桥式模块化多电平开关电容ac-ac变换器换流方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及开关电容AC-AC变换器换流方法，尤其涉及一种桥式模块化多电平开 关电容AC-AC变换器换流方法。
【背景技术】
[0002] 传统的直接式、非隔离型AC-AC变换器主要有：自耦变压器、相控交流调压器、PWM 型AC-AC功率变换器。自耦变压器体积质量大、成本高，不易实现自动调节。相控交流调压 器输出含有较严重的谐波分量，受负载影响较大。PWM型AC-AC功率变换器主要指Buck型、 Boost型等，缺点是开关管电压应力高，变换效率低。而基于开关电容原理的AC-AC变换器 具有成本低、效率高、功率密度大等优点。
[0003] 然而，在开关电容AC-AC变换器中，换流问题成为影响其安全可靠运行的重要因 素。由于实际上采用的非理想开关无法实现切换时既无交叠又无死区。要实现安全换流需 要避免电容支路的短路和电感支路的断路，因为过电流和过电压的发生将损坏变换器。实 际应用中由于开关存在死区时间，电路的断路难以避免。传统的方法是利用外加缓冲电路 来抑制电压尖峰并提供换流通路，但会导致硬件成本增加和功率损失。
[0004] 对于AC-AC变换器的换流方法主要分为基于电流检测的换流方法和基于电压检 测的换流方法两大类。基于电流检测的换流方法实施方法复杂并且需要对输出电流进行准 确的检测，由于输出电流含较多谐波成分并且电流方向检测尤其是过零点区域电流方向检 测十分困难，容易造成换流失败。基于电压检测的换流方法通过检测输入电压来控制换流 过程，与基于电流检测的换流方法相比，所需检测硬件更简单、成本更低，换流较为可靠，在 AC-AC变换器换流方法中更具实用性。
[0005] LiangzongHe等人在 2013 年公开发表的论文"Safe-CommutationStrategyfor theNovelFamilyofQuasi-Z-SourceAC-ACConverter"（ 一族新型准Z源AC-AC变换 器的安全换流策略）中针对准Z源AC-AC变换器族提出了一种换流策略。该方法通过对节 点电流的大小与回路电压的大小判断相结合的方法判定续流回路，进而对开关管逻辑时序 进行控制。该方式在实现了开关管零电压开通零电流关断的同时，降低了系统成本，提高了 效率。但该方法是面向准Z源AC-AC变换器等拓扑，对开关电容变换器等拓扑，该判定方法 并不适用。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供能实现在开关切换时利用死区避免短路引起的开关电流 尖峰，同时建立电流通路防止感性负载或者线路寄生电感引起电压尖峰的一种桥式模块化 多电平开关电容AC-AC变换器换流方法。
[0007] 本发明所述桥式模块化多电平开关电容AC-AC变换器换流方法如下：
[0008] 采用基于电压检测的控制方法，即无论处于升压模式还是降压模式，将所有全控 型器件MOSFET分别编号为p组和n组，p组的全控型器件MOSFET记为Slp、S2p、S3p、S4p、S5p、 S6p、S7p、S8p，n组的全控型器件MOSFET记为Sln、S2n、S3n、S4n、S5n、S6n、S7n、S8n，其中Slp和Sln构 成双向开关，S2p和S2n构成双向开关，S3p和S3n构成双向开关，S4p和S4n构成双向开关，其中 S5p和S5n构成双向开关，S6p和S6n构成双向开关，S7p和S7n构成双向开关，S8p和S8n构成双 向开关。
[0009] 所述变换器处于升压或降压运行的情况下，当输入电网电压正半周时，由开关电 容变换器工作特性可知，各回路电压源电压之和大于零，控制slp、S2p、S3p、S4p、S5p、S6p、S7p、S8p 持续导通，在不影响电路电流正常流通的情况下形成续流路径；当输入电网电压负半周时， 各回路电压源电压之和少于零，控制sln、S2n、S3n、S4n、S5n、S6n、S7n、S8n持续导通，在不影响电 路电流正常流通的情况下形成续流路径。
[0010] 所述桥式模块化多电平开关电容AC-AC变换器的H桥由开关Slp、Sln、S2p、S2n、S3p、 S3n、S4p、S4n组成。所述换流方法为在输入电网电压正半周时Slp、S2p、S3p、S4p持续导通，Sln 和S4n同步切换，S2n和S3n同步切换，其中Sln和S4n驱动信号与S2n和S3n驱动信号之间相位 相差180度；在输入电网电压负半周时Sln、S2n、S3n、S4n持续导通，S1￡)和S#同步切换，S2p和 S3p同步切换，其中Slp和S4p驱动信号与S2p和S3p驱动信号之间相位相差180度。
[0011] 所述桥式模块化多电平开关电容AC-AC变换器的开关电容模块由开关S5p、S5n、S6p、 S6n、S7p、S7n、S8p、S8n和电容Ci、C2、C3、C4组成。所述换流方法为在输入电网电压正半周时S5p、 S6P、s7p、S8p持续导通，S5n和S8n同步切换，S6n和S7n同步切换，其中S5n和S8n驱动信号与S6n 和S7n驱动信号之间相位相差180度；在输入电网电压负半周时S5n、S6n、S7n、S8n持续导通， S5p和S8p同步切换，S6p和S7p同步切换，其中S5p和S8p驱动信号与S6p和S7p驱动信号之间 相位相差180度。
[0012] 所述控制方法在桥式模块化多电平开关电容AC-AC变换器进行电平扩展时依然 适用。
[0013] 所述控制方法不仅用于本发明提出的拓扑，在相关类型的开关电容AC-AC变换器 拓扑中依然可以运用其原理达到安全换流目的。
[0014] 本发明为基于电压检测的控制方法，即无论变换器处于升压模式还是降压模式， 在回路电压源（包括电源和电容）电压之和大于零时，控制其中一组对该回路电压形成阻 断能力的全控型器件MOSFET持续导通，在不影响电路电流正常换流的情况下形成续流路 径；同理，在回路电压源电压之和少于零时，控制另外一组对该回路电压形成阻断能力的全 控型器件MOSFET持续导通。
[0015] 变换器同一桥臂互补导通的开关管之间常设置死区以避免回路短路引起电流尖 峰，但相应必须建立续流通路防止死区期间线路寄生电感引起的电压尖峰。所述桥式模块 化多电平双向开关电容AC-AC变换器换流方法，所采用控制方法为基于电压检测的控制方 法，即无论变换器处于升压模式还是降压模式，在回路电压源（包括电源和电容）电压之 和大于零时，控制其中一组对该回路电压形成阻断能力的全控型器件MOSFET持续导通，在 不影响电路电流正常换流的情况下形成续流路径；同理，在回路电压源电压之和少于零时， 控制另外一组对该回路电压形成阻断能力的全控型器件MOSFET持续导通。持续导通的 MOSFET不会影响电路正常运行，且为换流形成续流回路。本发明在保持开关电容AC-AC变 换器基本变流功能的情况下，解决其安全换流问题，具有控制简单，效率高、运行安全可靠 的优点，本发明尤其适用于桥式模块化多电平双向开关电容AC-AC变换器。同时该换流方 法思路可以推广到其他类型的开关电容AC-AC变换器。
[0016] 相较于现有技术，本发明提供的技术方案具备以下有益效果：
[0017] 本发明提供的一种桥式模块化多电平双向开关电容AC-AC变换器换流方法，能实 现变换器已有功能不变，具有控制简单、运行安全可靠的优点。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明的升压/降压电路拓扑示意图。
[0019] 图2为本发明的升压电路拓扑示意图。
[0020] 图3为VC2>0,k>0时的电流通路原理图。开关S2p、S6p持续导通以防止电容(：2短 路，此时电感L的电流续流路径为L-C2-S6p-S2p,S6n、S2n的寄生二极管也作为续流路径。
[0021] 图4为Va>0,i'O时的电流通路原理图。开关Slp、S5p持续导通以防止电容C#豆 路，此时电感L的电流续流路径为L-Slp-S5p-C1,Sln、S5n的寄生二极管也作为续流路径。
[0022] 图5为Va〈0,k>0时的电流通路原理图。开关Sln、S5n持续导通以防止电容C#豆 路，此时电感L的电流续流路径为L-C1-S5n-Sln,Slp、S5p的寄生二极管也作为续流路径。
[0023] 图6为VC2〈0,i'O时的电流通路原理图。开关S2n、S6n持续导通以防止电容C2短 路，此时电感L的电流续流路径为L-S2n-S6n-C2,S2p、S6p的寄生二极管也作为续流路径。
[0024] 图7为升压模式时的电路工作第一状态图。VaXKVc2XKVc3XKVC4>0时，开关Slp、 §2p、S3p、S4p、S5p、S6p、S7p、381)和Sln、S4n、S6n、S7n导通，开关S2n、、、S5n、S8n关断。C^C4放电， c2、C3充电，其中电源对C2充电，同时电源与C1串联对C3充电。
[0025] 图8为升压模式时的电路工作第二状态图。VaXKVc2XKVc3XKVC4>0时，开关Slp、 S2P、S3P、S4p、S5P、S6P、S7P、S8p和S2n、S3n、S5n、S8n导通，开关Sln、S4n、S6n、S7n关断。CpC4充电， c2、C3放电，其中电源对C1充电，同时电源与C2串联对C4充电。