一种I型三电平电路的控制方法及装置与流程

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种I型三电平电路的控制方法及装置。

背景技术：

目前，各种I型电平电路凭借其高效的优点已经在很多领域得到了广泛应用。图1所示即为一种常见的I型三电平电路，包括开关管S1、S2、S3和S4、钳位二极管Dc1和Dc2、电感L、母线电容Co+和Co-；二极管D1、D2、D3和D4分别为开关管S1、S2、S3和S4的体二极管或者外置的反并联二极管，电容Coss1、Coss2、Coss 3和Coss 4分别为开关管S1、S2、S3和S4的等效结电容；电容Cdc1和Cdc2分别为钳位二极管D1和D2的等效结电容；其中：

开关管S1、S2、S3和S4顺次相连构成高频桥臂，母线电容Co+和Co-串联后并联于该高频桥臂的两端，该高频桥臂的两端即为该I型三电平电路的直流接线端；该高频桥臂的中点即开关管S2和S3的接线节点连接电感L的一端，该电感L的另一端即为该I型三电平电路的交流接线端；开关管S1和S2的接线节点通过串联的钳位二极管Dc1和Dc2连接开关管S3和S4的接线节点；钳位二极管Dc1和Dc2的接线节点、母线电容Co+和Co-的接线节点相连后接地。

具体的，开关管S1、S2、S3和S4可以为MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应管)，如图2所示；开关管S1、S2、S3和S4也可以为IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)等可控开关管，在此不再图示说明。

图1所示的I型三电平电路，在交流接线端电压U_N的正半周，开关管S1为续流开关管，开关管S2处于导通状态，开关管S3为主开关管，开关管S4 处于关断状态；在交流接线端电压U_N的负半周，开关管S1处于关断状态，开关管S2为主开关管，开关管S3处于导通状态，开关管S4为续流开关管。

现有技术中，I型三电平电路较为常用的控制方法为电感电流连续导通模式控制，如CRM(Critical Conduction Mode，临界导电模式)控制等。然而这种控制方法不能实现高频桥臂开关管的零电压开通，造成电路损耗较大。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种I型三电平电路的控制方法及装置，用以解决现有技术中存在的高频桥臂开关管无法实现零电压开通的问题。

本发明实施例提供了一种I型三电平电路的控制方法，包括：

针对I型三电平电路中每个处于工作状态的高频桥臂连接的电感，检测该电感电流；

在I型三电平电路的交流接线端电压的正半周，当该电感连接的高频桥臂上的续流开关管处于导通状态、主开关管处于关断状态时，若检测到该电感电流未达到预设负向电流，则控制该处于导通状态的续流开关管继续处于导通状态、该处于关断状态的主开关管继续处于关断状态；若检测到该电感电流达到预设负向电流，则控制该处于导通状态的续流开关管关断、该处于关断状态的主开关管导通。

可选的，在控制该处于导通状态的续流开关管继续处于导通状态、该处于关断状态的主开关管继续处于关断状态之前，还包括：

确定I型三电平电路的交流接线端电压的瞬时值大于等于直流接线端电压的一半。

本发明实施例提供了一种I型三电平电路的控制方法，包括：

针对I型三电平电路中每个处于工作状态的高频桥臂连接的电感，检测该电感电流；

在I型三电平电路的交流接线端电压的负半周，当该电感连接的高频桥臂 上的续流开关管处于导通状态、主开关管处于关断状态时，若检测到该电感电流未达到预设正向电流，则控制该处于导通状态的续流开关管继续处于导通状态、该处于关断状态的主开关管继续处于关断状态；若检测到该电感电流达到预设正向电流，则控制该处于导通状态的续流开关管关断、该处于关断状态的主开关管导通。

可选的，在控制该处于导通状态的续流开关管继续处于导通状态、该处于关断状态的主开关管继续处于关断状态之前，还包括：

确定I型三电平电路的交流接线端电压的瞬时值大于等于直流接线端电压的一半。

本发明实施例还提供了一种I型三电平电路的控制装置，包括：

检测单元，用于针对I型三电平电路中每个处于工作状态的高频桥臂连接的电感，检测该电感电流；

控制单元，用于在I型三电平电路的交流接线端电压的正半周，当该电感连接的高频桥臂上的续流开关管处于导通状态、主开关管处于关断状态时，若检测到该电感电流未达到预设负向电流，则控制该处于导通状态的续流开关管继续处于导通状态、该处于关断状态的主开关管继续处于关断状态；若检测到该电感电流达到预设负向电流，则控制该处于导通状态的续流开关管关断、该处于关断状态的主开关管导通。

可选的，所述控制单元，还用于在控制该处于导通状态的续流开关管继续处于导通状态、该处于关断状态的主开关管继续处于关断状态之前，确定I型三电平电路的交流接线端电压的瞬时值大于等于直流接线端电压的一半。

本发明实施例还提供了一种I型三电平电路的控制装置，包括：

检测单元，用于针对I型三电平电路中每个处于工作状态的高频桥臂连接的电感，检测该电感电流；

控制单元，用于在I型三电平电路的交流接线端电压的负半周，当该电感连接的高频桥臂上的续流开关管处于导通状态、主开关管处于关断状态时，若 检测到该电感电流未达到预设正向电流，则控制该处于导通状态的续流开关管继续处于导通状态、该处于关断状态的主开关管继续处于关断状态；若检测到该电感电流达到预设正向电流，则控制该处于导通状态的续流开关管关断、该处于关断状态的主开关管导通。

可选的，所述控制单元，还用于在控制该处于导通状态的续流开关管继续处于导通状态、该处于关断状态的主开关管继续处于关断状态之前，确定I型三电平电路的交流接线端电压的瞬时值大于等于直流接线端电压的一半。

本发明实施例提供的方案中，在高频桥臂上的续流开关管处于导通状态、主开关处于关断状态时，控制该续流开关管和该主开关管保持当前状态直到该高频桥臂连接的电感的电流反向，才控制该续流开关管关断、该主开关管导通，由于该反向电流的存在，可以实现主开关管和续流开关管的零电压开通，即实现了高频桥臂开关管的零电压开通。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为I型三电平电路的结构示意图之一；

图2为I型三电平电路的结构示意图之二；

图3为本发明实施例提供的I型三电平电路的控制方法的流程示意图之一；

图4为本发明实施例提供的I型三电平电路的控制方法的流程示意图之二；

图5为本发明实施例提供的I型三电平电路中高频桥臂开关管的驱动信号示意图；

图6(a)为本发明实施例提供的I型三电平电路的工作状态示意图之一；

图6(b)为本发明实施例提供的I型三电平电路的工作状态示意图之二；

图6(c)为本发明实施例提供的I型三电平电路的工作状态示意图之三；

图6(d)为本发明实施例提供的I型三电平电路的工作状态示意图之四；

图6(e)为本发明实施例提供的I型三电平电路的工作状态示意图之五；

图6(f)为本发明实施例提供的I型三电平电路的工作状态示意图之六；

图7为I型三电平电路的结构示意图之三；

图8为I型三电平电路的结构示意图之四；

图9为I型三电平电路的结构示意图之五；

图10为I型三电平电路的结构示意图之六；

图11为I型三电平电路的结构示意图之七；

图12为I型三电平电路的结构示意图之八；

图13为I型三电平电路的结构示意图之九；

图14为I型三电平电路的结构示意图之十；

图15为I型三电平电路的结构示意图之十一；

图16为I型三电平电路的结构示意图之十二；

图17为I型三电平电路的结构示意图之十三；

图18为本发明实施例提供的I型三电平电路的控制装置的结构示意图之一；

图19为本发明实施例提供的I型三电平电路的控制装置的结构示意图之二；

图20为本发明实施例提供的I型三电平电路的控制装置的应用示意图。

具体实施方式

为了给出I型三电平电路中高频桥臂开关管零电压开通的实现方案，本发明实施例提供了一种I型三电平电路的控制方法及装置，结合说明书附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。并且在不冲突的情况下，本申请中的实 施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明实施例提供了一种I型三电平电路的控制方法，如图3所示，可以包括如下步骤：

步骤301、针对I型三电平电路中每个处于工作状态的高频桥臂连接的电感，检测该电感电流；

步骤302、在I型三电平电路的交流接线端电压的正半周，当该电感连接的高频桥臂上的续流开关管处于导通状态、主开关管处于关断状态时，若检测到该电感电流未达到预设负向电流，则控制该处于导通状态的续流开关管继续处于导通状态、该处于关断状态的主开关管继续处于关断状态；若检测到该电感电流达到预设负向电流，则控制该处于导通状态的续流开关管关断、该处于关断状态的主开关管导通。

即延长续流开关管的导通时间，使I型三电平电路中出现一个反向电流，在I型三电平电路的交流接线端电压的正半周，该反向电流为一个负向电流；由于该负向电流的存在，在I型三电平电路的交流接线端电压的正半周可以实现高频桥臂开关管的零电压开通。

由于现有技术中，I型三电平电路较为常用的电感电流连续导通模式控制，如CRM(Critical Conduction Mode，临界导电模式)控制，在I型三电平电路的交流接线端电压的瞬时值小于直流接线端电压的一半时，是能够实现高频桥臂开关管零电压开通的，是在I型三电平电路的交流接线端电压的瞬时值大于等于直流接线端电压的一半时，不能够实现高频桥臂开关管零电压开通。

因此，可以在I型三电平电路的交流接线端电压的瞬时值大于等于直流接线端电压的一半时，才采用本发明实施例提供的控制方法；在I型三电平电路的交流接线端电压的瞬时值小于直流接线端电压的一半时，仍采用现有技术的控制方法。

即步骤302中，在控制该处于导通状态的续流开关管继续处于导通状态、该处于关断状态的主开关管继续处于关断状态之前，还包括：确定I型三电平 电路的交流接线端电压的瞬时值大于等于直流接线端电压的一半。

相应的，本发明实施例还提供了一种I型三电平电路的控制方法，如图4所示，可以包括如下步骤：

步骤401、针对I型三电平电路中每个处于工作状态的高频桥臂连接的电感，检测该电感电流；

步骤402、在I型三电平电路的交流接线端电压的负半周，当该电感连接的高频桥臂上的续流开关管处于导通状态、主开关管处于关断状态时，若检测到该电感电流未达到预设正向电流，则控制该处于导通状态的续流开关管继续处于导通状态、该处于关断状态的主开关管继续处于关断状态；若检测到该电感电流达到预设正向电流，则控制该处于导通状态的续流开关管关断、该处于关断状态的主开关管导通。

即延长续流开关管的导通时间，使I型三电平电路中出现一个反向电流，在I型三电平电路的交流接线端电压的负半周，该反向电流为一个正向电流；由于该正向电流的存在，在I型三电平电路的交流接线端电压的负半周可以实现高频桥臂开关管的零电压开通。

可选的，在控制该处于导通状态的续流开关管继续处于导通状态、该处于关断状态的主开关管继续处于关断状态之前，还包括：确定I型三电平电路的交流接线端电压的瞬时值大于等于直流接线端电压的一半。

当然，在I型三电平电路的交流接线端电压的瞬时值小于直流接线端电压的一半时，也可以采用本发明实施例提供的控制方法。

即在I型三电平电路的交流接线端电压的瞬时值大于等于直流接线端电压的一半时，需要反向电流才能够实现高频桥臂开关管的零电压开通；在I型三电平电路的交流接线端电压的瞬时值小于直流接线端电压的一半时，反向电流可有可无，均可实现高频桥臂开关管的零电压开通。

本发明实施例提供的控制方法中，上述步骤301、步骤401检测电感电流，可以直接采样电感电流，也可以采样开关管电流，通过计算得到电感电流。

本发明实施例提供的控制方法，可以但不限于应用于图1、图2所示的I型三电平电路。下面就以图2所示的I型三电平电路为例，对采用本发明实施例提供的控制方法的I型三电平电路的工作状态进行说明。

在图2所示的I型三电平电路的交流接线端电压U_N的正半周，开关管S1为续流开关管，开关管S2处于导通状态，开关管S3为主开关管，开关管S4处于关断状态。考虑到死区时间，开关管S1的驱动信号Vgs1、开关管S2的驱动信号Vgs2、开关管S3的驱动信号Vgs3和开关管S4的驱动信号Vgs4如图5所示，IL为开关管S1、S2、S3和S4构成的高频桥臂连接的电感L的电流，IRMAX为预设负向电流，t0～t5时段为一个开关周期。

t0～t1时段，主开关管S3处于导通状态，续流开关管S1处于关断状态，图2所示I型三电平电路的工作状态如图6(a)所示，负向的电感电流逐渐减小到0，电感电流方向由负向转变为正向，且正向的电感电流逐渐增大。

t1～t2时段，主开关管S3和续流开关管S1均处于关断状态，该时段为主开关管S3和续流开关管S1互补导通的死区时间T_XZ1，图2所示I型三电平电路的工作状态如图6(b)所示，续流开关管S1的等效结电容Coss1放电，主开关管S3的等效结电容Coss3、钳位二极管Dc1的等效结电容Cdc1充电，正向的电感电流逐渐减小。

t2～t3时段，主开关管S3处于关断状态，续流开关管S1处于导通状态，图2所示I型三电平电路的工作状态如图6(c)所示，正向的电感电流逐渐减小到0。

显然，t2时刻续流开关管S1的开通为零电压开通。

t3～t4时段，主开关管S3继续处于关断状态，续流开关管S1继续处于导通状态，图2所示I型三电平电路的工作状态如图6(d)所示，电感电流的方向由正向转变为负向，且负向的电感电流逐渐增大，达到预设负向电流IRMAX。

t4～t5时段，主开关管S3和续流开关管S1均处于关断状态，该时段包括 两个子时段：

第一个子时段为主开关管S3和续流开关管S1互补导通的死区时间T_XZ2，此时，图2所示I型三电平电路的工作状态如图6(e)所示，续流开关管S1的等效结电容Coss1、钳位二极管Dc2的等效结电容Cdc2充电，主开关管S3的等效结电容Coss3放电；

第二个子时段为反向时间T_F，此时，图2所示I型三电平电路的工作状态如图6(f)所示，负向的电感电流逐渐减小。

显然，t0时刻主开关管S3的开通为零电压开通。

具体的，t4～t5时段中的反向时间T_F可以基于下述公式确定：

其中，U_O为图2所示I型三电平电路的直流接线端电压。

即t4～t5时段的长度可确定，各时段中，还需要确定t0～t1时段、t2～t3时段以及t3～t4时段的长度。开关周期已知时，若确定了t0～t1时段和t3～t4时段的长度，则可确定出t2～t3时段的长度。

t0～t1时段和t3～t4时段的长度有无数组合；t0～t1时段的长度越短，t3～t4时段的长度越长，电感电流越小，使得电感损耗越小；t0～t1时段的长度越长，t3～t4时段的长度越短，主开关管S3的关断电流越小，使得主开关管S3的关断损耗越小。所以实际实施时，可以根据具体应用场景的要求来确定t0～t1时段和t3～t4时段的长度。

通过上述电路工作状态的描述可见，在图2所示的I型三电平电路的交流接线端电压U_N的正半周，采用本发明实施例提供的控制方法，能够实现主开关管S3的零电压开通，消除续流开关管S1对应的二极管D1的反向恢复损耗，同时能够实现续流开关管S1的零电压开通和近似零电流关断。

在图2所示的I型三电平电路的交流接线端电压U_N的负半周，开关管S1处于关断状态，开关管S2为主开关管，开关管S3处于导通状态，开关管S4为续流开关管。电路的工作状态与交流接线端电压U_N的正半周类似，在此不 再详述。

在图2所示的I型三电平电路的交流接线端电压U_N的负半周，采用本发明实施例提供的控制方法，能够实现主开关管S2的零电压开通，消除续流开关管S4对应的二极管D4的反向恢复损耗，同时能够实现续流开关管S4的零电压开通和近似零电流关断。

可见，采用本发明实施例提供的I型三电平电路的控制方法，在高频桥臂上的续流开关管处于导通状态、主开关处于关断状态时，控制该续流开关管和该主开关管保持当前状态直到该高频桥臂连接的电感的电流反向，才控制该续流开关管关断、该主开关管导通，由于该反向电流的存在，实现了高频桥臂开关管的零电压开通，减小了电路损耗，提高了电路效率。

图7-图9所示的I型三电平电路为图2所示I型三电平电路的变型电路，本发明实施例提供的控制方法，也可以应用于图7-图9所示的I型三电平电路。

本发明实施例提供的控制方法，还可以应用于图10、图11所示的交错并联I型三电平电路。

图10、图11所示的交错并联I型三电平电路相比于图1、图2、图7-图9所示的I型三电平电路，可以减小电路的输入电流纹波，同时改善电路的THDi(Total Harmonic Distributuion，总谐波含量)和PF(Power Factor，功率因数)。为了保证各电感电流的平均分配，在控制中可以增加均流控制环。

本发明实施例提供的控制方法，还可以应用于图12-图15所示的多态开关I型三电平电路，

图12-图15所示的多态开关I型三电平电路中采用耦合电感或者电压器进行自动均流，相比于图10、图11所示的交错并联I型三电平电路，具有交错并联I型三电平电路的优点，并且不存在交错并联I型三电平电路不均流的问题。

上述图1、图2、图7-图15中的I型三电平电路均为单相I型三电平电路，本发明实施例提供的控制方法也可以应用于各种三相I型三电平电路，例如图 16所示的三相I型三电平电路。

上述图1、图2、图7-图16中的I型三电平电路均为I型三电平整流电路，本发明实施例提供的控制方法也可以应用于各种I型三电平逆变电路，例如图17所示的I型三电平逆变电路。

当然本发明实施例提供的控制方法也可以应用于其它I型三电平电路中，在此不再举例。

基于同一发明构思，根据本发明上述实施例提供的I型三电平电路的控制方法，相应地，本发明实施例还提供一种I型三电平电路的控制装置，如图18所示，包括：

检测单元1801，用于针对I型三电平电路中每个处于工作状态的高频桥臂连接的电感，检测该电感电流；

控制单元1802，用于在I型三电平电路的交流接线端电压的正半周，当该电感连接的高频桥臂上的续流开关管处于导通状态、主开关管处于关断状态时，若检测到该电感电流未达到预设负向电流，则控制该处于导通状态的续流开关管继续处于导通状态、该处于关断状态的主开关管继续处于关断状态；若检测到该电感电流达到预设负向电流，则控制该处于导通状态的续流开关管关断、该处于关断状态的主开关管导通。

可选的，控制单元1802，还用于在控制该处于导通状态的续流开关管继续处于导通状态、该处于关断状态的主开关管继续处于关断状态之前，确定I型三电平电路的交流接线端电压的瞬时值大于等于直流接线端电压的一半。

基于同一发明构思，根据本发明上述实施例提供的I型三电平电路的控制方法，相应地，本发明实施例还提供一种I型三电平电路的控制装置，如图19所示，包括：

检测单元1901，用于针对I型三电平电路中每个处于工作状态的高频桥臂连接的电感，检测该电感电流；

控制单元1902，用于在I型三电平电路的交流接线端电压的负半周，当该 电感连接的高频桥臂上的续流开关管处于导通状态、主开关管处于关断状态时，若检测到该电感电流未达到预设正向电流，则控制该处于导通状态的续流开关管继续处于导通状态、该处于关断状态的主开关管继续处于关断状态；若检测到该电感电流达到预设正向电流，则控制该处于导通状态的续流开关管关断、该处于关断状态的主开关管导通。

可选的，控制单元1902，还用于在控制该处于导通状态的续流开关管继续处于导通状态、该处于关断状态的主开关管继续处于关断状态之前，确定I型三电平电路的交流接线端电压的瞬时值大于等于直流接线端电压的一半。

各单元的具体功能可以参见前述I型三电平电路的控制方法实施例，在此不再详述。

进一步的，图18所示控制装置功能和图19所示控制装置功能可以由同一个控制装置实现。

此时，图18中检测单元1801功能和图19中检测单元1901功能由同一个检测单元实现，图18中控制单元1802功能和图19中控制单元1902功能由同一个控制单元实现。

本发明实施例提供的控制装置，可以应用于图2所示的I型三电平电路，如图20所示；也可以应用于图7-图17等I型三电平电路，在此不再图示说明。

实际实施时，图18-图20中控制单元可以通过DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理器)、CPLD(Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器)/FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)、开关管驱动电路的联合工作实现。当控制算法比较简单时，也可以不使用CPLD/FPGA。

即控制单元的具体实现方式，可以根据实际应用场景进行具体确定，本发明对此不做具体限定。

综上所述，采用本发明实施例提供的I型三电平电路的控制方案，在I型三电平电路的交流接线端电压的正半周，高频桥臂上的续流开关管处于导通 状态、主开关处于关断状态时，控制该续流开关管和该主开关管保持当前状态直到该高频桥臂连接的电感的电流反向，电感电流达到预设负向电流时，才控制该续流开关管关断、该主开关管导通；在I型三电平电路的交流接线端电压的负半周，高频桥臂上的续流开关管处于导通状态、主开关处于关断状态时，控制该续流开关管和该主开关管保持当前状态直到该高频桥臂连接的电感的电流反向，电感电流达到预设正向电流时，才控制该续流开关管关断、该主开关管导通；由于反向电流的存在，实现了高频桥臂开关管的零电压开通，减小了电路损耗，提高了电路效率。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处 理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。