CN113394990A - 一种三相升降压整流变换器及其控制方法 - Google Patents

一种三相升降压整流变换器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三相升降压整流变换器及其控制方法，所述三相整流变换器包括输入整流桥组、降压开关单元和储能续流单元；所述输入整流桥组包含第一至第三整流桥，所述降压开关单元包含第一至第六开关管，所述储能续流单元包括第十三至第十四二极管、第七开关管、第一至第二续流电感和滤波电容。本发明通过对开关管施加“中”模式PWM驱动信号和“高”模式PWM驱动信号，可以实现三相整流变换器中的输入整流桥组及降压开关单元最大程度的复用，适用于中小功率输出电压范围较宽，或者输出电压介于
Figure DDA0003133937310000011
倍至
Figure DDA0003133937310000012
倍输入相电压范围及需要高效率、高功率密度的场合。

Description

一种三相升降压整流变换器及其控制方法
技术领域
本申请涉及电力电子技术领域，具体涉及一种三相升降压整流变换器及其控制方法。
背景技术
当前用电设备功率越来越大，采用三相供电方式的用电设备也越来越多，如果用电设备没有功率因数矫正(PFC)功能就会对电网的电能质量破坏很大，严重时甚至会导致电网的瘫痪。为满足电网质量要求，减少对电网的谐波污染或者造成配网不必要的输送负担，三相用电设备必须具备PFC功能或者增加滤波装置，以满足相关法规要求。
一般来说，对于三相交流输入的整流变换电路，如果需要PFC功能，则通常以两电平或者三电平升压型为主。但升压后，输出电压较高，对后端所接的变换器或者负载使用有所限制，如输入标称三相三线380V的交流电压，输出一般都设定在720V左右，甚至高达800V。当后端输出电压还需要变换器调整时，常规的性能较好的功率管在650V以下，近年有电压稍高且高频开关性能较好的1200V左右的SiC等新型开关器件，但成本高昂；为解决整流变换器后端的直流变换器的功率器件的局限性，同时又兼顾效率及其他因素，近年来降压型的两电平整流变换器也成为大家研究的热点，如图1升压式PFC，当初电压较低时则需要做降低处理，图2所示的为降压式PFC，如果采用降压式但其理论上可以稳定输出最高为1.5倍相电压峰值电压的额定电压，如果输出需求电压是超过该电压范围的，但又未达到
Figure BDA0003133937290000011
倍的相电压峰值，则后端必须再增配一级非隔离式的DC/DC直流变换电路(如升压式的方案)变换为所需要的输出电压，图3则是采用升压或者降压方案再经过一级DC/DC稳压变换来实现，两级方案成本较高，同时由于两级的变换，效率会降低。
发明内容
本发明目的在于，提出一种三相升降压整流变换器及其控制方法，解决现有技术存在两级变换器需要多次变换、导流通路器件多和不能充分利用降压开关器件导流能力导致损耗大，从而不适宜在体积有限或者成本要求相对较高的场所进行应用的技术问题。
本发明采取的第一种技术方案是：一种非隔离式三相升降压整流变换器，包括输入整流桥组、降压开关单元和储能续流单元；所述输入整流桥组包括第一至第三整流桥，所述第一至第三整流桥均包括四个二极管，所述四个二极管分别两两同向串联组成两个功能相同的桥臂组，两个桥臂组并联连接，形成两个交流输入口，即桥臂组中两个二极管串联的中点，一个整流输出正端，即桥臂组的阴极，一个整流输出负端，即桥臂组的阳极；所述降压开关单元包括第一至第六开关管，所述储能续流单元包括第一至第二续流电感、第七开关管、第十三至第十四二极管和滤波电容；
所述第一整流桥包括第一至第四二极管，所述第一整流桥的第一交流输入口，即第一二极管的阳极与三相三线电源的A相连接；所述第一整流桥的第二个交流输入口，即第二二极管的阳极与所述三相三线电源的B相连接；所述第一整流桥的整流输出正端，即第一二极管和第二二极管的阴极与第一开关管的漏极连接；所述第一整流桥的整流输出负端，即第三二极管和第四二极管的阳极与第二开关管的源极连接；第二整流桥包括第五至第八二极管，所述第二整流桥的第一交流输入口，即第五二极管的阳极与所述三相三线电源的B相连接；所述第二整流桥的第二交流输入口，即第六二极管的阳极与所述三相三线电源的C相连接；所述第二整流桥的整流输出正端，即第五二极管和第六二极管的阴极与第三开关管的漏极连接；所述第二整流桥的整流输出负端，即第七二极管和第八二极管的阳极与第四开关管的源极连接；第三整流桥包括第九至第十二二极管，所述第三整流桥的第一交流输入口，即第九二极管的阳极与所述三相三线电源的A相连接；所述第三整流桥的第二交流输入口，即第十二极管的阳极与所述三相三线电源的C相连接；所述第三整流桥的整流输出正端，即第九二极管和第十二极管的阴极与第五开关管的的漏极连接；所述第三整流桥的整流输出负端，即第十一二极管和第十二二极管的阳极与第六开关管的源极连接；第一续流电感的一端分别与第一开关管的源极、第三开关管的源极、第五开关管的源极和第十三二极管的阴极连接，另外一端分别与第十四二极管的阳极和第七开关管的漏极连接，第十四二极管的阴极与滤波电容的一端连接，形成整流变换器的正输出端；第二续流电感的一端分别与第二开关管的漏极、第四开关管的漏极、第六开关管的漏极和第十三二极管的阳极连接，另外一端分别与第七开关管的源极和滤波电容的另外一端连接，形成整流变换器的负输出端。
进一步地，所述第一至第七开关管为高频驱动信号控制开通与关断的半导体器件，且设置有反并二极管，所述反并二极管为集成二极管、寄生二极管或外加二极管；所述滤波电容为无极性的电容或有极性的电容；所述有极性的电容正极与第十四二极管的阴极连接，负极与第七开关管的源极连接。
进一步地，还包括输入滤波器，所述输入滤波器接在所述三相三线电源与所述输入整流桥组之间。
本发明采取的第二种技术方案是：一种三相整流变换器，包括至少两个如第一种技术方案所述的一种非隔离式三相升降压整流变换器，每个非隔离式三相升降压整流变换器并联连接，并且每个非隔离式三相升降压整流变换器的第一至第六开关管的工作相位按照1/N个高频开关周期交错，其中，N为并联的非隔离式三相升降压整流变换器的总数。
本发明采取的第三种技术方案是：一种非隔离式三相升降压整流变换器的控制方法，用于控制第一种技术方案所述的一种非隔离式三相升降压整流变换器，包括以下步骤：
S100：根据输入的三相三线电源电压信号的锁相分析各相电源当前时刻所处的相位和区间段；
S200：根据所述相位分析出各个所述区间段中各相电源的电压的瞬时值大小；
S300：对当前区间段下的降压开关单元施加驱动信号进行PWM驱动控制使其中瞬时值较高的两相电流先导通；将已导通的瞬时值次高相交流回路上的开关管通路关断，让瞬时值最高相和瞬时值最低相的电流继续导通；具体方法为：给瞬时值最高与最低的两相交流回路中对应开关管同时施加相同占空比大小的“高”模式PWM驱动信号，同时对幅值瞬时值次高的电流回路中对应的开关管施加“中”模式PWM驱动信号，使在各个区间段中，施加“高”模式PWM驱动信号的开关管后关断，施加“中”模式PWM驱动信号的开关管先关断；
S400：在瞬时值较高的两相电流导通的同时，判断导通的两相的相间瞬时值压差最大数值是否大于或等于输出电压设定值，对第七开关管进行PWM驱动控制；大于或者等于输出电压设定值则无须开通第七开关管，小于输出电压设定值则需要开通第七开关管；当第七开关管处于开通状态时，第七开关管的PWM开关频率与第一至第六开关管的PWM开关频率一致；
S500：关断降压开关单元的所有驱动信号，通过储能续流单元进行续流，使各相电流在每个开关周期内都能够导通。
进一步地，在步骤S300～S500中，对不会形成电流通路的开关管施加与“高”模式PWM驱动信号相同的驱动信号或与“高”模式PWM驱动信号同时关断的驱动信号。
进一步地，每相导通电流的时间与相电压的瞬时值成正比关系，瞬时值最大相的电流导通时间等于其它两相电流导通时间的总和。
本发明采取的第四种技术方案是：一种三相整流变换器的控制方法，用于控制第二种技术方案所述的一种三相整流变换器，使用下述步骤分别对所述三相整流变换器中的每个非隔离式三相升降压整流变换器进行控制，具体步骤为：
S100：根据输入的三相三线电源电压信号的锁相分析各相电源当前时刻所处的相位和区间段；
S200：根据所述相位分析出各个所述区间段中各相电源的电压的瞬时值大小；
S300：对当前区间段下的降压开关单元施加驱动信号进行PWM驱动控制使其中瞬时值较高的两相电流先导通；将已导通的瞬时值次高相交流回路上的开关管通路关断，让瞬时值最高相和瞬时值最低相的电流继续导通；具体方法为：给瞬时值最高与最低的两相交流回路中对应开关管同时施加相同占空比大小的“高”模式PWM驱动信号，同时对幅值瞬时值次高的电流回路中对应的开关管施加“中”模式PWM驱动信号，使在各个区间段中，施加“高”模式PWM驱动信号的开关管后关断，施加“中”模式PWM驱动信号的开关管先关断；
S400：在瞬时值较高的两相电流导通的同时，判断导通的两相的相间瞬时值压差最大数值是否大于或等于输出电压设定值，对第七开关管进行PWM驱动控制；大于或者等于输出电压设定值则无须开通第七开关管，小于输出电压设定值则需要开通第七开关管；当第七开关管处于开通状态时，第七开关管的PWM开关频率与第一至第六开关管的PWM开关频率一致；
S500：关断降压开关单元的所有驱动信号，通过储能续流单元进行续流，使各相电流在每个开关周期内都能够导通。
进一步地，在步骤S300～S500中，对不会形成电流通路的开关管施加与“高”模式PWM驱动信号相同的驱动信号或与“高”模式PWM驱动信号同时关断的驱动信号。
进一步地，每相导通电流的时间与相电压的瞬时值成正比关系，瞬时值最大相的电流导通时间等于其它两相电流导通时间的总和。
本发明的有益技术效果在于：
(1)从结构及性能上，克服了传统的升压式三相整流变换电路后端高压的弊端，也避免了多级电路变换的复杂性，使得后端的直流变换器功率器件的受限性降低，可选余地更大；
(2)改变了传统升压或者降压式三相整流变换电路的实现形式，输出电压相对交流输入来说局限性更小，可以为升压，可以为降压，甚至可以为相差幅值中的电压，即输出电压介于
Figure BDA0003133937290000041
倍至
Figure BDA0003133937290000042
倍输入相电压范围内，在替代传统的无源PFC优势十分明显，尤其是替代传统的30kW以下的三相无源PFC；
(3)改变了传统降压式三相整流变换电路的实现通路形式，具有更低的回路导通阻抗，尤其是在降压模式下，在使用相同开关管的情况下，本发明的回路导通阻抗仅为现有已知方案的一半，效率更高，适合于高效率及高功率密度需求场合；
(4)由于结构上的简化，只需控制降压开关单元输出正端或者输出负端的导通即可，进而降低了控制的难度，从PFC功能的开关操作来看，通过对每相的开关管施加有规律或者逻辑的组合PWM驱动信号，简化控制方法；同时利用对各相回路导通时间的调整来改变并联电路间的正负电流回路阻抗，从而避免交叉环流。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是现有的经典升压式PFC电路结构示意图；
图2是现有的降压式整流器电路示意图；
图3是现有的直流输出方框示意图；
图4是本发明实施例1的非隔离型三相升降压整流变换器的示意图；
图5是本发明实施例1的三相电压波形示意及交汇点定义示意图；
图6是本发明实施例1的AC-BC区间AB相导通回路示意图1，此时为降压电感储能模式；
图7是本发明实施例1的AC-O区间BC相续流回路示意图；
图8是本发明实施例1的O-BC区间AC相续流回路示意图；
图9是本发明实施例1的AC-BC区间电感电流续流回路示意图；
图10是本发明实施例1的AC-BC区间AB相导通回路示意图2，此时为升压电感储能模式；
图11是本发明实施例1的AC-BC区间AB相导通回路示意图3，此时为升压电感释能模式；
图12是本发明实施例1的等效变换示意图1；
图13是本发明实施例1的等效变换示意图2；
图14是本发明实施例1的等效变换示意图3；
图15是本发明实施例1三相交流周期内各开关组驱动波形关系示意；
图16是本发明实施例2的结构示意图。
附图标记解释：FB1.第一整流桥、FB2.第二整流桥、FB3.第三整流桥、D1.第一二极管、D2.第二二极管、D3.第三二极管、D4.第四二极管、D5.第五二极管、D6.第六二极管、D7.第七二极管、D8.第八二极管、D9.第九二极管、D10.第十二极管、D11.第十一二极管、D12.第十二二极管、D13.第十三二极管、D14.第十四二极管、Q1.第一开关管、Q2.第二开关管、Q3.第三开关管、Q4.第四开关管、Q5.第五开关管、Q6.第六开关管、Q7.第七开关管、L1.第一续流电感、L2.第二续流电感、C1.滤波电容、Phase A.A相输入、Phase B.B相输入、Phase C.C相输入。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所述领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。
实施例1：
如图4所示，一种非隔离式三相升降压整流变换器，包括输入整流桥组、降压开关单元和储能续流单元；所述输入整流桥组包括第一至第三整流桥FB1～FB3，所述第一至第三整流桥FB1～FB3均包括四个二极管，所述四个二极管分别两两同向串联组成两个功能相同的桥臂组，两个桥臂组并联连接，形成两个交流输入口，即桥臂组中两个二极管串联的中点，一个整流输出正端，即桥臂组的阴极，一个整流输出负端，即桥臂组的阳极；所述降压开关单元包括第一至第六开关管Q1～Q6，所述储能续流单元包括第一至第二续流电感L1～L2、第七开关管Q7、第十三至第十四二极管D13～D14和滤波电容C1；
所述第一整流桥FB1包括第一至第四二极管D1～D4，所述第一整流桥FB1的第一交流输入口，即第一二极管D1的阳极与三相三线电源的A相连接；所述第一整流桥FB1的第二个交流输入口，即第二二极管D2的阳极与所述三相三线电源的B相连接；所述第一整流桥FB1的整流输出正端，即第一二极管D1和第二二极管D2的阴极与第一开关管Q1的漏极连接；所述第一整流桥FB1的整流输出负端，即第三二极管D3和第四二极管D4的阳极与第二开关管Q2的源极连接；第二整流桥FB2包括第五至第八二极管D5～D8，所述第二整流桥FB2的第一交流输入口，即第五二极管D5的阳极与所述三相三线电源的B相连接；所述第二整流桥FB2的第二交流输入口，即第六二极管D6的阳极与所述三相三线电源的C相连接；所述第二整流桥FB2的整流输出正端，即第五二极管D5和第六二极管D6的阴极与第三开关管Q3的漏极连接；所述第二整流桥FB2的整流输出负端，即第七二极管D7和第八二极管D8的阳极与第四开关管Q4的源极连接；第三整流桥FB3包括第九至第十二二极管D9～D12，所述第三整流桥FB3的第一交流输入口，即第九二极管D9的阳极与所述三相三线电源的A相连接；所述第三整流桥FB3的第二交流输入口，即第十二极管D10的阳极与所述三相三线电源的C相连接；所述第三整流桥FB3的整流输出正端，即第九二极管D9和第十二极管D10的阴极与第五开关管Q5的的漏极连接；所述第三整流桥FB3的整流输出负端，即第十一二极管D11和第十二二极管D12的阳极与第六开关管Q6的源极连接；第一续流电感L1的一端分别与第一开关管Q1的源极、第三开关管Q3的源极、第五开关管Q5的源极和第十三二极管D13的阴极连接，另外一端分别与第十四二极管D14的阳极和第七开关管Q7的漏极连接，第十四二极管D14的阴极与滤波电容C1的一端连接，形成整流变换器的正输出端；第二续流电感L2的一端分别与第二开关管Q2的漏极、第四开关管Q4的漏极、第六开关管Q6的漏极和第十三二极管D13的阳极连接，另外一端分别与第七开关管Q7的源极和滤波电容C1的另外一端连接，形成整流变换器的负输出端。
在实施例1中，还包括输入滤波器，所述输入滤波器接在所述三相三线电源与所述输入整流桥组之间，对输入电源起滤波作用，同时也可以对内部的杂波反射至输入端起滤波和衰减作用。所述第一至第七开关管Q1～Q7为高频驱动信号控制开通与关断的半导体器件，且设置有反并二极管，所述反并二极管为集成二极管、寄生二极管或外加二极管；所述第一至第第七开关管Q1～Q7可以为MOS管或IGBT管，本领域的技术人员应该理解到，本发明不局限于上述两种半导体功率开关，还可以是其他可执行高频开关操作的功率元件。所述第一至第七开关管Q1～Q7之间使用独立的驱动电源；第一开关管Q1、第三开关管Q3和第五开关管Q5也可以共用一个驱动电源。所述滤波电容C1为无极性的电容或有极性的电容；如滤波电容C1为有极性的电容，则电容正极与第十四二极管D14的阴极连接，负极与第七开关管Q7的源极连接。
实施例1采取的控制方法是：一种三相整流变换器的控制方法，包括以下步骤：
S100：根据输入的三相三线电源电压信号的锁相分析各相电源当前时刻所处的相位和区间段；
S200：根据所述相位分析出各个所述区间段中各相电源的电压的瞬时值大小；
S300：对当前区间段下的降压开关单元施加驱动信号进行PWM驱动控制使其中瞬时值较高的两相电流先导通；将已导通的瞬时值次高相交流回路上的开关管通路关断，让瞬时值最高相和瞬时值最低相的电流继续导通；具体方法为：给瞬时值最高与最低的两相交流回路中对应开关管同时施加相同占空比大小的“高”模式PWM驱动信号，同时对幅值瞬时值次高的电流回路中对应的开关管施加“中”模式PWM驱动信号，使在各个区间段中，施加“高”模式PWM驱动信号的开关管后关断，施加“中”模式PWM驱动信号的开关管先关断；
S400：在瞬时值较高的两相电流导通的同时，判断导通的两相的相间瞬时值压差最大数值是否大于或等于输出电压设定值，对第七开关管Q7进行PWM驱动控制；大于或者等于输出电压设定值则无须开通第七开关管Q7，小于输出电压设定值则需要开通第七开关管Q7；当第七开关管Q7处于开通状态时，第七开关管Q7的PWM开关频率与第一至第六开关管Q1～Q6的PWM开关频率一致；
S500：关断降压开关单元的所有驱动信号，通过储能续流单元进行续流，使各相电流在每个开关周期内都能够导通。
在步骤S300～S500中，对不会形成电流通路的开关管施加与“高”模式PWM驱动信号相同的驱动信号或与“高”模式PWM驱动信号同时关断的驱动信号。每相导通电流的时间与相电压的瞬时值成正比关系，瞬时值最大相的电流导通时间等于其它两相电流导通时间的总和。
判断瞬时值大小的方法为比较各相瞬时值的绝对值大小。
如图5所示，实施例1输入的三相交流电源，包括A相输入Phase A、B相输入Phase B和C相输入Phase C，由于实际输入的交流电压可能存在瞬变或者畸变，所以实施例1所示的电压波形以标准的波形作为参考，便于后文描述。为了方便描述，设三相电压相差120°，且为正弦电压，每360°一个循环；考虑到表述直观方便，以30°到390°，即下一周期的30°点为一个完整周期，各交汇点分别定义为AC(30°)、BC(90°)、BA(150°)、CA(210°)、CB(270°)、AB(330°)、AC(30°或390°)；过零点标为“0”点。
如图4所示，正极输出端与负极输出端之间可接负载或可等效为负载的电路。根据电路降压的基本原理，输出电压应该是比输入电压低才构成降压。因此在实施例1中，三相中瞬时值最大的两相形成导通相对输出端则构成了电压差，以图5中A相的0°或者原点做参考，所述电压差的瞬时差值最低点应该是A相的30°、90°、150°、210°、270°、330°点，或者类似周期性相差关系点，此时的最低值为1+1/2倍的相电压最高幅值；所述电压差的瞬时差值最高点应该是A相的60°、120°、180°、240°、300°、360°点，或者类似周期性相差关系点，此时的最高值为
Figure BDA0003133937290000091
倍的相电压最高幅值。当输出电压设定小于
Figure BDA0003133937290000092
其中V为相电压有效值，则会小于三相电压两相间任意时刻的最小电压差值，实施例1的输出工作状态为全降压模式。当输出电压设定大于
Figure BDA0003133937290000093
则会高于三相电压两相间任意时刻的最大电压差值，实施例1的输出工作状态为升压模式。当输出电压介于
Figure BDA0003133937290000094
及
Figure BDA0003133937290000095
之间，则实施例1的工作模式既有升压也有降压。
(1)根据输出电压需求判定为降压模式
如图6所示，从AC点开始到BC点的AC-BC区间内，A相与B相电压瞬时值的绝对值高于C相，因此与A相连接的第一整流桥FB1和第三整流桥FB3的内部正端二极管，即第一二极管D1和第九二极管D9受正偏电压而导通，电压记为Va；与B相连接的第一整流桥FB1和第二整流桥FB2的内部负端二极管，即第四二极管D4和第七二极管D7受正偏电压而导通，电压记为Vb；与C相连接的第二整流桥FB2和第三整流桥FB3的内部二极管，即第六二极管D6、第八二极管D8、第十二极管D10和第十二二极管D12受电压Va及Vb反偏而无法导通，第三开关管Q3和第六开关管Q6都没有电流通过，即第三开关管Q3的电压被箝位为Va，第六开关管Q6的电压被箝位为Vb。当第一至第六开关管Q1～Q6同时被施加PWM驱动开通信号，则第一至第六开关管Q1～Q6中对应的开关管被开通。A相的电流可经由第一二极管D1和第一开关管Q1构成的支路或第九二极管D9和第五开关管Q5构成的支路，流经第一续流电感L1、第十四二极管D14、滤波电容C1、负载、第二续流电感L2，通过第二开关管Q2和第四二极管D4构成的支路或第四开关管Q4和第七二极管D7构成的支路回到B相交流源。此时，第一续流电感L1、第二续流电感L2处于降压储能状态，电流经过了输入整流桥和降压开关单元的两条并联的通路。
如图7所示，在AC-0区间内，当第一开关管Q1、第五开关管Q5和第六开关管Q6的驱动或者第一开关管Q1和第五开关管Q5的驱动被关断后，此时由于回路中有第一续流电感L1和第二续流电感L2的存在，所以电流无法立即反向，电感电动势会发生反向，电感释能续流。在AC-0区间内，与C相连接的第六二极管D6受正偏电压导通；由于第三开关管Q3受开通驱动信号所以一直导通，电流由C相经过第六二极管D6、第三开关管Q3，流经第一续流电感L1、第十四二极管D14、滤波电容C1、负载、第二续流电感L2，通过第四开关管Q4和第八二极管D8构成的支路或第二开关管Q2和第四二极管D4构成的支路回到B相交流源。
如图8所示，在0-BC区间内，第二开关管Q2、第三开关管Q3、和第四开关管Q4的驱动或者第二开关管Q2和第四开关管Q4的驱动被关断后，此时由于回路中有第一续流电感L1和第二续流电感L2的存在，所以电流无法立即反向，电感电动势会发生反向，电感释能续流。在0-BC区间内，与C相连接的第十二二极管D12受正偏电压导通，由第六开关管Q6受开通驱动信号所以一直导通，电流由A相经过第一二极管D1和第一开关管Q1构成的支路或第九二极管D9和第五开关管Q5构成的支路，流经第一续流电感L1、第十四二极管D14、滤波电容C1、负载、第二续流电感L2，通过第六开关Q6和第十二二极管D12构成的支路回到C相交流源。
由上可知，在每个开关周期内实现每相均可以导通电流，从而实现高PF值及低THDI的关键在于，先由瞬时值较高且极性相反的两相导通，并在回路的电感上储能，而后关断瞬时值的绝对值次高相的导通回路中的开关管，使续流电流通过瞬时值最低相。因此在每个开关周期，瞬时值次高相的电流回路会先关断，先关断的开关管的PWM驱动信号模式记为“中”，后关断的开关管的PWM驱动信号模式记为“高”。瞬时值最低相的开关管驱动虽然也可以施加“高”模式PWM驱动信号，但是瞬时值最低相的开关管须在“中”模式PWM驱动信号关断后才能导通，这种PWM驱动信号模式记为“低”。因此在实施例1的实际控制中，虽然开关管导通的占空比可以有三种，但是正常情况下每个周期的PWM驱动信号有两种占空比数值即可满足控制。
如图9所示，当施加在开关管上的所有PWM开通电压都关断，开关管关断后输入的所有电流回路都被切断，由于电感的电流不能瞬变，第一续流电感L1和第二续流电感L2必然保持续流，因此第十三二极管D13受正向偏置导通。电流由滤波电容C1的负端或者电路输出端的等效负载负端，经过第二续流电感L2，第十三二极管D13及第一续流电感L1回到滤波电容C1的正端或者电路输出端的等效负载正端，构成电流续流回路。
根据以上关于实施例1的工作原理，在降压开关单元中，在同一开关周期内，导通回路上的开关管的PWM驱动信号先关断的PWM驱动信号模式记为“中”，后关断的PWM驱动信号模式记为“高”。所述控制方法在每个开关周期先由瞬时值相对较高且极性相反的两相先导通，导通回路的电感则会产生压降和储能，随后关断瞬时值次高相的通路中的开关管，使续流电流通过瞬时值绝对值的最低相。因此在每个开关周期，三相均有电流流通，根据实时控制将PWM驱动信号占空比调制好，就可以使得电流波形与电压波形跟随一致，获得较高的PF值，即实现PFC矫正功能。
此外，在不考虑控制复杂性，只是需要实现相同效果的情况下，也可以采用另外一种控制模式：对各个降压回路的开关管不同时施加驱动信号，先给瞬时值较高且极性相反的两相施加信号使其导通，而后关断正在导通的两相中的瞬时值次高相电流通路的开关管，并对瞬时值最低相交流回路上的开关管施加驱动信号使其导通，从而使续流电流通过瞬时值最低相，然后再控制关断降压开关单元中的开关管。因此在每个开关周期，两相幅值同向的较高相的电流回路会先关断，先关断的PWM驱动信号模式记为“中”，后开通的PWM驱动信号模式记为“低”，先开通而最后关断的PWM驱动信号模式记为“高”。该种方式其并未脱离我们前述的“高”“中”控制策略，因此后面不再做详细叙述。
(2)根据输出电压需求判定为升压模式
第一至第六开关管Q1～Q6除需要按照如图15所示的PWM驱动控制方式对应驱动外，还需要对第七开关管Q7施加PWM驱动信号。如图10所示，当第七开关管Q7导通时，电流将被第七开关管Q7直接短路形成回流环路，此时交流源的电压完全被施加在第一续流电感L1和第二续流电感L2上，因此电感储能。如图11所示，当第七开关管Q7的关断时，由于第一续流电感L1和第二续流电感L2的存在，电流无法反向，继续保持原方向，因此电感电动势反向，与输入电压构成串联，与输入电源一起对输出或者负载端释放能量。
根据前述工作原理分析，可以对实施例1在各工作模式下的电路进行等效变换：在实施例1中，当A、B两相的开关管导通的时候，图4的等效电路如图12所示，该电路相比图2所示的电路多了一条由第七开关管Q7构成的并联导流通路。根据对称性及开关功能性对图12进行简化后得到图13。
瞬态情况下交流源通过二极管整流后可等效为直流源，或者说交流源加二极管在瞬时电路中可以视为直流源，同时交流回路中的组合开关管也可以简化等效为一个开关，因此图13可进一步等效成如图14所示的电路。实施例1的电路进行上述等效后，实际可以看作是一个升降压电路，因此该电路具备典型的降压功能和升压功能。考虑到线路中的器件导通损耗，死区、驱动延时等占空比导通角丢失以及必要的功率因素矫正功能，相比传统的两级变换模式，实施例1输出电压的幅值范围最优为输入三相相电压有效值的
Figure BDA0003133937290000121
倍，也可以略微超过该范围。
对于其他区间段而言，控制方法与AC-BC区间类似。对于BC-BA区间，在BC-0区间内，A、B两相电流通路的开关管驱动信号为“高”模式PWM驱动信号，C相的电流通路的开关管驱动信号为“中”模式PWM驱动信号，即C相回路先关断；在0-BA区间内，C、B两相电流通路的开关管的驱动信号为“高”模式PWM驱动信号，A相电流通路的开关管的驱动信号为“中”模式PWM驱动信号，即A相回路先关断。
对于BA-CA区间，在BA-0区间内，A 、C两相电流通路的开关管的驱动信号为“高”模式PWM驱动信号，B相电流通路的开关管的驱动信号为“中”模式PWM驱动信号，即B相回路先关断；在0-CA区间内，A、B两相电流通路的开关管的驱动信号为“高”模式PWM驱动信号，C相电流通路的开关管的驱动信号为“中”模式PWM驱动信号，即C相回路先关断。
对于CA-CB区间，在CA-0区间内，B、C两相电流通路的开关管的驱动信号为“高”模式PWM驱动信号，A相电流通路的开关管的驱动信号为“中”模式PWM驱动信号，即A相回路先关断；在0-CB区间内，A、C两相电流通路的开关管的驱动信号为“高”模式PWM驱动信号，B相电流通路的开关管的驱动信号为“中”模式PWM驱动信号，即B相回路先关断。
对于CB-AB区间，在CB-0区间内，B、A两相电流通路的开关管的驱动信号为“高”模式PWM驱动信号，C相电流通路的开关管的驱动信号为“中”模式PWM驱动信号，即C相回路先关断；在0-AB区间内，B、C两相电流通路的开关管的驱动信号为“高”模式PWM驱动信号，A相电流通路的开关管的驱动信号为“中”模式PWM驱动信号，即A相回路先关断。
对于AB-AC区间，在AB-0区间内，C、A两相电流通路的开关管的驱动信号为“高”模式PWM驱动信号，B相电流通路的开关管的驱动信号为“中”模式PWM驱动信号，即B相回路先关断；在0-AC区间内，B、A两相电流通路的开关管的驱动信号为“高”模式PWM驱动信号，C相电流通路的开关管的驱动信号为“中”模式PWM驱动信号，即C相回路先关断。
由于现实中三相电压并不一定完全理想，存在相位、幅值、方向的变化，只能根据实际锁相来判断产生各区间段的驱动波形，因此应该以区间段各交流电压的瞬时波形的特征来判断，而不以理想角度来表示。根据三相电源信号的特点，可以分成十二个区间段，十二个区间段根据上述原理，第一至第六开关管Q1～Q6的驱动信号的波形逻辑表如表1所示。
表1 开关管驱动状态逻辑表
Figure BDA0003133937290000131
“低”模式表示根据前文所述的控制方法，可施加与最大瞬时值相的开关管同样的驱动信号，或者最迟在瞬时值同方向的另外一相的开关管的驱动信号关闭前再施加与最大瞬时值相的开关管构成续流的驱动信号，占空比记为“高-中”。“低1”模式表示不需要施加驱动信号或者在最大瞬时值相的开关管导通期间可以施加任意占空比的信号；因此，考虑到控制的简化和归一化，在不影响功能实现的基础上，“低”和“低1”模式均可以施加同“高”模式一致的驱动信号。此时表1可简化成如表2所示的开关管驱动状态逻辑表：
表2 简化后的开关管驱动状态逻辑表
Figure BDA0003133937290000132
Figure BDA0003133937290000141
根据表2所示的开关管驱动状态逻辑表，将一个控制周期总分为12个区间段，并执行如下控制方法：
检测输入交流电压，判断输入电压的各项指标是否满足工作条件，不满足条件继续等待；如若满足条件，则开始工作，根据输入的三相三线电源电压信号的锁相判断，分析各相电源的当前时刻所处的相位和区间段；分析出各相电源的电压的瞬时值的绝对值大小；并根据输入相间电压瞬时值的绝对值大小与输出电压设定值判断实施例1工作于升压模式还是降压模式。如果是升压模式，则需要根据运算结果施加PWM驱动信号开通第七开关管Q7；如是降压模式，则无需开通第七开关管Q7。同时对瞬时值的绝对值大小次高相的电流回路中对应降开关管施加“中”模式PWM驱动信号，给其余开关管施加相同占空比大小的“高”模式PWM驱动信号，使瞬时值较高的两相电源构成电流通路，同时储能续流单元的电感上形成升压储能或者分压储能，在“中”模式PWM驱动信号关闭后，原施加“高”模式PWM驱动信号的另外两相的开关管会给电感提供续流通路而继续导通，如果是升压模式，当第七开关管Q7关闭后，电感电动势反向后与输入电压串联即进入释能续流模式。“高”、“中”模式PWM驱动信号的具体占空比大小则由控制器实时控制运算结果确定。当降压开关单元中所有开关管的驱动关闭后，电感电动势反向，电感电流由第十三二极管D13构成通路。总体来说，各相输入导通电流的时间与相电压的瞬时值成相对关系，即瞬时值越高的，电流导通时间越久、占空比越大，瞬时值最大相的电流导通时间等于瞬时值相对较低另外两相电流导通时间的和，且小于开关周期的总时间，相关波形驱动如图15所示。
通过上述控制方法，有效保证在每个开关周期，三相均有电流流通，同时根据实时控制将PWM驱动信号占空比调制好，就可以使得电流波形与电压波形跟随一致，因此可以获得较高的PF值，即实现PFC矫正功能。在高功率密度场合，优势十分明显，可满足高精尖产品需要。
实施例2：
如图16所示，实施例2提出了一种以实施例1为基础的变形实施例，包括至少两个如实施例1所述的一种非隔离式三相升降压整流变换器，每个非隔离式三相升降压整流变换器并联连接，并且每个非隔离式三相升降压整流变换器的第一至第六开关管Q1～Q6的工作相位按照1/N个高频开关周期交错，其中，N为并联的非隔离式三相升降压整流变换器的总数。
实施例2的控制方法与实施例1相同，通过实施例1所述的“高”、“中”模式PWM驱动信号控制法，可以分别对N个并联连接的非隔离式三相升降压整流变换器进行控制，N个并联连接的三相整流变换器的第一至第六开关管Q1～Q6的工作相位按照1/N个高频开关周期交错，因此交流输入端的电流可以构成多相交错并联，从而改善降压型电源输入电流断续的缺点。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种非隔离式三相升降压整流变换器，其特征在于，包括输入整流桥组、降压开关单元和储能续流单元；所述输入整流桥组包括第一至第三整流桥，所述第一至第三整流桥均包括四个二极管，所述四个二极管分别两两同向串联组成两个功能相同的桥臂组，两个桥臂组并联连接，形成两个交流输入口，即桥臂组中两个二极管串联的中点，一个整流输出正端，即桥臂组的阴极，一个整流输出负端，即桥臂组的阳极；所述降压开关单元包括第一至第六开关管，所述储能续流单元包括第一至第二续流电感、第七开关管、第十三至第十四二极管和滤波电容；
所述第一整流桥包括第一至第四二极管，所述第一整流桥的第一交流输入口，即第一二极管的阳极与三相三线电源的A相连接；所述第一整流桥的第二个交流输入口，即第二二极管的阳极与所述三相三线电源的B相连接；所述第一整流桥的整流输出正端，即第一二极管和第二二极管的阴极与第一开关管的漏极连接；所述第一整流桥的整流输出负端，即第三二极管和第四二极管的阳极与第二开关管的源极连接；第二整流桥包括第五至第八二极管，所述第二整流桥的第一交流输入口，即第五二极管的阳极与所述三相三线电源的B相连接；所述第二整流桥的第二交流输入口，即第六二极管的阳极与所述三相三线电源的C相连接；所述第二整流桥的整流输出正端，即第五二极管和第六二极管的阴极与第三开关管的漏极连接；所述第二整流桥的整流输出负端，即第七二极管和第八二极管的阳极与第四开关管的源极连接；第三整流桥包括第九至第十二二极管，所述第三整流桥的第一交流输入口，即第九二极管的阳极与所述三相三线电源的A相连接；所述第三整流桥的第二交流输入口，即第十二极管的阳极与所述三相三线电源的C相连接；所述第三整流桥的整流输出正端，即第九二极管和第十二极管的阴极与第五开关管的的漏极连接；所述第三整流桥的整流输出负端，即第十一二极管和第十二二极管的阳极与第六开关管的源极连接；第一续流电感的一端分别与第一开关管的源极、第三开关管的源极、第五开关管的源极和第十三二极管的阴极连接，另外一端分别与第十四二极管的阳极和第七开关管的漏极连接，第十四二极管的阴极与滤波电容的一端连接，形成整流变换器的正输出端；第二续流电感的一端分别与第二开关管的漏极、第四开关管的漏极、第六开关管的漏极和第十三二极管的阳极连接，另外一端分别与第七开关管的源极和滤波电容的另外一端连接，形成整流变换器的负输出端。
2.根据权利要求1所述的一种非隔离式三相升降压整流变换器，其特征在于，所述第一至第七开关管为高频驱动信号控制开通与关断的半导体器件，且设置有反并二极管，所述反并二极管为集成二极管、寄生二极管或外加二极管；所述滤波电容为无极性的电容或有极性的电容；所述有极性的电容正极与第十四二极管的阴极连接，负极与第七开关管的源极连接。
3.根据权利要求1所述的一种非隔离式三相升降压整流变换器，其特征在于，还包括输入滤波器，所述输入滤波器接在所述三相三线电源与所述输入整流桥组之间。
4.一种三相整流变换器，其特征在于，包括至少两个如权利要求1~3任一权利要求所述的一种非隔离式三相升降压整流变换器，每个非隔离式三相升降压整流变换器并联连接，并且每个非隔离式三相升降压整流变换器的第一至第六开关管的工作相位按照1/N个高频开关周期交错，其中，N为并联的非隔离式三相升降压整流变换器的总数。
5.一种非隔离式三相升降压整流变换器的控制方法，用于控制权利要求1~3任一权利要求所述的一种非隔离式三相升降压整流变换器，其特征在于，包括以下步骤：
S100：根据输入的三相三线电源电压信号的锁相分析各相电源当前时刻所处的相位和区间段；
S200：根据所述相位分析出各个所述区间段中各相电源的电压的瞬时值大小；
S300：对当前区间段下的降压开关单元施加驱动信号进行PWM驱动控制使其中瞬时值较高的两相电流先导通；将已导通的瞬时值次高相交流回路上的开关管通路关断，让瞬时值最高相和瞬时值最低相的电流继续导通；具体方法为：给瞬时值最高与最低的两相交流回路中对应开关管同时施加相同占空比大小的“高”模式PWM驱动信号，同时对幅值瞬时值次高的电流回路中对应的开关管施加“中”模式PWM驱动信号，使在各个区间段中，施加“高”模式PWM驱动信号的开关管后关断，施加“中”模式PWM驱动信号的开关管先关断；
S400：在瞬时值较高的两相电流导通的同时，判断导通的两相的相间瞬时值压差最大数值是否大于或等于输出电压设定值，对第七开关管进行PWM驱动控制；大于或者等于输出电压设定值则无须开通第七开关管，小于输出电压设定值则需要开通第七开关管；当第七开关管处于开通状态时，第七开关管的PWM开关频率与第一至第六开关管的PWM开关频率一致；
S500：关断降压开关单元的所有驱动信号，通过储能续流单元进行续流，使各相电流在每个开关周期内都能够导通。
6.根据权利要求5所述的一种非隔离式三相升降压整流变换器，其特征在于，在步骤S300~S500中，对不会形成电流通路的开关管施加与“高”模式PWM驱动信号相同的驱动信号或与“高”模式PWM驱动信号同时关断的驱动信号。
7.根据权利要求5所述的一种非隔离式三相升降压整流变换器，其特征在于，每相导通电流的时间与相电压的瞬时值成正比关系，瞬时值最大相的电流导通时间等于其它两相电流导通时间的总和。
8.一种三相整流变换器的控制方法，用于控制权利要求4所述的一种三相整流变换器，其特征在于，使用下述步骤分别对所述三相整流变换器中的每个非隔离式三相升降压整流变换器进行控制，具体步骤为：
S100：根据输入的三相三线电源电压信号的锁相分析各相电源当前时刻所处的相位和区间段；
S200：根据所述相位分析出各个所述区间段中各相电源的电压的瞬时值大小；
S300：对当前区间段下的降压开关单元施加驱动信号进行PWM驱动控制使其中瞬时值较高的两相电流先导通；将已导通的瞬时值次高相交流回路上的开关管通路关断，让瞬时值最高相和瞬时值最低相的电流继续导通；具体方法为：给瞬时值最高与最低的两相交流回路中对应开关管同时施加相同占空比大小的“高”模式PWM驱动信号，同时对幅值瞬时值次高的电流回路中对应的开关管施加“中”模式PWM驱动信号，使在各个区间段中，施加“高”模式PWM驱动信号的开关管后关断，施加“中”模式PWM驱动信号的开关管先关断；
S400：在瞬时值较高的两相电流导通的同时，判断导通的两相的相间瞬时值压差最大数值是否大于或等于输出电压设定值，对第七开关管进行PWM驱动控制；大于或者等于输出电压设定值则无须开通第七开关管，小于输出电压设定值则需要开通第七开关管；当第七开关管处于开通状态时，第七开关管的PWM开关频率与第一至第六开关管的PWM开关频率一致；
S500：关断降压开关单元的所有驱动信号，通过储能续流单元进行续流，使各相电流在每个开关周期内都能够导通。
9.根据权利要求8所述的一种三相整流变换器的控制方法，其特征在于，在步骤S300~S500中，对不会形成电流通路的开关管施加与“高”模式PWM驱动信号相同的驱动信号或与“高”模式PWM驱动信号同时关断的驱动信号。
10.根据权利要求8所述的一种三相整流变换器的控制方法，其特征在于，每相导通电流的时间与相电压的瞬时值成正比关系，瞬时值最大相的电流导通时间等于其它两相电流导通时间的总和。
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