功率变换装置及其控制方法、电源设备与流程

本技术涉及电路，尤其涉及一种功率变换装置及其控制方法、电源设备。

背景技术：

1、三相逆变器常采用两电平三相桥臂结合平衡桥臂的拓扑来实现带不平衡负载。三相负载不平衡会导致三相电流不均衡，而且，每相桥臂都可能输出大电流。故，三相电流还存在着随机性。所以，三相桥臂需要按照输出电流的最高要求来设计，以避免器件过电流。然而，电流有热效应，会产生热量，在设计三相逆变器时，三相桥臂还需要同时具备高要求的散热能力，而这显然会增加成本。

技术实现思路

1、有鉴于此，本技术提供一种功率变换装置及其控制方法、电源设备，可以在三相负载不平衡时切换工作模式，使得拓扑结构发生调整，从而可以降低单个开关器件的损耗，减少产热，进而可以达到降低散热设计要求，降低成本的目的。

2、第一方面，本技术提供一种功率变换装置，包括电容单元、正负直流母线、第一桥臂单元、第二桥臂单元和控制器。其中，电容单元连接于正负直流母线之间，电容单元包括串联连接的正母线电容和负母线电容，正母线电容和负母线电容的连接端与中性线连接。第一桥臂单元包括多个第一桥臂，每个第一桥臂连接于正负直流母线之间，每个第一桥臂的中点与三相相线中的对应一相相线连接。第二桥臂单元包括至少一个切换开关和至少一个第二桥臂，每个第二桥臂通过至少一个切换开关连接于对应的第一桥臂的中点与中性线之间。控制器用于响应于三相交流电流均衡，控制功率变换装置处于第一工作模式，其中在第一工作模式下，第二桥臂与每个第一桥臂的中点之间的至少一个切换开关处于关断状态，使得每一个第一桥臂直接作为一相桥臂，故，每一个第一桥臂输出n电平。控制器还用于响应于三相交流电流不均衡，控制功率变换装置处于第二工作模式，其中在第二工作模式下，第二桥臂与用于输出最大的一相交流电流的第一桥臂的中点之间的至少一个切换开关处于导通状态，使得用于输出最大的一相交流电流的一个第一桥臂与相连的第二桥臂共同构成一相桥臂，故，用于输出最大的一相交流电流的第一桥臂输出m电平，其中，m和n为正整数，m大于n。

3、可以理解，三相负载平衡(也可以说，三相负载对称，相同)时，三相交流电流均衡(也可以说，相等)。相反地，三相负载不平衡(也可以说，三相负载不对称，不相同)时，三相交流电流不均衡(也可以说，不相等)，会出现部分相的交流电流最大的情况。而电流大，意味着产热多，进而对散热要求高，即，需布设的散热结构多，故成本高。因此，本技术功率变换装置在三相交流电流不均衡时，切换成第二工作模式，使得用于输出最大一相交流电流的一相桥臂的拓扑结构发生调整，包含有更多开关管。因此，同一相桥臂中开关管的组合方式(或者说开关模态)可以更多，使得一相桥臂可以产生更多种相电平，也即可以为更多电平的拓扑结构。而更多电平的拓扑结构中，单个开关管的导通时长可以缩短，通断频次可以减少。因此，基于这样的设计，本技术功率变换装置可以减小用于输出最大一相交流电流的第一桥臂中单个开关管的损耗，进而可以降低散热要求，降低成本。

4、在一种可能的设计中，第一桥臂的数量为三个，第二桥臂的数量为一个，第二桥臂通过三个切换开关一一连接三个第一桥臂的中点。因此，第二桥臂共用，可以连接至任意一个输出最大一相交流电流的第一桥臂。基于这样的设计，在功率变换装置处于第二工作模式时，控制器可用于控制与用于输出最大的一相交流电流的一个第一桥臂相连的一个切换开关导通，控制其他切换开关关断。如此，第二工作模式下，用于输出最大的一相交流电流的一个第一桥臂与第二桥臂可以连通，从而共同构成更多电平拓扑结构，其他两个第一桥臂未改变拓扑结构。进而，三个第一桥臂和一个第二桥臂可以共同进行功率变换。

5、在一种可能的设计中，第一桥臂的数量为三个，第二桥臂的数量为两个。其中一个第二桥臂通过两个切换开关一一连接三个第一桥臂中两个第一桥臂的中点。因此，其中一个第二桥臂共用，可以连接至两个中的任意一个第一桥臂。另一个第二桥臂通过一个切换开关连接三个第一桥臂中一个第一桥臂的中点。基于这样的设计，在功率变换装置处于第二工作模式时，控制器可用于控制控制与用于输出三相中较大的两相交流电流的两个第一桥臂相连的两个切换开关导通，控制与用于输出最小的一相交流电流的一个第一桥臂相连的一个切换开关关断。如此，第二工作模式下，用于输出最大的一相交流电流的一个第一桥臂与其中一个第二桥臂可以连通，从而共同构成更多电平拓扑结构，另一个第一桥臂与另一个第二桥臂也可以共同构成更多电平拓扑结构，用于输出最小的一相交流电流的一个第一桥臂未改变拓扑结构。进而，三个第一桥臂和两个第二桥臂可以共同进行功率变换。

6、在一种可能的设计中，第一桥臂和第二桥臂的数量均为三个，每个第二桥臂通过一个切换开关连接三个第一桥臂中一个第一桥臂的中点。基于这样的设计，在功率变换装置处于第二工作模式时，控制器可用于控制三个切换开关导通。如此，第二工作模式下，三个第一桥臂均与对应的一个第二桥臂可以连通，从而共同构成更多电平拓扑结构。进而，三个第一桥臂和三个第二桥臂可以共同进行功率变换。

7、在一种可能的设计中，每个第二桥臂包括反向串联的两个开关管，反向串联的两个开关管的一端通过至少一个切换开关连接对应的第一桥臂的中点，反向串联的两个开关管的另一端与中性线相连接。在功率变换装置处于第二工作模式时，控制器可用于控制与导通的切换开关相连的每个第二桥臂中至少一个开关管导通(即有多种通断状态：其中一个开关管导通，或者另一个开关管导通，或者两个开关管均导通)。由于每种通断状态下，第一桥臂的中点产生对应一种相电平，因此，基于这样的设计，可使得与第二桥臂相连的第一桥臂的中点输出多种相电平。

8、在一种可能的设计中，第一桥臂的数量为三个，第二桥臂的数量为一个，第二桥臂包括串联的两个开关管和串联的两个二极管，串联的两个开关管的其中一端连接三个第一桥臂的中点，串联的两个开关管的另一端通过三个切换开关一一连接三个第一桥臂的中点，串联的两个开关管的中点通过另外的三个切换开关一一连接三个第一桥臂的中点，串联的两个开关管与串联的两个二极管并联，串联的两个二极管的中点与中性线连接。第二桥臂单元还包括六个连接开关，每两个连接开关串联连接，且设于对应一个第一桥臂的中点处，每两个串联的连接开关之间的连接端与对应一相相线连接，每两个串联的连接开关的两端与第二桥臂中串联的两个开关管的两端一一连接。基于这样的设计，在功率变换装置处于第一工作模式时，控制器可用于控制全部连接开关导通，且控制全部切换开关关断。如此，三个第一桥臂均与第二桥臂不连通。进而，三个第一桥臂进行功率变换，第二桥臂不参与功率变换。相反地，在功率变换装置处于第二工作模式时，控制器可用于控制全部连接开关关断，且控制用于输出最大的一相交流电流的一个第一桥臂中点处的两个切换开关导通，控制其他切换开关关断，以及控制第二桥臂中至少一个开关管导通。如此，用于输出最大的一相交流电流的一个第一桥臂与一个第二桥臂可以连通，从而共同构成更多电平拓扑结构。进而，三个第一桥臂和一个第二桥臂可以共同进行功率变换。

9、在一种可能的设计中，在功率变换装置处于第一工作模式时，控制器可用于控制全部切换开关关断。也就是说，第一工作模式下，三个第一桥臂未改变拓扑结构。进而，三个第一桥臂进行功率变换，第二桥臂未参与功率变换。

10、在一种可能的设计中，每个第一桥臂包括串联的上开关管和下开关管。基于这样的设计，在功率变换装置处于第一工作模式时，控制器用于控制三个第一桥臂中的上开关管和下开关管交替导通(即有两种通断状态：上开关管导通，或者下开关管导通)。在功率变换装置处于第二工作模式时，控制器用于控制三个第一桥臂中的上开关管和下开关管中的至多一个导通(即有多种通断状态：上开关管导通，或者下开关管导通，或者上下开关管均关断)。可见，第一桥臂在第二工作模式下有更多种的通断状态，因此，可以输出更多电平。

11、第二方面，本技术还提供一种功率变换装置的控制方法，包括：响应于三相交流电流均衡，控制功率变换装置处于第一工作模式，其中在第一工作模式下，第二桥臂与每个第一桥臂的中点之间的至少一个切换开关处于关断状态，使得多个第一桥臂输出n电平。响应于三相交流电流不均衡，控制功率变换装置处于第二工作模式，其中在第二工作模式下，第二桥臂与用于输出最大的一相交流电流的第一桥臂的中点之间的至少一个切换开关处于导通状态，使得用于输出最大的一相交流电流的第一桥臂输出m电平，其中，m和n为正整数，m大于n。

12、在一种可能的设计中，当第一桥臂的数量为三个，第二桥臂的数量为一个，第二桥臂通过三个切换开关一一连接三个第一桥臂的中点时，控制功率变换装置处于第二工作模式的过程包括：控制与用于输出最大的一相交流电流的一个第一桥臂相连的一个切换开关导通，控制其他切换开关关断。

13、在一种可能的设计中，当第一桥臂的数量为三个，第二桥臂的数量为两个，其中一个第二桥臂通过两个切换开关一一连接三个第一桥臂中两个第一桥臂的中点，另一个第二桥臂通过一个切换开关连接三个第一桥臂中一个第一桥臂的中点时，控制功率变换装置处于第二工作模式的过程包括：控制与用于输出三相中较大的两相交流电流的两个第一桥臂相连的两个切换导通，控制与用于输出最小的一相交流电流的一个第一桥臂相连的一个切换开关关断。

14、在一种可能的设计中，当第一桥臂和第二桥臂的数量均为三个，每个第二桥臂通过一个切换开关连接三个第一桥臂中一个第一桥臂的中点时，控制功率变换装置处于第二工作模式的过程包括：控制三个切换开关导通。

15、在一种可能的设计中，在每个第二桥臂包括反向串联的两个开关管，反向串联的两个开关管的一端通过至少一个切换开关连接对应的第一桥臂的中点，反向串联的两个开关管的另一端与中性线相连接时，控制功率变换装置处于第二工作模式的过程包括：控制与导通的切换开关相连的每个第二桥臂中至少一个开关管导通。

16、在一种可能的设计中，当第一桥臂的数量为三个，第二桥臂的数量为一个，其中第二桥臂包括串联的两个开关管和串联的两个二极管，串联的两个开关管的其中一端连接三个第一桥臂的中点，串联的两个开关管的另一端通过三个切换开关一一连接三个第一桥臂的中点，串联的两个开关管的中点通过另外的三个切换开关一一连接三个第一桥臂的中点，串联的两个开关管与串联的两个二极管并联，串联的两个二极管的中点与中性线连接。并且，第二桥臂单元还包括六个连接开关，每两个连接开关串联连接，且设于对应一个第一桥臂的中点处，每两个串联的连接开关之间的连接端与对应一相相线连接，每两个串联的连接开关的两端与第二桥臂中串联的两个开关管的两端一一连接时，控制功率变换装置处于第一工作模式的过程包括：控制全部连接开关导通，且控制全部切换开关关断。控制功率变换装置处于第二工作模式的过程包括：控制全部连接开关关断，且控制用于输出最大的一相交流电流的一个第一桥臂中点处的两个切换开关导通，控制其他切换开关关断，以及控制第二桥臂中至少一个开关管导通。

17、在一种可能的设计中，控制功率变换装置处于第一工作模式的过程包括：控制全部切换开关关断。

18、在一种可能的设计中，当每个第一桥臂包括串联的上开关管和下开关管时，控制功率变换装置处于第一工作模式的过程包括：控制三个第一桥臂中的上开关管和下开关管交替导通。控制功率变换装置处于第二工作模式的过程包括：控制三个第一桥臂中的上开关管和下开关管中的至多一个导通。

19、第三方面，本技术还提供一种电源设备，包括上述第一方面或第一方面的任一种可能实现方式所述的功率变换装置。

20、另外，第二方面至第三方面中任一种可能的实现方式所带来的技术效果可参见第一方面中不同实现方式所带来的技术效果，此处不再赘述。