单级隔离交错并联ACDC变换器和控制方法与流程

本发明涉及ac/dc变换器，尤其涉及一种三相单级隔离型交错并联acdc变换器和控制方法。

背景技术：

1、目前三相功率变换器主要采用两级结构，如汽车充电桩，前级采用维也纳pfc或六开关pfc等升压型(boost)拓扑实现功率因数校正，后级采用llc或全桥拓扑等实现dc/dc功率变换。三相ac/dc根据是否具有直流侧电感可以分为两大类：电流源型和电压源性ac/dc变换器；根据是否存在高频变压器tr又可以分为隔离型和非隔离型。

2、由三相桥式电路构成的非隔离三相电压源型ac/dc变换器，在整流工作时直流侧呈升压特性，三相380v交流电压经其变换后直流电压通常达600～800v，通常需要通过变压器tr或者在后级加dc/dc变换器进行降压后才能接到低压直流母线上。此外，电压源型ac/dc变换器的整流模式是升压(boost)类型，存在启动冲击问题，需要在功率传输路径中加入启动限流措施，影响变换器效率和功率密度，同时升压型电路在空载或轻载工作时，系统的闭环控制也存在较大的难度，难以兼顾控制的稳定性和快速动态响应特性。隔离型ac/dc变换器通常需要两级式结构，一种是在前级加入工频变压器tr，这会导致变换器整体体积重量大、成本高；另一种是在后级加入高频隔离dc/dc变换器，但是两级式功率变换对系统效率有很大的负面影响，并且现有的高频隔离dc/dc变换器宽电压变化范围条件下的特性较差，这种变换器难以适应宽输入输出电压变化的应用需求。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明提出一种单级隔离交错并联acdc变换器和控制方法。

2、本发明采用的技术方案是设计一种单级隔离交错并联acdc变换器，其包括ac整流器、直流母线、三次谐波注入电路、至少两个输出模块，以及控制器；所述各输出模块采用相同结构，皆包括交错导通开关组、全桥整流器和隔离变换整流器，各输出模块并联在所述直流母线与负载之间；其中所述ac整流器连接外部三相交流电源，将交流电转换为直流电；所述直流母线连接在ac整流器的输出端与各输出模块之间，以传递所述直流电；所述三次谐波注入电路连接在三相交流电源与各交错导通开关组之间，为所述三相交流电源中绝对值最小的相提供连接各交错导通开关组的电流路径；所述全桥整流器的两个输入端分别连接直流母线的正直流母线和负直流母线，所述全桥整流器有两个输出端：e端和f端，e端和f端连接隔离变换整流器，将直流电转化为脉动交流电输送给隔离变换整流器；所述交错导通开关组连接在三次谐波注入电路的y输出端与所述e端之间，各交错导通开关组之间设有交错相位差φ，各交错导通开关组交错导通，为各全桥整流器提供电流路径；所述隔离变换整流器包括谐振腔、变压器tr和输出整流器；所述谐振腔和变压器tr的初级绕组串联后连接所述全桥整流器的两个输出端，所述变压器tr的次级绕组连接所述输出整流器的输入端；所述输出整流器接收所述变压器tr的脉动交流电，将之整流后输送给负载；所述控制器对三次谐波注入电路、交错导通开关组和全波整流器中各开关实施控制，以实现软开关控制。

3、所述三次谐波注入电路包括a相开关组、b相开关组和c相开关组，所述a相开关组串接在交流a相与所述y输出端之间；所述b相开关组串接在交流b相与所述y输出端之间；所述c相开关组串接在交流c相与所述y输出端之间；所述a相开关组、b相开关组和c相开关组，采用相同结构，皆包括前开关管和后开关管，所述前开关管和后开关管反向对称串联。

4、所述直流母线包括正直流母线p和负直流母线n，所述交错导通开关组包括反向对称串联的前管和后管，所述前管连接y输出端，所述后管连接所述e端；所述全桥整流器包括连接在正直流母线p和负直流母线n之间的第一桥臂和第二桥臂；其中，所述第一桥臂包括串联的第一开关和第三开关，所述第一开关和第三开关的连接点为所述e端；所述第二桥臂包括串联的第二开关和第四开关，所述第二开关和第四开关的连接点为所述f端。

5、所述谐振腔包括谐振电感lr、谐振电容cr和变压器tr，所述谐振电感lr、谐振电容cr和变压器tr的初级绕组串联后连接所述全桥整流器的两个输出端，所述变压器tr的次级绕组连接所述输出整流器的输入端。

6、可选择的，所述输出整流器采用全桥整流结构，所述全桥整流器包括连接在输出整流器正极输出端和负极输出端之间的第三桥臂和第四桥臂；其中，所述第三桥臂包括串联的第一二极管和第三二极管，所述第四桥臂包括串联的第二二极管和第四二极管；所述第一二极管和第三二极管的连接点、以及第二二极管和第四二极管的连接点分别连接所述变压器tr的次级绕组的两端。

7、可选择的，所述输出整流器采用全桥整流结构，所述全桥整流器包括连接在输出整流器正极输出端和负极输出端之间的第三桥臂和第四桥臂；其中，所述第三桥臂包括串联的第十三开关和第十五开关，所述第四桥臂包括串联的第十四开关和第十六开关；所述第十三开关和第十五开关的连接点、以及第十四开关和第十六开关的连接点分别连接所述变压器tr的次级绕组的两端。

8、本发明还设计了一种单级隔离交错并联acdc变换器的控制方法，所述变换器采用上述的单级隔离交错并联acdc变换器，所述控制方法包括采集三相交流电源的电压电流参数，以a相电压由负变正过零电压的时刻为起点，将三相交流电源的一个工频周期等分为12个扇区；在每个扇区内检测出三相交流电源中绝对值最小相，将a相开关组、b相开关组和c相开关组中与所述绝对值最小相连接的那相关组持续导通、另两相关组持续截止。

9、所述第二开关和第四开关的控制信号的占空比为50％，并且进行180度互补调频控制；所述第一开关的控制信号的占空比为dp，并且进行调频、调占空比控制；所述第三开关的控制信号的占空比为dn，并且进行调频、调占空比控制。

10、在每个扇区内检测正直流母线p的电压vp和负直流母线n的电压vn；其中，所述各输出模块中的交错导通开关组根据电压vp和电压vn绝对值的数值大小交错导通，各交错导通开关组中的前管不同时导通，各交错导通开关组中的后管不同时导通。

11、所述输出模块包括第一输出模块和第二输出模块时，第一输出模块和第二输出模块中开关控制信号的交错相位差φ为π；并且：在所述电压vp的绝对值大于电压vn的绝对值的扇区内，第一输出模块中的第一开关的导通时段在其第四开关的导通时段内，第一输出模块中的第三开关的导通时段在其第二开关的导通时段内，第一输出模块中的交错导通开关组的导通时段在其第二开关的导通时段内；第二输出模块中的第三开关的导通时段在其第二开关的导通时段内，第二输出模块中的第一开关的导通时段在其第四开关的导通时段内，第二输出模块中的交错导通开关组的导通时段在其第二开关的导通时段内；在所述电压vp的绝对值不大于电压vn的绝对值的扇区内，第一输出模块中的第三开关的导通时段在其第二开关的导通时段内，第一输出模块中的第一开关的导通时段在其第四开关的导通时段内，第一输出模块中的交错导通开关组的导通时段在其第四开关的导通时段内；第二输出模块中的第一开关的导通时段在其第四开关的导通时段内，第三开关的导通时段在其第二开关的导通时段内，第二输出模块中的交错导通开关组的导通时段在其第四开关的导通时段内。

12、所述输出模块包括第一输出模块、第二输出模块和第三输出模块时，第一输出模块和第二输出模块中开关控制信号的交错相位差φ为2π/3，第二输出模块和第三输出模块中开关控制信号的交错相位差φ为2π/3；并且：在所述电压vp的绝对值大于电压vn的绝对值的扇区内，第一输出模块中的第一开关的导通时段在其第四开关的导通时段内，第一输出模块中的第三开关的导通时段在其第二开关的导通时段内，第一输出模块中的交错导通开关组的导通时段在其第二开关的导通时段内；第二输出模块中的第三开关的导通时段在其第二开关的导通时段内，第二输出模块中的第一开关的导通时段在其第四开关的导通时段内，第二输出模块中的交错导通开关组的导通时段在其第二开关的导通时段内；第三输出模块中的第一开关的导通时段在其第四开关的导通时段内，第三输出模块中的第三开关的导通时段在其第二开关的导通时段内，第三输出模块中的交错导通开关组的导通时段在其第二开关的导通时段内；在所述电压vp的绝对值不大于电压vn的绝对值的扇区内，第一输出模块中的第三开关的导通时段在其第二开关的导通时段内，第一输出模块中的第一开关的导通时段在其第四开关的导通时段内，第一输出模块中的交错导通开关组的导通时段在其第四开关的导通时段内；第二输出模块中的第一开关的导通时段在其第四开关的导通时段内，第三开关的导通时段在其第二开关的导通时段内，第二输出模块中的交错导通开关组的导通时段在其第四开关的导通时段内；第三输出模块中的第三开关的导通时段在其第二开关的导通时段内，第三输出模块中的第一开关的导通时段在其第四开关的导通时段内，第三输出模块中的交错导通开关组的导通时段在其第四开关的导通时段内。

13、所述控制器对全桥整流器中的第一桥臂和第二桥臂实施斩波控制，所述第四开关控制信号的下降沿与第一开关控制信号的下降沿存在第一相角差φ1，所述第三开关控制信号的下降沿与第二开关控制信号的下降沿存在第二相角差φ2。

14、所述控制器对输出整流器中的第三桥臂和第四桥臂实施斩波控制，所述第十六开关控制信号的下降沿与第十三开关控制信号的下降沿存在第三相角差φ3，所述第十五开关控制信号的下降沿与第十四开关控制信号的下降沿存在第四相角差φ4。

15、所述变换器上电后检测并联的输出模块的数量，先按公式φ＝2π/h计算各输出模块之间的交错相位差φ；公式中的φ为交错相位差φ，h为输出模块的数量，再将各输出模块并联运行。

16、所述变换器上电后人工设置需要工作的输出模块的数量；或自动检测负载功率，按负载功率计算需要工作的输出模块的数量。

17、所述变换器运行后，检测各输出模块输出电压、输出电流和输出功率，将所测得参数与额定输出电压、额定输出电流和额定输出功率进行比较，判定是否有故障的输出模块，如有故障的输出模块，则将故障的输出模块退出运行，并重新计算各输出模块之间的交错相位差φ，将剩下正常的输出模块并联运行。

18、本发明提供的技术方案的有益效果是：

19、本发明通过控制三次谐振注入器和交错导通开关组中开关管的时刻，实现全范围内的软开关控制，可实现更宽的输出电压范围和更高的输出功率，还可减小变换器的损耗，提高变换器整体效率和功率密度，降低材料成本，更符合当前对ac/dc电源设备的设计要求；本发明可将多个输出模块并联在一起，可以增加输出功率，提高对ac整流器、直流母线和三次谐波注入电路的利用率；此外还具有网侧电流正弦度好、网侧功率因数高、电能传输高效的优点。