三电平双向升降压ac/dc变换器及其控制方法
技术领域
[0001]
本发明属于变换器技术领域，具体涉及一种三电平双向升降压ac/dc变换器及其控制方法。
背景技术：[0002]
ac/dc双向变换器集成了ac-dc、dc-ac两类基本变换器，ac-dc变换器是将交流电变为直流电即整流器，dc-ac变换器则是将直流电转化成交流电即逆变器。
[0003]
常规的双向ac/dc变换器通常只基于buck电路、boost电路，因此只有升压或降压功能；而基于buck-boost电路的升降压ac/dc变换器通常具有开关管电压应力大、交流输入侧电流不连续等缺点，同时由于开关管高频开关动作，使得直流侧的负极性端与交流侧的参考地端会产生高频共模电压，从而产生较大的漏电流，这将降低逆变系统的安全性能和逆变效率，严重时甚至会危及到相关设备和人员的安全。因此设计一种开关管电压应力小、交流侧电流连续、共模电压可得到有效抑制的双向升降压ac/dc变换器是有十分必要的。
技术实现要素：[0004]
针对以上情况，本发明提供了一种三电平双向升降压ac/dc变换器，具有有效减小升降压电路开关管电压应力、实现交流侧电流连续、抑制高频共模电压和漏电流等优点。
[0005]
本发明采用的技术方案是，一种三电平双向升降压ac/dc变换器，其包括直流电源、交流电源、第一电感、第二电感、第一低频开关管、第二低频开关管、第一高频开关管、第二高频开关管、第三高频开关管、第四高频开关管、第五高频开关管、第六高频开关管、第七高频开关管、第八高频开关管、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一电压传感器、第二电压传感器、第三电压传感器、第一电流传感器、第二电流传感器和第三电流传感器，所述交流电源的l端分别与所述第一低频开关管的发射极、第一高频开关管的漏极和第一电压传感器的输入端连接，所述交流电源的n端分别与所述第二低频开关管的发射极、第二高频开关管的漏极和第一电压传感器的输出端连接；所述第一高频开关管的源极分别与所述第一电流传感器的输入端和第三高频开关管的漏极连接，所述第二高频开关管源极分别与所述第二电流传感器的输入端和第四高频开关管的漏极连接；所述第一电流传感器的输出端和所述第一电感的输出端连接，所述第二电流传感器的输出端和所述第二电感的输出端连接；所述第一电容的输入端分别与所述第一低频开关管的集电极、第二低频开关管的集电极和第二电压传感器的输入端连接，其输出端分别与所述第二电容的输入端、第三电容的输出端、第四电容的输入端、第二电压传感器的输出端和第三电压传感器的输入端连接；所述第二电容的输出端分别与所述第五高频开关管的源极、第六高频开关管的源极和第三电压传感器的输出端连接；所述第五高频开关管的漏极分别与所述第二电感的输入端和第八高频开关管的源极连接，所述第六高频开关管的漏极分别与所述第一电感的输入端和第七高频开关管的源极连接；所述直流电源正极与所述第三电流传感器的输出端连接，其负极分别与所述第三高频开关管的源极、第四高频开关管的源极和第四电容的输出端连
接；所述第三电流传感器的输入端分别与所述第七高频开关管的漏极、第八高频开关管的漏极和第三电容的输入端连接。
[0006]
可优选的是，所述第一电容与所述第二电容的电容值相同，所述第三电容与所述第四电容的电容值相同，所述第一电感与所述第二电感的电感值相等。
[0007]
可优选的是，所述第一低频开关管、第二低频开关管、第一高频开关管、第二高频开关管、第三高频开关管、第四高频开关管、第五高频开关管、第六高频开关管、第七高频开关管和第八高频开关管均为全控型器件。
[0008]
可优选的是，其还包括相应的控制方法，所述控制方法包括所述第一低频开关管和第二低频开关管进行高低电平调制，所述第一低频开关管的栅极输入第一低频开关管驱动信号，所述第二低频开关管的栅极输入第二低频开关管驱动信号；在所述交流电源的正半周期，所述第一低频开关管驱动信号为高电平，所述第二低频开关管驱动信号为低电平；在所述交流电源的负半周期，所述第一低频开关管驱动信号为低电平，所述第二低频开关管驱动信号为高电平。
[0009]
可优选的是，其还包括所述第一高频开关管、第二高频开关管、第三高频开关管、第四高频开关管、第五高频开关管、第六高频开关管、第七高频开关管和第八高频开关管进行pwm调制，所述第一高频开关管的栅极输入第一高频开关管驱动信号，所述第二高频开关管的栅极输入第二高频开关管驱动信号，所述第三高频开关管的栅极输入第三高频开关管驱动信号，所述第四高频开关管的栅极输入第四高频开关管驱动信号，所述第五高频开关管的栅极输入第五高频开关管驱动信号，所述第六高频开关管的栅极输入第六高频开关管驱动信号，所述第七高频开关管的栅极输入第七高频开关管驱动信号，所述第八高频开关管的栅极输入第八高频开关管驱动信号。
[0010]
可优选的是，当所述三电平双向升降压ac/dc变换器工作在整流模式，即能量从所述交流电源向所述直流电源传输时，在所述交流电源的正半周期，所述pwm调制依次执行第一工作模式、第二工作模式、第三工作模式和第四工作模式；在所述交流电源的负半周期，所述pwm调制依次执行第五工作模式、第六工作模式、第七工作模式和第八工作模式；所述第一工作模式包括所述第一高频开关管驱动信号、第二高频开关管驱动信号、第五高频开关管驱动信号和第六高频开关管驱动信号为高电平，所述第三高频开关管驱动信号、第四高频开关管驱动信号、第七高频开关管驱动信号和第八高频开关管驱动信号为低电平；所述第二工作模式包括所述第一高频开关管驱动信号、第二高频开关管驱动信号和第五高频开关管驱动信号为高电平，所述第三高频开关管驱动信号、第四高频开关管驱动信号、第六高频开关管驱动信号、第七高频开关管驱动信号和第八高频开关管驱动信号为低电平；所述第三工作模式包括所述第二高频开关管驱动信号、第五高频开关管驱动信号和第六高频开关管驱动信号为高电平，所述第一高频开关管驱动信号、第三高频开关管驱动信号、第四高频开关管驱动信号、第七高频开关管驱动信号和第八高频开关管驱动信号为低电平；所述第四工作模式包括所述第二高频开关管驱动信号和第五高频开关管驱动信号为高电平，所述第一高频开关管驱动信号、第三高频开关管驱动信号、第四高频开关管驱动信号、第六高频开关管驱动信号、第七高频开关管驱动信号和第八高频开关管驱动信号为低电平；所述第五工作模式包括所述第一高频开关管驱动信号、第二高频开关管驱动信号、第五高频开关管驱动信号、第六高频开关管驱动信号为高电平，所述第三高频开关管驱动信号、第四
高频开关管驱动信号、第七高频开关管驱动信号和第八高频开关管驱动信号为低电平；所述第六工作模式包括所述第一高频开关管驱动信号、第二高频开关管驱动信号、第六高频开关管驱动信号为高电平，所述第三高频开关管驱动信号、第四高频开关管驱动信号、第五高频开关管驱动信号、第七高频开关管驱动信号和第八高频开关管驱动信号为低电平；所述第七工作模式包括所述第一高频开关管驱动信号、第五高频开关管驱动信号、第六高频开关管驱动信号为高电平，所述第二高频开关管驱动信号、第三高频开关管驱动信号、第四高频开关管驱动信号、第七高频开关管驱动信号和第八高频开关管驱动信号为低电平；所述第八工作模式包括所述第一高频开关管驱动信号和第六高频开关管驱动信号为高电平，所述第二高频开关管驱动信号、第三高频开关管驱动信号、第四高频开关管驱动信号、第五高频开关管驱动信号、第七高频开关管驱动信号和第八高频开关管驱动信号为低电平。
[0011]
当所述三电平双向升降压ac/dc变换器工作在逆变模式，即能量从所述直流电源向所述交流电源传输时，在所述交流电源的正半周期，所述pwm调制依次执行第九工作模式、第十工作模式、第十一工作模式和第十二工作模式；在所述交流电源的负半周期，所述pwm调制依次执行第十三作模式、第十四工作模式、第十五工作模式和第十六工作模式；所述第九工作模式包括所述第二高频开关管驱动信号、第三高频开关管驱动信号、第五高频开关管驱动信号和第七高频开关管驱动信号为高电平，所述第一高频开关管驱动信号、第四高频开关管驱动信号、第六高频开关管驱动信号和第八高频开关管驱动信号为低电平；所述第十工作模式包括所述第二高频开关管驱动信号、第五高频开关管驱动信号和第七高频开关管驱动信号为高电平，所述第一高频开关管驱动信号、第三高频开关管驱动信号、第四高频开关管驱动信号、第六高频开关管驱动信号和第八高频开关管驱动信号为低电平；所述第十一工作模式包括所述第二高频开关管驱动信号、第三高频开关管驱动信号和第五高频开关管驱动信号为高电平，所述第一高频开关管驱动信号、第四高频开关管驱动信号、第六高频开关管驱动信号、第七高频开关管驱动信号和第八高频开关管驱动信号为低电平；所述第十二工作模式包括所述第二高频开关管驱动信号和第五高频开关管驱动信号为高电平，所述第一高频开关管驱动信号、第三高频开关管驱动信号、第四高频开关管驱动信号、第六高频开关管驱动信号、第七高频开关管驱动信号和第八高频开关管驱动信号为低电平；所述第十三工作模式包括所述第一高频开关管驱动信号、第四高频开关管驱动信号、第六高频开关管驱动信号和第八高频开关管驱动信号为高电平，所述第二高频开关管驱动信号、第三高频开关管驱动信号、第五高频开关管驱动信号和第七高频开关管驱动信号为低电平；所述第十四工作模式包括所述第一高频开关管驱动信号、第六高频开关管驱动信号和第八高频开关管驱动信号为高电平，所述第二高频开关管驱动信号、第三高频开关管驱动信号、第四高频开关管驱动信号、第五高频开关管驱动信号和第七高频开关管驱动信号为低电平；所述第十五工作模式包括所述第一高频开关管驱动信号、第四高频开关管驱动信号和第六高频开关管驱动信号为高电平，所述第二高频开关管驱动信号、第三高频开关管驱动信号、第五高频开关管驱动信号、第七高频开关管和第八高频开关管驱动信号为低电平；所述第十六工作模式包括所述第一高频开关管驱动信号和第六高频开关管驱动信号为高电平，所述第二高频开关管驱动信号、第三高频开关管驱动信号、第四高频开关管驱动信号、第五高频开关管驱动信号、第七高频开关管和第八高频开关管驱动信号为低电平。
[0012]
可优选的是，在所述第一工作模式、第二工作模式、第三工作模式、第四工作模式、
第五工作模式、第六工作模式、第七工作模式和第八工作模式下，所述pwm调制具体包括以下步骤：
[0013]
s11、双闭环控制获取整流模式网侧电流参考值。
[0014]
s111、给定所述直流电源的电源电流参考值与所述第三电流传感器的数值相减，并将得到的数值经第一比例积分控制器得到电流参考值；
[0015]
s112、将所述第一电压传感器采集到的与交流电源同频同相的单位正弦信号与电流参考值相乘，得到网侧电流参考值。
[0016]
s12、有源阻尼环节，获取第一占空比。
[0017]
s121、网侧电流参考值与网侧电流相减，经第二比例积分控制器得到第一电压参考值，其中在所述第一工作模式、第二工作模式、第三工作模式和第四工作模式下，网侧电流为所述第二电流传感器的数值；在所述第五工作模式、第六工作模式、第七工作模式和第八工作模式下，网侧电流为所述第一电流传感器的数值；
[0018]
s122、将所述第二电压传感器的数据与所述第三电压传感器的数据之和，与所述第一电压传感器的数据相减，得到第一电压比较结果；将所述第二电压传感器的数据与所述第三电压传感器的数据相减，得到第二电压比较结果；
[0019]
s123、将第一电压参考值与第一电压比较结果相减，得到第一占空比。
[0020]
s13、设定第一锯齿波为幅值为1且频率为1/t的信号，第二锯齿波为幅值为1、频率为1/t且相位滞后第一锯齿波180
°
的信号，平衡输入电容电压，获取第一驱动信号和第二驱动信号。
[0021]
s131、将第一占空比与第二电压比较结果相减，得到第二占空比；将第一占空比与第二电压比较结果相加，得到第三占空比
[0022]
s132、比较第二占空比与第一锯齿波，当第二占空比大于或等于第一锯齿波时，第一驱动信号为高电平；当第二占空比小于第一锯齿波时，第一驱动信号为低电平；
[0023]
s133、比较第三占空比与第二锯齿波，当第三占空比大于或等于第二锯齿波时，第二驱动信号为高电平，当第三占空比小于第二锯齿波时，第二驱动信号为低电平。
[0024]
s14、将第一驱动信号、第二驱动信号分别接通到相应位置。
[0025]
s141、所述交流电源电压为正时，第一驱动信号连接所述第一高频开关管的栅极，第二驱动信号连接所述第六高频开关管的栅极。此时所述第一低频开关管、第二高频开关管和第五高频开关管导通，所述第二低频开关管关断；
[0026]
s142、所述交流电源电压为负时，第一驱动信号连接所述第二高频开关管的栅极，第二驱动信连接所述第五高频开关管的栅极。此时所述第一低频开关管关断，所述第二低频开关管第一高频开关管和第六高频开关管导通。
[0027]
s15、检测交流电压，重复s11～s14操作，实现能量从交流侧到直流侧的传递。
[0028]
可优选的是，在所述第九工作模式、第十工作模式、第十一工作模式、第十二工作模式、第十三工作模式、第十四工作模式、第十五工作模式和第十六工作模式下，所述pwm调制具体包括以下步骤：
[0029]
s21、双闭环获取逆变模式升降压电感电流参考值：将给定网侧电流参考值与网侧单位正弦信号的乘积，与网侧电流相减，经第一比例谐振控制器后，与网侧单位正弦信号相乘得到升降压电感电流参考值。
[0030]
s22、平衡输出电容电压，获取第四占空比和第五占空比。
[0031]
s221、将升降压电感电流参考值与升降压电感电流相减，得到第二电压参考值，其中在所述第九工作模式、第十工作模式、第十一工作模式和第十二工作模式下，升降压电感电流为所述第一电流传感器的数值；在所述第十三工作模式、第十四工作模式、第十五工作模式和第十六工作模式下，升降压电感电流为所述第二电流传感器的数值；
[0032]
s222、将所述第二电压传感器的数据与所述第三电压传感器的数据相减，得到第二电压比较结果；将第二电压参考值与第二电压比较结果相加得到第四占空比，第二电压参考值与第二电压比较结果相减得到第五占空比。
[0033]
s23、获取第三驱动信号和第四驱动信号：
[0034]
s231、比较第四占空比与第一锯齿波，当第四占空比大于或等于第一锯齿波时，第三驱动信号为高电平；当第四占空比小于第一锯齿波时，第三驱动信号为低电平；
[0035]
s231、比较第五占空比与第二锯齿波，当第五占空比大于或等于第二锯齿波时，第四驱动信号为高电平；当第五占空比小于第二锯齿波时，第四驱动信号为低电平。
[0036]
s24、将第三驱动信号、第四驱动信号分别接通到相应位置。
[0037]
s241、所述交流电源的电压为正时，第三驱动信号连接所述第三高频开关管的栅极，第四驱动信号连接所述第七高频开关管的栅极。此时所述第一低频开关管、第二高频开关管和第五高频开关管导通，所述第二低频开关管关断；
[0038]
s242、所述交流电源的电压为负时，第三驱动信号连接所述第四高频开关管的栅极，第四驱动信号连接所述第八高频开关管的栅极。此时所述第一低频开关管关断，所述第二低频开关管、第一高频开关管和第六高频开关管导通。
[0039]
s25、检测交流电压，重复s21～s24操作，实现能量从直流侧到交流侧的传递。
[0040]
本发明的特点和有益效果是：
[0041]
1、本发明提供的三电平双向升降压ac/dc变换器，该双向ac/dc变换器的拓扑结构具有开关管电压应力小、交流侧电流连续等特点，能够有效抑制高频共模电压和漏电流，并且电感纹波电流小，有利于提升整体效率。
[0042]
2、本发明提供的三电平双向升降压ac/dc变换器，其三电平结构电路有利于缩小磁性元件体积，对提高系统功率密度有重要意义。
附图说明
[0043]
图1为本发明三电平双向升降压ac/dc变换器的整体拓扑结构示意图；
[0044]
图2为本发明的正向控制方法流程图；
[0045]
图3为本发明的反向控制方法流程图；
[0046]
图4为本发明的控制方法原理图；
[0047]
图5为本发明的整流模式下交流电源正半周期的工作过程示意图；
[0048]
图6为本发明的整流模式下交流电源负半周期的工作过程示意图；
[0049]
图7为本发明的逆变模式下交流电源正半周期的工作过程示意图；
[0050]
图8为本发明的逆变模式下交流电源负半周期的工作过程示意图；
[0051]
图9为本发明的驱动信号产生示意图；
[0052]
图10a为本发明的整流模式下驱动信号示意图；以及
[0053]
图10b为本发明的逆变模式下驱动信号示意图。
[0054]
图中：
[0055]
v
g-交流电源；v
dc-直流电源；l1-第一电感；l2-第二电感；s
l1-第一低频开关管；s
l2-第二低频开关管；s
1-第一高频开关管；s
2-第二高频开关管；s
3-第三高频开关管；s
4-第四高频开关管；s
5-第五高频开关管；s
6-第六高频开关管；s
7-第七高频开关管；s
8-第八高频开关管；c1-第一电容；c2-第二电容；c3-第三电容和c4-第四电容；vt1-第一电压传感器；vt2-第二电压传感器；-vt3第三电压传感器；ct1-第一电流传感器；ct2-第二电流传感器；ct3-第三电流传感器；cont1-第一驱动信号；cont2-第一驱动信号；cont3-第一驱动信号；cont4-第一驱动信号。
具体实施方式
[0056]
为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。
[0057]
本发明提供的三电平双向升降压ac/dc变换器，如图1所示，其包括直流电源v
dc
、交流电源v
g
、第一电感l1、第二电感l2、第一低频开关管s
l1
、第二低频开关管s
l2
、第一高频开关管s1、第二高频开关管s2、第三高频开关管s3、第四高频开关管s4、第五高频开关管s5、第六高频开关管s6、第七高频开关管s7、第八高频开关管s8、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c4、第一电压传感器vt1、第二电压传感器vt2、第三电压传感器vt3、第一电流传感器ct1、第二电流传感器ct2和第三电流传感器ct3，交流电源v
g
的l端分别与第一低频开关管s
l1
的发射极、第一高频开关管s1的漏极和第一电压传感器vt1的输入端连接，其n端分别与第二低频开关管s
l2
的发射极、第二高频开关管s2的漏极和第一电压传感器vt1的输出端连接；第一高频开关管s1的源极分别与第一电流传感器ct1的输入端和第三高频开关管s3的漏极连接，第二高频开关管s2的源极分别与第二电流传感器ct2的输入端和第四高频开关管s4的漏极连接；第一电流传感器ct1的输出端和第一电感l1的输出端连接，第二电流传感器ct2的输出端和第二电感l2的输出端连接；第一电容c1的输入端分别与第一低频开关管s
l1
的集电极、第二低频开关管s
l2
的集电极和第二电压传感器vt2的输入端连接，其输出端分别与第二电容c2的输入端、第三电容c3的输出端、第四电容c4的输入端、第二电压传感器vt2的输出端和第三电压传感器vt3的输入端连接；第二电容c2的输出端分别与第五高频开关管s5的源极、第六高频开关管s6的源极和第三电压传感器vt3的输出端连接；第五高频开关管s5的漏极分别与第二电感l2的输入端和第八高频开关管s8的源极连接，第六高频开关管s6的漏极分别与第一电感l1的输入端和第七高频开关管s7的源极连接；直流电源v
dc
的正极与第三电流传感器ct3的输出端连接，其负极分别与第三高频开关管s3的源极、第四高频开关管s4的源极和第四电容c4的输出端连接；第三电流传感器ct3的输入端分别与第七高频开关管s7的漏极、第八高频开关管s8的漏极和第三电容c3的输入端连接。
[0058]
本发明提供的三电平双向升降压ac/dc变换器电路拓扑中，第一电感l1、第二电感l2分别构成了升降压电感和网侧电感，使得电路具有升降压能力以及交流侧电流实现连续；从电路结构上看，交流电源电压高的一端总是通过第一电容c1或第二电容c2和直流侧正极相连，通过抑制第一电容c1、第二电容c2电压的高频量可以达到抑制漏电流的目的。
[0059]
常规基于buck-boost电路的ac/dc变换器开关管电压应力应为输入电压与输出电
压之和，本实施例基于三电平buck-boost变换器，因此第一高频开关管s1、第二高频开关管s2、第三高频开关管s3、第四高频开关管s4、第五高频开关管s5、第六高频开关管s6、第七高频开关管s7和第八高频开关管s8的最大电压应力为交流电源v
g
电压最大值与直流电源v
dc
电压之和的一半。
[0060]
为了系统稳定和电流分布均匀，选取电感时优选第一电感l1等于第二电感l2，选取电容时优选第一电容c1等于第二电容c2，第三电容c3等于第四电容c4，当然本发明不仅限于上述电感值和电容值，根据实际需要来定；第一低频开关管s
l1
和第二低频开关管s
l2
均为全控型器件，优选为igbt(insulated gate bipolar transistor，绝缘栅双极型晶体管)，第一高频开关管s1、第二高频开关管s2、第三高频开关管s3、第四高频开关管s4、第五高频开关管s5、第六高频开关管s6、第七高频开关管s7和第八高频开关管s8均为全控型器件，优选为mosfet(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，金氧半场效晶体管)。
[0061]
基于本发明提供的三电平双向升降压ac/dc变换器，提供相应的控制方法，控制方法包括第一低频开关管s
l1
和第二低频开关管s
l2
进行高低电平调制，第一低频开关管s
l1
的栅极输入第一低频开关管驱动信号q
l1
，第二低频开关管s
l2
的栅极输入第二低频开关管驱动信号q
l2
；在交流电源v
g
的正半周期，第一低频开关管驱动信号q
l1
为高电平，第二低频开关管驱动信号q
l2
为低电平；在交流电源v
g
的负半周期，第一低频开关管驱动信号q
l1
为低电平，第二低频开关管驱动信号q
l2
为高电平；同时，还包括第一高频开关管s1、第二高频开关管s2、第三高频开关管s3、第四高频开关管s4、第五高频开关管s5、第六高频开关管s6、第七高频开关管s7和第八高频开关管s8进行pwm调制，第一高频开关管s1的栅极输入第一高频开关管驱动信号q1，第二高频开关管s2的栅极输入第二高频开关管驱动信号q2，第三高频开关管s3的栅极输入第三高频开关管驱动信号q3，第四高频开关管s4的栅极输入第四高频开关管驱动信号q4，第五高频开关管s5的栅极输入第五高频开关管驱动信号q5，第六高频开关管s6的栅极输入第六高频开关管驱动信号q6，第七高频开关管s7的栅极输入第七高频开关管驱动信号q7，第八高频开关管s8的栅极输入第八高频开关管驱动信号q8。
[0062]
为了保证本发明提供的三电平双向升降压ac/dc变换器拓扑的双向升降压特性，需要同时保证工作时有两个高频开关管在高频开关动作、两个高频开关管持续导通。为此，本发明的三电平双向升降压ac/dc变换器在工作时pwm调制有十六种工作模式，分别如下：
[0063]
当三电平双向升降压ac/dc变换器工作在整流模式，即能量从交流电源v
g
向直流电源v
dc
传输时，在交流电源v
g
的正半周期，如图5所示，pwm调制依次执行第一工作模式m1、第二工作模式m2、第三工作模式m3和第四工作模式m4；在交流电源v
g
的负半周期，如图6所示，pwm调制依次执行第五工作模式m5、第六工作模式m6、第七工作模式m7和第八工作模式m8；第一工作模式m1包括第一高频开关管驱动信号q1、第二高频开关管驱动信号q2、第五高频开关管驱动信号q5和第六高频开关管驱动信号q6为高电平，第三高频开关管驱动信号q3、第四高频开关管驱动信号q4、第七高频开关管驱动信号q7和第八高频开关管驱动信号q8为低电平；第二工作模式m2包括第一高频开关管驱动信号q1、第二高频开关管驱动信号q2和第五高频开关管驱动信号q5为高电平，第三高频开关管驱动信号q3、第四高频开关管驱动信号q4、第六高频开关管驱动信号q6、第七高频开关管驱动信号q7和第八高频开关管驱动信号q8为低电平；第三工作模式m3包括第二高频开关管驱动信号q2、第五高频开关管驱动信号q5和
第六高频开关管驱动信号q6为高电平，第一高频开关管驱动信号q1、第三高频开关管驱动信号q3、第四高频开关管驱动信号q4、第七高频开关管驱动信号q7和第八高频开关管驱动信号q8为低电平；第四工作模式m4包括第二高频开关管驱动信号q2和第五高频开关管驱动信号q5为高电平，第一高频开关管驱动信号q1、第三高频开关管驱动信号q3、第四高频开关管驱动信号q4、第六高频开关管驱动信号q6、第七高频开关管驱动信号q7和第八高频开关管驱动信号q8为低电平；第五工作模式m5包括第一高频开关管驱动信号q1、第二高频开关管驱动信号q2、第五高频开关管驱动信号q5、第六高频开关管驱动信号q6为高电平，第三高频开关管驱动信号q3、第四高频开关管驱动信号q4、第七高频开关管驱动信号q7和第八高频开关管驱动信号q8为低电平；第六工作模式m6包括第一高频开关管驱动信号q1、第二高频开关管驱动信号q2、第六高频开关管驱动信号q6为高电平，第三高频开关管驱动信号q3、第四高频开关管驱动信号q4、第五高频开关管驱动信号q5、第七高频开关管驱动信号q7和第八高频开关管驱动信号q8为低电平；第七工作模式m7包括第一高频开关管驱动信号q1、第五高频开关管驱动信号q5、第六高频开关管驱动信号q6为高电平，第二高频开关管驱动信号q2、第三高频开关管驱动信号q3、第四高频开关管驱动信号q4、第七高频开关管驱动信号q7和第八高频开关管驱动信号q8为低电平；第八工作模式m8包括第一高频开关管驱动信号q1和第六高频开关管驱动信号q6为高电平，第二高频开关管驱动信号q2、第三高频开关管驱动信号q3、第四高频开关管驱动信号q4、第五高频开关管驱动信号q5、第七高频开关管驱动信号q7和第八高频开关管驱动信号q8为低电平。
[0064]
当三电平双向升降压ac/dc变换器工作在逆变模式，即能量从直流电源v
dc
向交流电源v
g
传输时，在交流电源v
g
的正半周期，如图7所示，pwm调制依次执行第九工作模式m9、第十工作模式m
10
、第十一工作模式m
11
和第十二工作模式m
12
；在交流电源v
g
的负半周期，如图8所示，pwm调制依次执行第十三作模式m
13
、第十四工作模式m
14
、第十五工作模式m
15
和第十六工作模式m
16
；第九工作模式m9包括第二高频开关管驱动信号q2、第三高频开关管驱动信号q3、第五高频开关管驱动信号q5和第七高频开关管驱动信号q7为高电平，第一高频开关管驱动信号q1、第四高频开关管驱动信号q4、第六高频开关管驱动信号q6和第八高频开关管驱动信号q8为低电平；第十工作模式m
10
包括第二高频开关管驱动信号q2、第五高频开关管驱动信号q5和第七高频开关管驱动信号q7为高电平，第一高频开关管驱动信号q1、第三高频开关管驱动信号q3、第四高频开关管驱动信号q4、第六高频开关管驱动信号q6和第八高频开关管驱动信号q8为低电平；第十一工作模式m
11
包括第二高频开关管驱动信号q2、第三高频开关管驱动信号q3和第五高频开关管驱动信号q5为高电平，第一高频开关管驱动信号q1、第四高频开关管驱动信号q4、第六高频开关管驱动信号q6、第七高频开关管驱动信号q7和第八高频开关管驱动信号q8为低电平；第十二工作模式m
12
包括第二高频开关管驱动信号q2和第五高频开关管驱动信号q5为高电平，第一高频开关管驱动信号q1、第三高频开关管驱动信号q3、第四高频开关管驱动信号q4、第六高频开关管驱动信号q6、第七高频开关管驱动信号q7和第八高频开关管驱动信号q8为低电平；第十三工作模式m
13
包括第一高频开关管驱动信号q1、第四高频开关管驱动信号q4、第六高频开关管驱动信号q6和第八高频开关管驱动信号q8为高电平，第二高频开关管驱动信号q2、第三高频开关管驱动信号q3、第五高频开关管驱动信号q5和第七高频开关管驱动信号q7为低电平；第十四工作模式m
14
包括第一高频开关管驱动信号q1、第六高频开关管驱动信号q6和第八高频开关管驱动信号q8为高电平，第二高频开关
管驱动信号q2、第三高频开关管驱动信号q3、第四高频开关管驱动信号q4、第五高频开关管驱动信号q5和第七高频开关管驱动信号q7为低电平；第十五工作模式m
15
包括第一高频开关管驱动信号q1、第四高频开关管驱动信号q4和第六高频开关管驱动信号q6为高电平，第二高频开关管驱动信号q2、第三高频开关管驱动信号q3、第五高频开关管驱动信号q5、第七高频开关管q7和第八高频开关管驱动信号q8为低电平；第十六工作模式m
16
包括第一高频开关管驱动信号q1和第六高频开关管驱动信号q6为高电平，第二高频开关管驱动信号q2、第三高频开关管驱动信号q3、第四高频开关管驱动信号q4、第五高频开关管驱动信号q5、第七高频开关管驱动信号q7和第八高频开关管驱动信号q8为低电平。
[0065]
如图2所示，当三电平双向升降压ac/dc变换器工作在整流模式时，即在第一工作模式m1、第二工作模式m2、第三工作模式m3、第四工作模式m4、第五工作模式m5、第六工作模式m6、第七工作模式m7和第八工作模式m8下，pwm调制具体包括以下步骤：
[0066]
s11、双闭环控制获取整流模式网侧电流参考值i
g
*。
[0067]
s111、给定直流电源v
dc
的电源电流参考值i*与第三电流传感器ct3的数值相减，并将得到的数值经第一比例积分控制器得到电流参考值i*；
[0068]
s112、将第一电压传感器ct1采集到的与交流电源v
g
同频同相的单位正弦信号与电流参考值i*相乘，得到网侧电流参考值i
g
*。
[0069]
s12、有源阻尼环节，获取第一占空比d1、第二占空比d2和第三占空比d3。
[0070]
s121、网侧电流参考值i
g
*与网侧电流i
g
相减，经第二比例积分控制器得到第一电压参考值u
ref1
，其中在第一工作模式、第二工作模式、第三工作模式和第四工作模式下，网侧电流i
g
为第二电流传感器ct2的数值；在第五工作模式、第六工作模式、第七工作模式和第八工作模式下，网侧电流i
g
为第一电流传感器ct1的数值；
[0071]
s122、将第二电压传感器vt2的数据与第三电压传感器vt3的数据之和，与第一电压传感器vt1的数据相减，得到第一电压比较结果δv1；将第二电压传感器vt2的数据与第三电压传感器vt3的数据相减，得到第二电压比较结果δv2；
[0072]
s123、将第一电压参考值u
ref1
与第一电压比较结果δv1相减，得到第一占空比d1。
[0073]
s13、如图9所示，设定第一锯齿波为幅值为1且频率为1/t的信号，第二锯齿波为幅值为1、频率为1/t且相位滞后第一锯齿波180
°
的信号，平衡输入电容电压，获取第一驱动信号cont1和第二驱动信号cont2。
[0074]
s131、将第一占空比d1与第二电压比较结果δv2相减，得到第二占空比d2；将第一占空比d1与第二电压比较结果δv2相加，得到第三占空比d3；
[0075]
s132、比较第二占空比d2与第一锯齿波，当第二占空比d2大于或等于第一锯齿波时，第一驱动信号cont1为高电平；当第二占空比小于第一锯齿波时，第一驱动信号cont1为低电平；
[0076]
s133、比较第三占空比d3与第二锯齿波，当第三占空比d3大于或等于第二锯齿波时，第二驱动信号cont2为高电平，当第三占空比d3小于第二锯齿波时，第二驱动信号cont2为低电平。
[0077]
s14、如图10a所示，将第一驱动信号cont1、第二驱动信号cont2分别接通到相应位置。
[0078]
s141、交流电源v
g
电压为正时，第一驱动信号cont1连接第一高频开关管s1的栅极，
第二驱动信号cont2连接第六高频开关管s6的栅极。此时第一低频开关管s
l1
、第二高频开关管s2和第五高频开关管s5导通，第二低频开关管s
l2
关断；
[0079]
s142、交流电源v
g
电压为负时，第一驱动信号cont1连接第二高频开关管s2的栅极，第二驱动信号cont2连接第五高频开关管s5的栅极。此时第一低频开关管s
l1
关断，第二低频开关管s
l2
、第一高频开关管s1和第六高频开关管s6导通。
[0080]
如图4所示，正向整流工作时，生成的第一驱动信号cont1和第二驱动信号cont2先经过取反操作，再各自分别与第一低频开关管驱动信号q
l1
和第二低频开关管驱动信号q
l2
进行与非门运算，生成的四路信号为该模式下第一低频开关管s
l1
、第二低频开关管s
l2
、第一高频开关管s1和第六高频开关管s6共四个动作开关管的信号。
[0081]
s15、检测交流电压，重复s11～s16操作，实现能量从交流侧到直流侧的传递。
[0082]
综上，在第一工作模式m1、第二工作模式m2、第三工作模式m3和第四工作模式m4下，第二高频开关管驱动信号q2和第五高频开关管驱动信号q5恒为高电平，第一高频开关管驱动信号q1等于第一驱动信号cont1，第六高频开关管驱动信号q6等于第二驱动信号cont2；在第五工作模式m5、第六工作模式m6、第七工作模式m7和第八工作模式m8下，第一高频开关管驱动信号q1、第六高频开关管驱动信号q6恒为高电平，第二高频开关管驱动信号q2等于第一驱动信号cont1，第五高频开关管驱动信号q5等于第二驱动信号cont2。因此，前八种工作模式同时保证了工作时有两个高频开关管在高频开关动作、两个高频开关管持续导通，从而保证了本发明提供的三电平双向升降压ac/dc变换器拓扑的双向升降压特性。
[0083]
如图3所示，当三电平双向升降压ac/dc变换器工作在逆变模式时，即在第九工作模式m9、第十工作模式m
10
、第十一工作模式m
11
、第十二工作模式m
12
、第十三工作模式m
13
、第十四工作模式m
14
、第十五工作模式m
15
和第十六工作模式m
16
下，pwm调制具体包括以下步骤：
[0084]
s21、双闭环获取逆变模式升降压电感电流参考值i
b
*：将给定网侧电流参考值i
g
*与网侧单位正弦信号的乘积，与网侧电流i
g
相减，经第一比例谐振控制器后，与网侧单位正弦信号相乘得到升降压电感电流参考值i
b
*。
[0085]
s22、平衡输出电容电压，获取第四占空比d4和第五占空比d5。
[0086]
s221、将升降压电感电流参考值i
b
*与升降压电感电流i
b
相减，得到第二电压参考值u
ref2
，其中在第九工作模式m9、第十工作模式m
10
、第十一工作模式m
11
和第十二工作模式m
12
下，升降压电感电流i
b
为第一电流传感器ct1的数值；在第十三工作模式m
13
、第十四工作模式m
14
、第十五工作模式m
15
和第十六工作模式m
16
下，升降压电感电流i
b
为第二电流传感器ct2的数值；
[0087]
s222、将第二电压传感器vt2的数据与第三电压传感器vt3的数据相减，得到第二电压比较结果δv2；将第二电压参考值u
ref2
与第二电压比较结果δv2相加得到第四占空比d4，第二电压参考值u
ref2
与第二电压比较结果δv2相减得到第五占空比d5。
[0088]
s23、如图9所示，设定第一锯齿波为幅值为1且频率为1/t的信号，第二锯齿波为幅值为1、频率为1/t且相位滞后第一锯齿波180
°
的信号，获取第三驱动信号cont3和第四驱动信号cont4：
[0089]
s231、比较第四占空比d4与第一锯齿波，当第四占空比d4大于或等于第一锯齿波时，第三驱动信号cont3为高电平；当第四占空比d4小于第一锯齿波时，第三驱动信号cont3为低电平；
[0090]
s231、比较第五占空比d5与第二锯齿波，当第五占空比d5大于或等于第二锯齿波时，第四驱动信号cont4为高电平；当第五占空比d5小于第二锯齿波时，第四驱动信号cont4为低电平。
[0091]
s24、如图10b所示，将第三驱动信号cont3、第四驱动信号cont4分别接通到相应位置。
[0092]
s241、交流电源v
g
电压为正时，第三驱动信号cont3连接第三高频开关管s3的栅极，第四驱动信号cont4连接第七高频开关管s7的栅极。此时第一低频开关管s
l1
、第二高频开关管s2和第五高频开关管s5导通，第二低频开关管s
l2
关断；
[0093]
s242、交流电源v
g
电压为负时，第三驱动信号cont3连接第四高频开关管s4的栅极，第四驱动信号cont4连接第八高频开关管s8的栅极。此时第一低频开关管s
l1
关断，第二低频开关管s
l2
、第一高频开关管s1和第六高频开关管s6导通。
[0094]
如图4所示，反向逆变工作时，生成的第三驱动信号cont3和第四驱动信号cont4驱动信号，分别与第一低频开关管驱动信号q
l1
和第二低频开关管驱动信号q
l2
与运算，生成的第一低频开关管s
l1
、第二低频开关管s
l2
、第一高频开关管s1和第六高频开关管s6共四个动作开关管的四组信号共同构成了逆变模式下驱动信号。
[0095]
s25、检测交流电压，重复s21～s26操作，实现能量从直流侧到交流侧的传递。
[0096]
综上，在第九工作模式m9、第十工作模式m
10
、第十一工作模式m
11
和第十二工作模式m
12
下，第二高频开关管驱动信号q2、第五高频开关管驱动信号q5恒为高电平，第三高频开关管驱动信号q3等于第三驱动信号cont3，第七高频开关管驱动信号q7等于第四驱动信号cont4；在第十三工作模式m
13
、第十四工作模式m
14
、第十五工作模式m
15
和第十六工作模式m
16
下，第一高频开关管驱动信号q1、第六高频开关管驱动信号q6恒为高电平，第四高频开关管驱动信号q4等于第三驱动信号cont3，第八高频开关管驱动信号q8等于第四驱动信号cont4。因此，后八种工作模式也同时保证了工作时有两个高频开关管在高频开关动作、两个高频开关管持续导通，从而保证了本发明提供的三电平双向升降压ac/dc变换器拓扑的双向升降压特性。
[0097]
下面以三电平双向升降压ac/dc变换器的直流输出参考电流i*＝1a和交流输出参考电流i
g
*＝1a分别进行示例性说明。
[0098]
直流输出模式，给定交流电源电压为220v、频率50hz、直流电源电压400v、参考电流i*＝1a，电流传感器ct3采集当前电流i
g
相减后，经过pi控制器形成电流外环，电流外环输出电压乘以与当前电网的同频同相的单位正弦信号，得到电网电流参考值i
g
*；与当前电网电流值i
g
相减后，再经过pi控制器形成电流内环，输出电压参考值与第一电压比较结果δv1相减形成有源阻尼，用以抑制第一电压比较结果δv1，从而抑制漏电流；随后第一占空比d1分别与第二电压比较结果δv2相加得到第二占空比d2、相减得到第三占空比d3，用以平衡输入电容电压；最后对第一占空比d1、第二占空比d2分别进行调制，得到第一驱动信号cont1和第二驱动信号cont2，此时输出直流电流可以稳定在1a，交流输入波形正弦度可以满足国标要求，功率因数大于0.99。
[0099]
交流输出模式，给定交流电源电压为220v、频率50hz、直流电源电压400v、交流输入电流参考值i
g
*＝1a，首先电流参考值i
g
*乘以与当前电网的同频同相的单位正弦信号，再与电网电流值i
g
相减，经过pr控制器后乘以前述单位正弦信号得到升降压电感电流参考值
i
b
*，形成电流外环；然后与升降压电感电流i
b
相减，经过pi控制器后得到第二电压参考值u
ref2
，形成电流内环；此数值分别与δv2相加得到第四占空比d4、相减得到第五占空比d5；最后对第四占空比d4、第五占空比d5分别进行调制，得到第三驱动信号cont3和第四驱动信号cont4，此时输出交流电流峰值可以稳定在1a，交流输出波形正弦度可以满足国标要求。
[0100]
本发明提供的三电平双向升降压ac/dc变换器，采用8个高频开关管和2个低频开关管，其拓扑结构具有开关管电压应力小、交流侧电流连续等特点，能够有效抑制高频共模电压和漏电流，并且电感纹波电流小，有利于提升整体效率；其三电平结构电路有利于缩小磁性元件体积，对提高系统功率密度有重要意义。
[0101]
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。