一种三相三电平Buck型AC‑AC变换器及其控制方法

摘要

本发明涉及三相三电平Buck型AC‑AC变换器，包括相连接的三相三电平变换单元和三相输出滤波器，三相三电平变换单元与三相交流输入电源连接，三相输出滤波器与三相交流负载连接。其中第一组开关管S1、S'1，第四组开关管S4、S'4，第一飞跨电容Cfly1，第一输出滤波电感Lf1，第一输出滤波电容Cf1为第一相A相电路；第二组开关管S2、S'2，第五组开关管S5、S'5，第二飞跨电容Cfly2，第二输出滤波电感Lf2，第二输出滤波电容Cf2为第二相B相电路；第三组开关管S3、S'3，第六组开关管S6、S'6，第三飞跨电容Cfly3，第三输出滤波电感Lf3，第三输出滤波电容Cf3为第三相C相电路。

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子变换技术，特别涉及一种三相三电平Buck型AC-AC变换器及其控制方法。

背景技术

AC-AC变换技术是将一种交流电能转换为另一种交流电能的技术。

三电平AC-AC变换器主要包括矩阵式三电平AC-AC变换器、交-直-交三电平AC-AC变换器和脉宽调制三电平AC-AC变换器三种结构。迄今为止，国内外研究人员对于矩阵式三电平AC-AC变换器和交-直-交三电平AC-AC变换器已进行了相对详细和充分的研究。对于脉宽调制三电平AC-AC变换器主要集中在单相三电平AC-AC变换器的研究。

而对于三相三电平变换器的研究则主要集中于三相三电平整流器和三相三电平逆变器的研究，缺少对三相三电平降压式AC-AC变换器的研究。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种具有简洁拓扑结构、输出电压波形质量好、输出滤波器体积重量小的三相三电平Buck型AC-AC变换器及其控制方法，将原有稳定或不稳定的三相高压交流电，降压输出成稳定或可调的三相交流输出电压，是单级AC-AC功率变换的电路结构。

本发明的三相三电平Buck型AC-AC变换器，包括相连接的三相三电平变换单元和三相输出滤波器，其中

-所述三相三电平变换单元与三相交流输入电源连接，用于将输入电压在其输出侧转变为0、1/2、1倍输入电压三种电平，包括第一组开关管S₁、S'₁、第二组开关管S₂、S'₂、第三组开关管S₃、S'₃、第四组开关管S₄、S'₄、第五组开关管S₅、S'₅、第六组开关管S₆、S'₆、第一飞跨电容C_fly1、第二飞跨电容C_fly2、第三飞跨电容C_fly3；

-所述三相输出滤波器用于滤除所述三相三电平变换单元的输出电压中的高次谐波，与三相交流负载连接，包括第一输出滤波电感L_f1、第一输出滤波电容C_f1、第二输出滤波电感L_f2、第二输出滤波电容C_f2、第三输出滤波电感L_f3和第三输出滤波电容C_f3；

所述第一组开关管S₁、S'₁、第二组开关管S₂、S'₂、第三组开关管S₃、S'₃的一端分别与所述三相交流输入电源的各相高压输入电源连接，另一端分别与第四组开关管S₄、S'₄和第一输出滤波电感L_f1、第五组开关管S₅、S'₅和第二输出滤波电感L_f2、第六组开关管S₆、S'₆和第三输出滤波电感L_f3的一端相连，第四组开关管S₄、S'₄、第五组开关管S₅、S'₅和第六组开关管S₆、S'₆的另一端共同接于一点G；

所述第一飞跨电容C_fly1、第二飞跨电容C_fly2、第三飞跨电容C_fly3的一端分别与第一组开关管S₁、S'₁的公共端、第二组开关管S₂、S'₂的公共端、第三组开关管S₃、S'₃的公共端相连，另一端分别与第四组开关管S₄、S'₄的公共端、第五组开关管S₅、S'₅的公共端、第六组开关管S₆、S'₆的公共端相连；

所述第一输出滤波电感L_f1的另一端和第一输出滤波电容C_f1的一端、第二输出滤波电感L_f2的另一端和第二输出滤波电容C_f2的一端、第三输出滤波电感L_f3的另一端和第三输出滤波电容C_f3的一端分别与所述三相交流负载的各相连接于一点，第一输出滤波电容C_f1、第二输出滤波电容C_f2、第三输出滤波电容C_f3的另一端共同接于一点H。

进一步的，各所述第一组开关管S₁、S'₁、第二组开关管S₂、S'₂、第三组开关管S₃、S'₃、第四组开关管S₄、S'₄、第五组开关管S₅、S'₅、第六组开关管S₆、S'₆均包括两个正向串联的功率开关管。

进一步的，所述第一输出滤波电容C_f1、第二输出滤波电容C_f2、第三输出滤波电容C_f3星形连接或三角形连接。

进一步的，所述第一组开关管S₁、S'₁、第二组开关管S₂、S'₂、第三组开关管S₃、S'₃的占空比为D，第四组开关管S₄、S'₄、第五组开关管S₅、S'₅、第六组开关管S₆、S'₆的占空比为1-D；

各组开关管的两个功率开关管的驱动信号均相差180°相位，其中第一组开关管中S₁与第四组开关管中S₄驱动信号互补，第一组开关管中S'₁与第四组开关管中S'₄驱动信号互补；第二组开关管中S₂与第五组开关管中S₅驱动信号互补，第二组开关管中S'₂与第五组开关管中S'₅驱动信号互补；第三组开关管中S₃与第六组开关管中S₆驱动信号互补，第三组开关管中S'₃与第六组开关管中S'₆驱动信号互补。

本发明的三相三电平Buck型AC-AC变换器的控制方法，控制所述第一飞跨电容C_fly1两端的电压为所述三相交流输入电源的第一相与第二相之间输入线电压的一半、第一相与第三相之间输入线电压的一半和零电压三者中的最大值；控制第二飞跨电容C_fly2两端的电压为三相交流输入电源的第二相与第一相之间输入线电压的一半、第二相与第三相之间输入线电压的一半和零电压三者中的最大值；控制第三飞跨电容C_fly3两端的电压为三相交流输入电源的第三相与第一相之间输入线电压的一半、第三相与第二相之间输入线电压的一半和零电压三者中的最大值，即可使三相交流输入电源的输入电压在三相三电平变换单元的输出侧转变为0、1/2、1倍输入电压三种电平，经过三相输出滤波器滤波后得到高质量的正弦的输出电压，该输出电压小于等于输入电压。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：

本发明是实现新型三相电力电子变压器和三相正弦交流调压器等的关键技术基础，在民用、工业及军用等高压大功率三相AC-AC电能变换场合具有广泛的应用前景。相对于三相两电平Buck型AC-AC变换器，由于引入三电平，该变换器降低了功率开关器件的电压应力，适用于三相高压输入及大功率的应用场合，并降低了输出电压波形中的高次谐波，改善了输出电压波形质量，可以大大减小输出滤波器的体积重量，降低变换器的生产成本，提高了电能变换效率和功率密度。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明三相三电平Buck型AC-AC变换器拓扑图；

图2为对应输入电压最小相时各开关管的工作状态图；

图3为占空比D>0.5时第一相A相为非最小相时，第一组开关管和第四组开关管驱动波形展开图；

图4为占空比D<0.5时第一相A相为非最小相时，第一组开关管和第四组开关管驱动波形展开图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

结合图1，本发明三相三电平Buck型AC-AC变换器的电路拓扑结构，由依次连接的三相高压输入电压源、三相三电平变换单元、三相输出滤波器和三相交流负载组成。该电路结构能将稳定或不稳定的三相高压输入交流电，降压转换成相同频率的稳定或可调的三相输出正弦交流电。其中第一组开关管S₁、S'₁，第四组开关管S₄、S'₄，第一飞跨电容C_fly1，第一输出滤波电感L_f1，第一输出滤波电容C_f1为第一相A相电路，开关管S'₁、开关管S'₄与第一输出滤波电感L_f1连接于一点A1；第二组开关管S₂、S'₂，第五组开关管S₅、S'₅，第二飞跨电容C_fly2，第二输出滤波电感L_f2，第二输出滤波电容C_f2为第二相B相电路，开关管S'₂、开关管S'₅与第二输出滤波电感L_f2连接于一点B1；第三组开关管S₃、S'₃，第六组开关管S₆、S'₆，第三飞跨电容C_fly3，第三输出滤波电感L_f3，第三输出滤波电容C_f3为第三相C相电路，开关管S'₃、开关管S'₆与第三输出滤波电感L_f3连接于一点C1。

由于该变换器三相对称，以下仅以第一相A相做解释说明：第一相高压输入电源u_ia与第一组开关管S₁、S'₁一端相连，第一组开关管S₁、S'₁另一端与第四组开关管S₄、S'₄和第一输出滤波电感L_f1相连，第一飞跨电容C_fly1一端与第一组开关管S₁、S'₁公共端相连，另一端与第四组开关管S₄、S'₄公共端相连，第一输出滤波电感L_f1另一端与第一输出滤波电容C_f1和交流负载相连；第四组开关管S₄、S'₄、第五组开关管S₅、S'₅和第六组开关管S₆、S'₆的另一端接于一点G，第一输出滤波电容C_f1、第二输出滤波电容C_f2、第三输出滤波电容C_f3另一端接于一点H。第一组开关管S₁、S'₁、第二组开关管S₂、S'₂、第三组开关管S₃、S'₃、第四组开关管S₄、S'₄、第五组开关管S₅、S'₅、第六组开关管S₆、S'₆、第一飞跨电容C_fly1、第二飞跨电容C_fly2、第三飞跨电容C_fly3构成三相三电平变换单元，第一输出滤波电感L_f1、第一输出滤波电容C_f1、第二输出滤波电感L_f2、第二输出滤波电容C_f2、第三输出滤波电感L_f3、第三输出滤波电容C_f3构成三相输出滤波器。三相三电平变换单元与三相高压输入电源相连，将三相高压输入电源输入电压在三相三电平变换单元输出侧转变为0、1/2倍输入电压、一倍输入电压三种电平；三相输出滤波器滤除三相三电平变换单元输出电压中的高次谐波，从而为三相交流负载提供高质量的稳定或可调的三相正弦交流输出电压，该输出电压不大于输入电压。

三相三电平Buck型AC-AC变换器的基本工作原理如下：根据不同输出电压大小(占空比D>0.5或D<0.5)，采用脉宽调制(PWM)控制的三相三电平Buck型AC-AC变换器可以在不同占空比时对不同输入线电压进行斩波，在三相输出滤波器电感前端相应得到0、1/2倍输入线电压、一倍输入线电压三种电平，再经过三相输出滤波器滤波后可以得到优质稳定或可调的三相正弦交流电。

将飞跨电容两端电压控制为飞跨电容所在相和输入电压最小相之间输入线电压的一半。根据三相输入电压的大小，变换器的工作状态可分为三大类：(a)、第一相A相最小，(b)、第二相B相最小，(c)、第三相C相最小；再根据另两相电压的极性可将上述每一种工作状态再细分为三小类，(a)种工作状态可以分为：①、第二相B相为正、第三相C相为负，②、第二相B相为正、第三相C相为正，③、第二相B相为负、第三相C相为正；(b)种工作状态可以分为：④、第一相A相为负、第三相C相为正，⑤、第一相A相为正、第三相C相为正，⑥、第一相A相为正、第三相C相为负；(c)种工作状态可以分为：⑦、第一相A相为正、第二相B相为负，⑧、第一相A相为正、第二相B相为正，⑨、第一相A相为负、第二相B相为正。

以下以工作状态(b)为例(附图2所示[t_a,t_b]，此时第二相B相输入电压最小，第二组开关管S₂、S'₂和第五组开关管S₅、S'₅常通)。当占空比D>0.5时，分析如下：

(1)如图3中[t₀,t₁]时段开关模态1

t₀时刻，第一组开关管S₁、S'₁，第三组开关管S₃、S'₃导通；第四组开关管S₄、S'₄，第六组开关管S₆、S'₆关断。第一输出滤波电感L_f1、第三输出滤波电感L_f3存储能量，其电流线性上升；第一飞跨电容C_fly1、第三飞跨电容C_fly3两端电压不变；三相三电平变换单元输出侧电压u_o-ab为一倍输入线电压u_iab，u_o-cb为一倍输入线电压u_icb；

(2)如图3中[t₁,t₂]时段开关模态2

t₁时刻，第一组开关管S₁、S'₁中的开关管S₁，第三组开关管S₃、S'₃中的开关管S₃，第四组开关管S₄、S'₄中的开关管S'₄，第六组开关管S₆、S'₆中的开关管S'₆导通；第一组开关管S₁、S'₁中的开关管S'₁，第三组开关管S₃、S'₃中的开关管S'₃，第四组开关管S₄、S'₄中的开关管S₄，第六组开关管S₆、S'₆中的开关管S₆关断。第一输出滤波电感L_f1、第三输出滤波电感L_f3释放能量，其电流线性下降；第一飞跨电容C_fly1、第三飞跨电容C_fly3充电，其两端电压上升；三相三电平变换单元输出侧电压u_o-ab为1/2倍输入线电压u_iab，u_o-cb为1/2倍输入线电压u_icb；

(3)如图3中[t₂,t₃]时段开关模态3

t₂时刻，第一组开关管S₁、S'₁，第三组开关管S₃、S'₃导通；第四组开关管S₄、S'₄，第六组开关管S₆、S'₆关断。工作过程与模态1相同；

(4)如图3中[t₃,t₄]时段开关模态4

t₃时刻，第一组开关管S₁、S'₁中的开关管S'₁，第三组开关管S₃、S'₃中的开关管S'₃，第四组开关管S₄、S'₄中的开关管S₄，第六组开关管S₆、S'₆中的开关管S₆导通；第一组开关管S₁、S'₁中的开关管S₁，第三组开关管S₃、S'₃中的开关管S₃，第四组开关管S₄、S'₄中的开关管S'₄，第六组开关管S₆、S'₆中的开关管S'₆关断。工作状态与模态2相似，区别在于此时第一飞跨电容C_fly1、第三飞跨电容C_fly3放电，其两端电压下降。

当工作状态(b)，占空比D<0.5时，分析如下：

(1)如图4中[t₆,t₇]时段开关模态1

t₆时刻，第四组开关管S₄、S'₄，第六组开关管S₆、S'₆导通；第一组开关管S₁、S'₁，第三组开关管S₃、S'₃关断。第一输出滤波电感L_f1、第三输出滤波电感L_f3释放能量，其电流线性下降；第一飞跨电容C_fly1、第三飞跨电容C_fly3两端电压不变，三相三电平变换单元输出侧电压u_o-ab、u_o-cb为0；

(2)如图4中[t₇,t₈]时段开关模态2

t₇时刻，第一组开关管S₁、S'₁中的S'₁，第三组开关管S₃、S'₃中的S'₃，第四组开关管S₄、S'₄中的S₄，第六组开关管S₆、S'₆中的S₆导通；第一组开关管S₁、S'₁中的S₁，第三组开关管S₃、S'₃中的S₃，第四组开关管S₄、S'₄中的S'₄，第六组开关管S₆、S'₆中的S'₆关断。第一输出滤波电感L_f1、第三输出滤波电感L_f3存储能量，其电流线性上升；第一飞跨电容C_fly1、第三飞跨电容C_fly3放电，其两端电压下降，三相三电平变换单元输出侧电压u_o-ab为1/2倍输入线电压u_iab，u_o-cb为1/2倍输入线电压u_icb；

(3)如图4中[t₈,t₉]时段开关模态3

t₈时刻，第四组开关管S₄、S'₄，第六组开关管S₆、S'₆导通；第一组开关管S₁、S'₁，第三组开关管S₃、S'₃关断。工作状态与模态1相同；

(4)如图4中[t₉,t₁₀]时段开关模态4。

t₉时刻，第一组开关管S₁、S'₁中的S₁，第三组开关管S₃、S'₃中的S₃，第四组开关管S₄、S'₄中的S'₄，第六组开关管S₆、S'₆中的S'₆导通；第一组开关管S₁、S'₁中的S'₁，第三组开关管S₃、S'₃中的S'₃，第四组开关管S₄、S'₄中的S₄，第六组开关管S₆、S'₆中的S₆关断，工作过程与模态2类似，区别在于此时第一飞跨电容C_fly1、第三飞跨电容C_fly3充电，其两端电压上升。

通过以上分析可知，当占空比D>0.5时，三相三电平变换单元的输出侧电压在1/2倍输入线电压和一倍输入线电压之间斩波；当占空比D<0.5时，三相三电平变换单元的输出侧电压在0和1/2倍输入线电压之间斩波。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。