五开关管和第六开关管互补导通，第二高频开关桥臂的工作频率为预设的高频开关频率，第二高频开关桥臂的开关占空比为根据交流电压采样信号、交流电流采样信号、直流电压采样信号和相位信号计算所得，相位信号是第三开关管的输出信号与第五开关管的输出信号之间的相位差。

为了实现本发明的第二目的，本发明提供一种交直流变换器，包括交直流变换电路和控制单元，控制单元用于执行存储器中存储的计算机程序时实现如权利要求9中控制方法的步骤。

由上述方案可见，通过本案的控制方法，控制两组高频桥臂非等占空比错相工作，采用双电流内环实现了两组高频桥臂的电流均分，通过本发明提供的交直流变换控制方法，不仅实现了功率电路自主均流提高电路的工作效率，还可以通过错相工作减小交流侧滤波电路的体积，且实现错相工作桥臂的电流均分而提高电路工作效率，具备很好的实用性。

附图说明

图1是现有全桥交直流变换器的电路图。

图2是图1电路图对应的功率管的驱动波形图。

图3是本发明交直流变换电路第一实施例的电路图。

图4是本发明交直流变换电路第二实施例的电路图。

图5是本发明交直流变换器第一实施例中控制单元的电路图。

图6是本发明交直流变换器第一实施例的波形示意图。

图7是本发明交直流变换电路第三实施例的电路图。

图8是本发明交直流变换电路第四实施例的电路图。

图9是本发明交直流变换器第二实施例中控制单元的电路图。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

交直流变换电路第一实施例：

参照图3，交直流变换电路包括第一滤波电路、低频开关桥臂、第一高频开关桥臂和第二高频开关桥臂，第一滤波电路与交直流变换电路的直流端口连接，低频开关桥臂、第一高频开关桥臂和第二高频开关桥臂分别与直流端口并联连接，直流端口的电压为vdc，第一滤波电路包括并联在直流端口的电容c2。

低频开关桥臂包括第一开关管q1和第二开关管q2，第一开关管q1的源极与第二开关管q2的漏极连接。

第一高频开关桥臂包括第三开关管q3和第四开关管q4，第三开关管q3的源极与第四开关管q4的漏极连接。

第二高频开关桥臂包括第五开关管q5和第六开关管q6，第五开关管q5的源极与第六开关管q6的漏极连接，第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管和第五开关管、第六开关管的栅极分别与控制单元连接并接收驱动信号实现相应的导通和阻断，第一开关管、第三开关管和第五开关管的漏极与直流端口的正极连接，第二开关管、第四开关管和第六开关管的源极与直流端口的负极连接。

交直流变换电路还包括共模电感l2和第二滤波电路，共模电感l2的第一绕组的第一同名端与第三开关管q3的源极连接，共模电感l2的第二绕组的第二同名端与第五开关管q5的源极连接，第二同名端为图中带*表示的一端。

第二滤波电路的lc滤波电路，第二滤波电路包括第一电感l1和第一电容c1，第一电感l1的第一端、第一绕组的第二同名端和第二绕组的第一同名端连接，第一电感l1的第二端与第一电容c1的第一端连接，第一电容c1的第二端与第一开关管q1的源极连接，第一电容c1并联在交流端口的两端上。

交直流变换电路第二实施例：

在与上述第一实施例基于相同的原理上，交直流变换电路第二实施例主要对共模电感l2后级的滤波电路进行改进。

参照图4，第二滤波电路包括第一电感l11、第一电感l12和第一电容c1，第一电感l11的第一端与第一绕组的第二同名端连接，第一电感l12的第一端和第二绕组的第一同名端连接，第一电感l11的第二端、第一电感l12的第二端和第一电容c1的第一端连接，第一电容c1的第二端与第一开关管q1的源极连接，第一电容c1并联在交流端口的两端上。

交直流变换器第一实施例：

参照图5，交直流变换器包括交直流变换电路和控制单元1，交直流变换电路为上述任一实施例中的交直流变换电路，控制单元1包括驱动电路11、驱动电路12、驱动电路13、频率相位识别电路14、spwm调制器15、spwm调制器16、载波信号发生器17、移相电路18和控制调节器19，频率相位识别电路14用于接收交流电压采样信号vac，驱动电路11用于接收频率相位识别电路14输出的控制信号，驱动电路11对低频开关桥臂中第一开关管q1和第二开关管q2的进行驱动。

控制调节器19用于接收交流电压采样信号vac、交流电流采样信号il1和直流电压采样信号vdc，载波信号发生器17用于输出载波信号，载波信号包括但不限于锯齿波和三角波，移相电路18用于接收载波信号并对载波信号进行移相，spwm调制器15用于接收控制调节器19输出的控制信号va和载波信号vtr1，控制调节器可根据其控制目的进行负反馈调节输出相应的控制信号，不同控制目的包括但不限于稳定交流电压、稳定交流电流或稳定直流电压。spwm调制器16用于接收控制调节器19输出的控制信号和移相电路18输出的移相载波信号vtr2。

驱动电路12用于接收spwm调制器15输出的调制信号，驱动电路12对第一高频开关桥臂的第三开关管q3和第四开关管q4进行驱动，驱动电路13用于接收spwm调制器16输出的调制信号，驱动电路13对第二高频开关桥臂的第五开关管q5和第六开关管q5进行驱动。

参照图6，通过波形示意图结合交直流变换电路的控制方法进行说明。

交直流变换电路的控制方法包括：

控制第一开关管q1和第二开关管q2互补导通，低频开关桥臂的工作频率与交流端口的电压频率相同，低频开关桥臂的开关占空比为50%，第一开关管q1的动作时刻、第二开关管q2的动作时刻和交流端口的电压过零时刻同步。

控制第三开关管q3和第四开关管q4互补导通，第一高频开关桥臂的工作频率为预设的高频开关频率，第一高频开关桥臂的开关占空比为根据交流电压采样信号、交流电流采样信号和直流电压采样信号计算所得。

控制第五开关管q5和第六开关管q6互补导通，第二高频开关桥臂的工作频率为预设的高频开关频率，第二高频开关桥臂的开关占空比为根据交流电压采样信号、交流电流采样信号、直流电压采样信号和相位信号计算所得，相位信号是第三开关管q3的输出信号与第五开关管q5的输出信号之间的相位差。

通过分析上述实施例的电路可知，由于两个高频开关桥臂对应开关管的开通和关断错开一定的相位角，则导致在同一个开关周期内存将会在三种状态：两个高频桥臂的上管(如q3和q5)同时导通状态、两个高频桥臂的下管同时导通状态以及一高频桥臂的上管导通而同时另一高频桥臂的下管导通的状态。分析可知：对应上管(q3和q5)同时导通的状态，则共模电感l2的两个绕组一端的电压都为直流端口电压vdc，从而加载在交流滤波端口的电压vb为直流端口电压vdc，对应下管(q4和q6)同时导通的状态，则共模电感l2的两个绕组一端的电压都为零，加载在交流滤波端口的电压vb为零，对应一个高频桥臂上管导通而另一高频桥臂下管导通的状态，则共模电感l2的一个绕组一端电压为vdc，而另一个绕组一端电压为零，由于两个绕组匝数相等，其电压也相等，因此加载在交流滤波端口的电压vb为vdc/2。其对应相关波形如图6所示，从中可以看出，加载在交流滤波端口上的电压vb的脉动频率为开关频率的两倍，脉动幅值只有非交错控制时的一半，因此在同样交流滤波电感的情况下，交流端口纹波电流下降为原来的1/4。

进一步分析，由于每一个高频桥臂连接共模电感的一个绕组，而一般选用共模电感的感量很大从而流过其两个绕组的共模电流相对于差模电流很小可以忽略不计，因此上述共模电感两个绕组的电流必然接近相等。也就是说，由于上述共模电感的存在，交流端口的电流自然均分地由两个高频桥臂承担，提高了电路的工作效率。

交直流变换电路第三实施例：

交直流变换电路包括第一滤波电路、三相桥臂组件，第一滤波电路与交直流变换电路的直流端口连接，每一相的桥臂组件分别与直流端口并联连接。

每个桥臂组件的构成均相同，下面以一相桥臂组件进行说明，其包括：第一高频开关桥臂、第二高频开关桥臂、共模电感l11和第二滤波电路，第一高频开关桥臂包括第一开关管q1和第二开关管q2，第一开关管q1的源极与第二开关管q2的漏极连接，第二高频开关桥臂包括第三开关管q3和第四开关管q4，第三开关管q3的源极与第四开关管q4的漏极连接。开关管q1、q3、q5、q7、q9、q11的漏极与直流端口的正极连接，开关管q2、q4、q6、q8、q10、q12的源极与直流端口的负极连接。

共模电感l11的第一绕组的第一同名端与第三开关管q3的源极连接，共模电感l11的第二绕组的第二同名端与第一开关管q1的源极连接。第二滤波电路为交流三相lc滤波器，交流三相lc滤波器包括三个电感la、lb、lc和三个电容cab、cbc、cca，第一绕组的第二同名端、第二绕组的第一同名端和桥臂组件的输出端连接，每一相的桥臂组件的输出端分别与作为滤波器输入端的电感la、lb、lc连接，电容cab、cbc、cca呈三角结构连接，如图7所示的。

交直流变换电路第四实施例：

参照图8，交直流变换电路包括第一滤波电路、低频开关桥臂、第一高频开关桥臂和第二高频开关桥臂，第一滤波电路与交直流变换电路的直流端口连接，低频开关桥臂、第一高频开关桥臂和第二高频开关桥臂分别与直流端口并联连接，低频开关桥臂包括第一开关管q1和第二开关管q2，第一开关管q1的源极与第二开关管q2的漏极连接，第一高频开关桥臂包括第三开关管q3和第四开关管q4，第三开关管q3的源极与第四开关管q4的漏极连接，第二高频开关桥臂包括第五开关管q5和第六开关管q6，第五开关管q5的源极与第六开关管q6的漏极连接。第一开关管、第三开关管和第五开关管的漏极与直流端口的正极连接，第二开关管、第四开关管和第六开关管的源极与直流端口的负极连接。

交直流变换电路还包括第一电感l21、第二电感l22和第一电容c21，第一电感l21的第一端与第三开关管q3的源极连接，第二电感l22的第一端与第五开关管q5的源极连接，第一电感l21的第二端、第二电感l22的第二端与第一电容c21的第一端连接，第一电容c21的第二端与第一开关管q1的源极连接，第一电容c21与交直流变换电路的交流端口并联。

交直流变换器第二实施例：

参照图9，交直流变换器包括交直流变换电路和控制单元2，交直流变换电路为上述第四实施例中的交直流变换电路。

控制单元2包括驱动电路21、驱动电路22、驱动电路23、频率相位识别电路24、spwm调制器25、spwm调制器26、载波信号发生器27、移相电路28、控制调节器291、第一比较器、第二比较器、第一电流调节器293和第二电流调节器292，频率相位识别电路24用于接收交流电压采样信号vac，驱动电路21用于接收频率相位识别电路24输出的控制信号，驱动电路22对低频开关桥臂中第一开关管q2和第二开关管q2的进行驱动。

控制调节器291用于接收交流电压采样信号vac和直流电压采样信号vdc，第一比较器用于接收控制调节器291输出的交流电流参考信号iref和第一电感l21的电流采样信号il21，第二比较器用于接收控制调节器291输出的交流电流参考信号iref和第二电感l22的电流采样信号il22，载波信号发生器27用于输出载波信号，载波信号包括但不限于锯齿波和三角波，移相电路28用于接收载波信号并对载波信号进行移相。第一电流调节器293用于接收第一比较器输出的调节信号，第二电流调节器292用于接收第二比较器输出的调节信号。

控制调节器接收交流电压采样信号以及直流电压采样信号，根据控制目的的不同进行负反馈调节，输出相应的交流电流参考信号iref。所述不同控制目的包括但不限于稳定交流电压、稳定直流电压。

电流参考信号与第一交流滤波电感电流采样信号比较后经第一电流调节器进行负反馈控制，输出第一控制信号va1，电流参考信号与第二交流滤波电感电流采样信号比较后经第二电流调节器进行负反馈控制，输出第二控制信号va2。

spwm调制器25用于接收第一电流调节器293输出的控制信号va1和载波信号vtr1。spwm调制器26用于接收第二电流调节器292输出的控制信号va2和移相电路28输出的移相载波信号vtr2。

驱动电路22用于接收spwm调制器25输出的调制信号，驱动电路22对第一高频开关桥臂的第三开关管q3和第四开关管q4进行驱动，驱动电路23用于接收spwm调制器26输出的调制信号，驱动电路23对第二高频开关桥臂的第五开关管q5和第六开关管q5进行驱动。

交直流变换器第三实施例：

交直流变换器包括交直流变换电路和控制单元，交直流变换电路可采用上述实施例的中的交直流变换电路，控制单元用于执行存储器中存储的计算机程序时实现如上述控制方法的步骤。控制单元可以是中央处理单元(centralprocessingunit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。