AC-AC非隔离双向单级变换器及其控制方法与流程

本发明涉及一种ac-ac非隔离双向单级变换器及其控制方法，是一种电能高效开关变换技术，属于电力电子/新能源领域。

背景技术：

1、ac-ac非隔离变换器，应用于交流稳压/调压场景，可在交流电网电压大幅波动的情况下，为电器提供稳定的交流电源，或者由公共交流电源为负载提供不同的交流电压。当负载为感性或容性时，变换器应该满足电流滞后或超前的要求；当连接有源负载时，变换器还能够实现电能双向流动。

2、目前，符合上述要求的ac-ac非隔离变换器，有两条技术路线，即工频自耦变压器路线和高频开关变换器路线。后者分为两类技术方案，一类是ac-dc-ac的两级电路，第一级pwm整流先将交流变换成直流，第二级spwm逆变再将直流变换成交流。另一类是在六种基本的非隔离直流变换器的基础上，将单向开关器件(开关管和二极管)换成由两个开关管反向串联的“双向电子开关”，衍生出六种非隔离交流变换器。

3、上述技术都可以实现双向交流变换，但是每种技术方案都有缺点和不足之处。

4、工频自耦变压器的缺点是，重量和体积大，使用铜材和硅钢较多，动态响应速度慢。ac-dc-ac两级电路的缺点是，对于双全桥方案则开关器件较多(八个开关管)，对于双半桥方案则开关器件(四个开关管)的电压应力加倍，pwm整流和spwm逆变的控制复杂，而且两级功率变换使得效率降低。

5、衍生的六种非隔离交流变换器的共同缺点是，四个开关管的驱动不方便。还有，buck型只能实现降压功能，boost型只能实现升压功能；buck-boost型和cuk型、zeta型、sepic型虽然能够实现升压和降压功能，但是开关器件的电压电流应力较高，为输入电压和输出电压之和。zeta型的输入侧电流脉动大，sepic型的输出侧电流脉动大，buck-boost型的输入和输出侧电流脉动都大，只有cuk型的输入和输出侧电流脉动都较小；但是cuk型和buck-boost型的输出电压和输入电压是反相的。另外，cuk型、zeta型和sepic型都是通过隔直电容传递电能，用于大功率变换时有所限制。

6、鉴于上述现有技术的缺点和不足，开发一种优秀的ac-ac非隔离双向变换器，在当前是一个重要的技术需求。

7、上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不表示上述都是现有技术。

技术实现思路

1、本发明的目的是，克服上述现有技术的缺点和不足，提出一种ac-ac非隔离双向单级变换器及其控制方法。该变换器是一种非隔离双向变换电路，能够实现升压和降压变换，输入/输出电流脉动都较小，并且输入/输出电压同相；该变换器是一种桥式单级变换拓扑，由一级功率变换即可完成交流电能双向传输，开关器件的电压和电流应力均较低，而且便于采用成熟的半桥驱动技术。该变换器采用单桥臂互补pwm方式控制，利用简易的交流换相，控制规律与buck型和boost型直流变换器的类似。

2、本发明的技术方案如下。

3、一种单相ac-ac非隔离双向单级变换器，包括滤波电感l1、l2，滤波电容c1、c2，母线电容cd和变换桥。变换桥包含开关管q1、q2、q3、q4和电子开关s1、s2。开关管q1、q2、q3、q4采用但不限于igbt或者mosfet，电子开关s1、s2采用但不限于mosfet或者igbt或者双向晶闸管。该变换器具有两个交流端口u1和u2，分别称作第一交流端口和第二交流端口；任何一个交流端口作为输入则另一个交流端口作为输出。

4、所述单相ac-ac非隔离双向单级变换器的连接方式为：

5、变换桥为三桥臂桥式拓扑，开关管q1、q2、q3、q4构成两个高频变换桥臂，电子开关s1、s2构成一个低频切换桥臂。开关管q1的发射极与开关管q2的集电极相连作为节点v1，开关管q3的发射极与开关管q4的集电极相连作为节点v2；电子开关s1的源极与电子开关s2的漏极相连作为节点vn。开关管q1和q3的集电极与电子开关s1的漏极相连作为节点vd，开关管q2和q4的发射极与电子开关s2的源极相连作为节点gnd。母线电容cd的两端分别连接节点vd和节点gnd。

6、变换桥的节点v1连接滤波电感l1的一端，滤波电感l1另一端连接滤波电容c1的一端而作为第一交流端口u1的一个交流端，滤波电容c1另一端连接变换桥的节点vn而作为第一交流端口u1的另一个交流端。

7、变换桥的节点v2连接滤波电感l2的一端，滤波电感l2另一端连接滤波电容c2的一端而作为第二交流端口u2的一个交流端，滤波电容c2另一端连接变换桥的节点vn而作为第二交流端口u2的另一个交流端。

8、若交流电源从第一交流端口u1输入，则第二交流端口u2输出的交流电压供给负载；若交流电源从第二交流端口u2输入，则第一交流端口u1输出的交流电压供给负载。

9、所述单相ac-ac非隔离双向单级变换器的控制方法，分为三种模式，即同步降压模式、同步升压模式和通路模式。

10、同步降压模式，第一交流端口u1的交流电压高于第二交流端口u2的交流电压。开关管q1、q2构成的桥臂与电子开关s1、s2构成的桥臂以交流电压的频率同步低频切换，开关管q3、q4构成的桥臂以互补pwm方式高频变换。

11、所谓互补pwm方式是指，在忽略开关切换死区时间的情况下，桥臂中两个开关管的导通占空比之和等于1。

12、当第一交流端口u1的交流电压在正半周，即连接滤波电感l1端的电压高于连接节点vn端的电压时，开关管q2和电子开关s1关断，开关管q1和电子开关s2导通，开关管q3、q4高频变换，第二交流端口u2的电压与开关管q3的导通占空比成正比。

13、当第一交流端口u1的交流电压在负半周，即连接滤波电感l1端的电压低于连接节点vn端的电压时，开关管q1和电子开关s2关断，开关管q2和电子开关s1导通，开关管q3、q4高频变换，第二交流端口u2的电压与开关管q4的导通占空比成正比。

14、同步升压模式，第一交流端口u1的交流电压低于第二交流端口u2的交流电压。开关管q3、q4构成的桥臂与电子开关s1、s2构成的桥臂以交流电压的频率同步低频切换，开关管q1、q2构成的桥臂以互补pwm方式高频变换。

15、当第一交流端口u1的交流电压在正半周，即连接滤波电感l1端的电压高于连接节点vn端的电压时，开关管q4和电子开关s1关断，开关管q3和电子开关s2导通，开关管q1、q2高频变换，第二交流端口u2的电压与开关管q1的导通占空比成反比。

16、当第一交流端口u1的交流电压在负半周，即连接滤波电感l1端的电压低于连接节点vn端的电压时，开关管q3和电子开关s2关断，开关管q4和电子开关s1导通，开关管q1、q2高频变换，第二交流端口u2的电压与开关管q2的导通占空比成反比。

17、通路模式，第一交流端口u1的交流电压等于第二交流端口u2的交流电压。开关管q1、q2、q3、q4构成的桥臂和电子开关s1、s2构成的桥臂以交流电压的频率同步低频切换，或者开关管q1、q2、q3、q4构成的桥臂以交流电压的频率同步低频切换，而电子开关s1和s2一直关断。

18、当第一交流端口u1的交流电压在正半周，即连接滤波电感l1端的电压高于连接节点vn端的电压时，开关管q2、q4和电子开关s1关断，开关管q1、q3导通而电子开关s2导通或者关断。当第一交流端口u1的交流电压在负半周，即连接滤波电感l1端的电压低于连接节点vn端的电压时，开关管q1、q3和电子开关s2关断，开关管q2、q4导通而电子开关s1导通或者关断。在此通路模式下，若电子开关s1和s2一直关断，则可简化控制，但是母线电容cd不再参与滤波。

19、若只需要降压变换且电能单向流动，则为了简化电路降低成本，提出一种衍生电路。当第一交流端口u1作为输入而第二交流端口u2作为降压输出时，用二极管d1、d2替换开关管q1、q2；当第二交流端口u2作为输入而第一交流端口u1作为降压输出时，用二极管d1、d2替换开关管q3、q4。替换规则为，二极管的阳极和阴极分别对应开关管的发射极和集电极。

20、由三个相同的所述单相ac-ac非隔离双向单级变换器，能够组成三相ac-ac非隔离双向单级变换器。

21、由所述ac-ac非隔离双向单级变换器，能够设计单相或三相交流稳压/调压器。

22、本发明与现有技术相比具有如下优越性。

23、1)本发明为三桥臂双向单级变换拓扑，一级功率变换即可完成电能双向传输；

24、2)本发明拓扑精简，只有六个开关器件，且电压应力较低，为交流电压峰值；

25、3)本发明具有升压和降压功能，且输入/输出电压同相；

26、4)本发明没有隔直电容，并且输入/输出电流脉动都较小；

27、5)本发明采用单桥臂互补pwm方式控制，便于利用成熟的半桥驱动技术；

28、6)本发明的变换器，成本低、效率高、可靠性强。