功率变换装置及其控制方法与流程

本技术涉及电源，尤其涉及一种功率变换装置及其控制方法。

背景技术：

1、双有源桥式(dual active bridge，dab)变换器能实现输入输出的电气隔离，具有功率密度高、易于实现软开关等优点，能够满足直流电压与交流电压转换的各种应用场合的需求，因此，dab变换器得到了广泛应用。

2、谐振dab变换器主要采用了图1所示的电路结构。如图1所示，谐振dab变换器主要包括直流侧全桥、变压器t、电感lr、交流侧半桥、谐振电容cr1和谐振电容cr2。其中，直流侧全桥包括并联的第一直流侧桥臂和第二直流侧桥臂，交流侧半桥包括交流侧桥臂。第一直流侧桥臂由串联的上桥臂开关s1和下桥臂开关s2构成，第二直流侧桥臂由串联的上桥臂开关s3和下桥臂开关s4构成，交流侧桥臂由串联的上桥臂开关s5、上桥臂开关s6、下桥臂开关s7和下桥臂开关s8构成。该谐振dab变换器在实际运行过程中，会受到交流电网的扰动和自身控制器采样延迟的影响，使得电网电压位于电网电压过零点附近时，控制器基于采样的电网电压极性并不能及时准确判断出电网电压的极性变化，而电网电压极性的误判会导致交流侧半桥短路，从而导致谐振dab变换器的输出电流畸变，进而影响dab变换器的运行可靠性。

3、综上可知，在电网电压过零点附近，谐振dab变换器如何在避免交流侧半桥短路的同时，保证其输出电流不会出现畸变尤为重要。

技术实现思路

1、本技术提供了一种功率变换装置及其控制方法，可避免功率变换装置在电网电压过零点附近出现副边桥臂短路和输出电流畸变的情况，从而提高功率变换装置的稳定性。

2、第一方面，本技术提供了一种功率变换装置，该功率变换装置包括功率变换电路和控制器。功率变换电路的输入端和输出端用于分别连接直流电源和交流负载，功率变换装置用于直流电源输入的直流电变换为交流电输出给交流负载，交流负载包括交流电网。功率变换电路包括第一原边桥臂、第二原边桥臂、副边桥臂和变压器。第一原边桥臂与第二原边桥臂并联在输入端，副边桥臂并联在输出端。变压器包括原边绕组和副边绕组，原边绕组的两端分别连接第一原边桥臂的中点和第二原边桥臂的中点，副边绕组连接副边桥臂。副边桥臂包括第一上桥臂开关管和第一下桥臂开关管，第一原边桥臂包括第二上桥臂开关管。控制器，用于在交流电网的电网电压位于第一电压区间的情况下，控制第一上桥臂开关管与第一下桥臂开关管交替导通，并控制第一上桥臂开关管与第二上桥臂开关管之间的相位差在电网电压过零点之前和在电网电压过零点之后为不同值。其中，第一电压区间包括电网电压过零点。

3、在本实施方式中，在电网电压过零点附近(即电网电压位于第一电压区间)，功率变换装置通过控制副边桥臂中的上桥臂开关管与下桥臂开关管交替导通的方式，避免副边桥臂短路，并通过控制第一原边桥臂中上桥臂开关管与副边桥臂中上桥臂开关管之间的相位差(即功率变换装置的外移相角)，在电网电压过零点前后不同的方式，使自身的外移相角跟随电网电压极性的变化而变化，从而可避免功率变换装置的输出电流出现畸变，进而提高功率变换装置的稳定性。

4、结合第一方面，在第一种可能的实施方式中，第一上桥臂开关管包括串联的第一开关管和第二开关管，第一下桥臂开关管包括串联的第三开关管和第四开关管，第二开关管连接第三开关管。控制器用于在电网电压从第二电压区间变化至第一电压区间且位于第一电压子区间和第二电压子区间的情况下，控制第一开关管与第三开关管交替导通，控制第一开关管与第三开关管之间的死区时长小于等于电网电压位于第二电压区间时第一开关管与第三开关管之间的死区时长，控制第一开关管和第三开关管中各开关管的开关频率小于等于电网电压位于第二电压区间时各开关管的开关频率，控制第二开关管的相位与第一开关管的相位相同，并控制第四开关管的相位与第三开关管的相位相同，其中，第二电压区间与第一电压区间相邻，第一电压区间包括第一电压子区间和第二电压子区间，第二电压区间和第一电压子区间均位于电网电压的正半周期，第二电压子区间位于电网电压的负半周期。

5、在本实施方式中，功率变换装置在电网电压从第二电压区间切换至第一电压区间且位于第一电压子区间的情况下，通过控制第一开关管与第三开关管之间死区时长小于等于电网电压位于第二电压区间时第一开关管与第三开关管之间的死区时长，第一开关管和第三开关管中各开关管的开关频率小于等于电网电压位于第二电压区间时各开关管的开关频率，第二开关管的控制信号跟随第一开关管的控制信号，以及第四开关管的控制信号跟随第三开关管的控制信号的方式，使得功率变换装置在电网电压从第二电压区间切换至第一电压子区间时可以实现平滑切换，从而可避免无法平滑切换所导致的功率变换装置输出电流发生畸变，进而提高功率变换装置的稳定性。

6、结合第一方面或第一方面第一种可能的实施方式，在第二种可能的实施方式中，第一上桥臂开关管包括串联的第一开关管和第二开关管，第一下桥臂开关管包括串联的第三开关管和第四开关管，第二开关管连接第三开关管。控制器还用于在电网电压从第二电压子区间变化至第三电压区间且位于第三电压区间的情况下，控制第一开关管和第三开关管均导通，控制第二开关管与第四开关管交替导通，控制第二开关管与第四开关管之间的死区时长大于等于电网电压位于第二电压子区间时第二开关管与第四开关管之间的死区时长，并控制第二开关管和第四开关管中各开关管的开关频率大于等于电网电压位于第二电压子区间时各开关管的开关频率，其中，第三电压区间与第一电压区间相邻，第一电压区间包括所述第二电压子区间，第三电压区间和第二电压子区间均位于电网电压的负半周期。

7、在本实施方式中，功率变换装置在电网电压从第二电压子区间变化至第三电压区间且位于第三电压区间的情况下，通过控制第二开关管与第四开关管之间的死区时长大于等于电网电压位于第二电压子区间时第二开关管与第四开关管之间的死区时长，以及第二开关管和第四开关管中各开关管的开关频率大于等于电网电压位于第二电压子区间时各开关管的开关频率的方式，使得功率变换装置在电网电压从第二电压子区间变化至第三电压区间时可以实现平滑切换，从而可避免无法平滑切换所导致的功率变换装置的输出电流发生畸变，进而提高功率变换装置的稳定性。

8、结合第一方面至第一方面第二种可能的实施方式中的任一种，在第三种可能的实施方式中，第一上桥臂开关管包括串联的第一开关管和第二开关管，第一下桥臂开关管包括串联的第三开关管和第四开关管，第二开关管连接第三开关管。控制器用于在电网电压从第三电压区间变化至第一电压区间且位于第一电压子区间和第二电压子区间的情况下，控制第二开关管与第四开关管交替导通，控制第二开关管与第四开关管之间的死区时长小于等于电网电压位于第三电压区间时第二开关管与第四开关管之间的死区时长，控制第二开关管和第四开关管中各开关管的开关频率小于等于电网电压位于第三电压区间时各开关管的开关频率，控制第一开关管的相位与第二开关管的相位相同，并控制第三开关管的相位与第四开关管的相位相同，其中，第三电压区间与第一电压区间相邻，第一电压区间包括第一电压子区间和第二电压子区间，第一电压子区间位于电网电压的正半周期，第三电压区间和第二电压子区间均位于电网电压的负半周期。

9、在本实施方式中，功率变换装置在电网电压从第三电压区间变化至第二电压子区间且位于第二电压子区间的情况下，通过控制第二开关管与第四开关管之间的死区时长小于等于电网电压位于第三电压区间时第二开关管与第四开关管之间的死区时长，第二开关管和第四开关管中各开关管的开关频率小于等于电网电压位于第三电压区间时各开关管的开关频率，第一开关管的控制信号跟随第二开关管的控制信号，以及第三开关管的控制信号跟随第四开关管的控制信号的方式，使得功率变换装置在电网电压从第三电压区间变化至第二电压子区间时可以实现平滑切换，从而可避免无法平滑切换所导致的功率变换装置的输出电流发生畸变，进而提高功率变换装置的稳定性。

10、结合第一方面至第一方面第三种可能的实施方式中的任一种，在第四种可能的实施方式中，第一上桥臂开关管包括串联的第一开关管和第二开关管，第一下桥臂开关管包括串联的第三开关管和第四开关管，第二开关管连接第三开关管。控制器还用于在电网电压从第一电压子区间变化至第二电压区间且位于第二电压区间的情况下，控制第一开关管与第三开关管交替导通，控制第一开关管与第三开关管之间的死区时长大于等于电网电压位于第一电压子区间时第一开关管与第三开关管之间的死区时长，控制第一开关管和第三开关管中各开关管的开关频率大于等于电网电压位于第一电压子区间时各开关管的开关频率，并控制第二开关管与第四开关管均导通，其中，第二电压区间与第一电压区间相邻，第一电压区间包括所述第一电压子区间，第二电压区间和第一电压子区间均位于电网电压的正半周期。

11、在本实施方式中，功率变换装置在电网电压从第一电压子区间变化至第二电压区间且位于第二电压区间的情况下，通过控制第一开关管与第三开关管之间的死区时长大于等于电网电压位于第一电压子区间时第一开关管与第三开关管之间的死区时长，以及第一开关管和第三开关管中各开关管的开关频率大于等于电网电压位于第一电压子区间时各开关管的开关频率的方式，使得功率变换装置在电网电压从第一电压子区间变化至第二电压区间时可以实现平滑切换，从而可避免无法平滑切换所导致的功率变换装置的输出电流发生畸变，进而提高功率变换装置的稳定性。

12、结合第一方面至第一方面第四种可能的实施方式中的任一种，在第五种可能的实施方式中，控制器用于在功率变换电路的输出端的功率因数为1时，控制第一上桥臂开关管与第二上桥臂开关管之间的相位差在电网电压过零点之前和在电网电压过零点之后相差180°，其中，功率因数为电网电压与功率变换电路的输出端的交流电流之间的相位差的余弦值。

13、在本实施方式中，在电网电压过零点附近，功率变换装置通过控制功率变换装置的外移相角在电网电压过零点前后相差180°的方式，使自身的外移相角跟随电网电压极性的变化而变化，从而可避免功率变换装置的输出电流出现畸变，进而提高功率变换装置的稳定性。

14、结合第一方面至第一方面第四种可能的实施方式中的任一种，在第六种可能的实施方式中，控制器用于在功率变换电路的输出端的功率因数不为1时，控制第一上桥臂开关管与第二上桥臂开关管之间的相位差在电网电压过零点之前和在电网电压过零点之后相差180°±δθ，其中，功率因数为电网电压与功率变换电路的输出端的交流电流之间的相位差的余弦值，δθ由电网电压位于电网电压过零点时交流电网的交流电流的幅值和极性确定。

15、在本实施方式中，在电网电压过零点附近，功率变换装置通过控制功率变换装置的外移相角在电网电压过零点前后相差180°±δθ的方式，使自身的外移相角跟随电网电压极性的变化而变化，从而可避免功率变换装置的输出电流出现畸变，进而提高功率变换装置的稳定性。此外，功率变换装置在电网电压过零点附近控制自身外移相角的方式，适用于功率变换电路的输出端的功率因数取任意值的应用场景，适用性强。

16、结合第一方面第二种可能的实施方式至第一方面第六种可能的实施方式中的任一种，在第七种可能的实施方式中，功率变换电路还包括电感，电感与原边绕组串联在第一原边桥臂的中点与第二原边桥臂的中点之间，副边绕组连接副边桥臂。或者，原边绕组的两端分别连接第一原边桥臂的中点和第二原边桥臂的中点，电感与副边绕组串联后连接副边桥臂。

17、在本实施方式中，电感除了可以与副边绕组串联之外，还可以与原边绕组串联，功率变换装置的结构多样，灵活性高。

18、结合第一方面第七种可能的实施方式，在第八种可能的实施方式中，功率变换电路还包括第一电容和第二电容，其中，第一电容与第二电容串联后与副边桥臂并联，副边绕组的两端分别连接副边桥臂的中点和电容中点，或者，副边绕组与电感串联在副边桥臂的中点与电容中点之间，电容中点为第一电容与第二电容的连接处。其中，第一电容和第二电容可以为谐振电容，也可以为非谐振电容。

19、在本实施方式中，当第一电容和第二电容为谐振电容时，第一电容、第二电容与电感构成谐振电路，使得功率变换装置为谐振功率变换装置，从而使得电感的电流波形趋向于正弦波，进而有利于降低功率变换装置中开关管上所流电流的峰值，并且有利于功率变换装置中的开关管实现软开关，以降低开关管损耗，从而提升功率变换装置的效率。

20、结合第一方面第七种可能的实施方式，在第九种可能的实施方式中，功率变换电路还包括第一电容，第一电容与原边绕组串联在第一原边桥臂的中点与第二原边桥臂的中点之间，副边绕组与电感串联在第一开关中点与第二开关中点之间。或者，原边绕组的两端分别连接第一原边桥臂的中点和第二原边桥臂的中点，副边绕组、第一电容与电感串联在第一开关中点与第二开关中点之间。或者，原边绕组与电感串联在第一原边桥臂的中点与第二原边桥臂的中点之间，副边绕组与第一电容串联在第一开关中点与第二开关中点之间。或者，原边绕组、第一电容与电感串联在第一原边桥臂的中点与第二原边桥臂的中点之间，副边绕组的两端分别连接第一开关中点和第二开关中点，其中，第一开关中点为第一开关管与第二开关管的连接处，第二开关中点为第三开关管与第四开关管的连接处。其中，第一电容可以为谐振电容，也可以为非谐振电容。

21、在本实施方式中，当第一电容为谐振电容时，第一电容与电感构成谐振电路，使得功率变换装置为谐振功率变换装置，从而使得电感的电流波形趋向于正弦波，进而有利于降低功率变换装置中开关管上所流电流的峰值，并且有利于功率变换装置中的开关管实现软开关，以降低开关管损耗，从而提升功率变换装置的效率。

22、结合第一方面第七种可能的实施方式，在第十种可能的实施方式中，功率变换电路还包括第一电容，第一电容与原边绕组串联在第一原边桥臂的中点与第二原边桥臂的中点之间，副边绕组与电感串联后与第一下桥臂开关管并联。或者，原边绕组的两端分别连接第一原边桥臂的中点和第二原边桥臂的中点，副边绕组、第一电容与电感串联后与第一下桥臂开关管并联。或者，原边绕组与电感串联在第一原边桥臂的中点与第二原边桥臂的中点之间，副边绕组与第一电容串联后与第一下桥臂开关管并联。或者，原边绕组、第一电容与电感串联在第一原边桥臂的中点与第二原边桥臂的中点之间，副边绕组与第一下桥臂开关管并联。其中，第一电容可以为谐振电容，也可以为非谐振电容。

23、在本实施方式中，当第一电容为谐振电容时，第一电容与电感构成谐振电路，使得功率变换装置为谐振功率变换装置，从而使得电感的电流波形趋向于正弦波，进而有利于降低功率变换装置中开关管上所流电流的峰值，并且有利于功率变换装置中的开关管实现软开关，以降低开关管损耗，从而提升功率变换装置的效率。

24、第二方面，本技术提供了一种功率变换电路的控制方法，应用于功率变换电路，功率变换电路的输入端和输出端用于分别连接直流电源和交流负载，功率变换电路用于将直流电源输入的直流电变换为交流电并输出给交流负载，交流负载包括交流电网。功率变换装置包括第一原边桥臂、第二原边桥臂、副边桥臂和变压器，其中，第一原边桥臂与第二原边桥臂并联在输入端，副边桥臂并联在输出端。变压器包括原边绕组和副边绕组，原边绕组的两端分别连接第一原边桥臂的中点和第二原边桥臂的中点，副边绕组连接副边桥臂。副边桥臂包括第一上桥臂开关管和第一下桥臂开关管，第一原边桥臂包括第二上桥臂开关管。该方法包括：在交流电网的电网电压位于第一电压区间的情况下，控制第一上桥臂开关管与第一下桥臂开关管交替导通，并控制第一上桥臂开关管与第二上桥臂开关管之间的相位差在电网电压过零点之前和在电网电压过零点之后为不同值。其中，第一电压区间包括电网电压过零点。

25、结合第二方面，在第一种可能的实施方式中，第一上桥臂开关管包括串联的第一开关管和第二开关管，第一下桥臂开关管包括串联的第三开关管和第四开关管，第二开关管连接第三开关管。在电网电压从第二电压区间变化至第一电压区间且位于第一电压子区间和第二电压子区间的情况下，控制第一开关管与第三开关管交替导通，控制第一开关管与第三开关管之间的死区时长小于等于电网电压位于第二电压区间时第一开关管与第三开关管之间的死区时长，控制第一开关管和第三开关管中各开关管的开关频率小于等于电网电压位于第二电压区间时各开关管的开关频率，控制第二开关管的相位与第一开关管的相位相同，并控制第四开关管的相位与第三开关管的相位相同。其中，第二电压区间与第一电压区间相邻，第一电压区间包括第一电压子区间和第二电压子区间，第二电压区间和第一电压子区间均位于电网电压的正半周期，第二电压子区间位于电网电压的负半周期。

26、结合第二方面或第二方面第一种可能的实施方式，在第二种可能的实施方式中，第一上桥臂开关管包括串联的第一开关管和第二开关管，第一下桥臂开关管包括串联的第三开关管和第四开关管，第二开关管连接第三开关管。在电网电压从第二电压子区间变化至第三电压区间且位于第三电压区间的情况下，控制第一开关管和第三开关管均导通，控制第二开关管与第四开关管交替导通，控制第二开关管与第四开关管之间的死区时长大于等于电网电压位于第二电压子区间时第二开关管与第四开关管之间的死区时长，并控制第二开关管和第四开关管中各开关管的开关频率大于等于电网电压位于第二电压子区间时各开关管的开关频率。其中，第三电压区间与第一电压区间相邻，第一电压区间包括所述第二电压子区间，第三电压区间和第二电压子区间均位于电网电压的负半周期。

27、结合第二方面至第二方面第二种可能的实施方式中的任一种，在第三种可能的实施方式中，第一上桥臂开关管包括串联的第一开关管和第二开关管，第一下桥臂开关管包括串联的第三开关管和第四开关管，第二开关管连接第三开关管。在电网电压从第三电压区间变化至第一电压区间且位于第二电压子区间和第一电压子区间的情况下，控制第二开关管与第四开关管交替导通，控制第二开关管与第四开关管之间的死区时长小于等于电网电压位于第三电压区间时第二开关管与第四开关管之间的死区时长，控制第二开关管和第四开关管中各开关管的开关频率小于等于电网电压位于第三电压区间时各开关管的开关频率，控制第一开关管的相位与第二开关管的相位相同，并控制第三开关管的相位与第四开关管的相位相同。其中，第三电压区间与第一电压区间相邻，第一电压区间包括第一电压子区间和第二电压子区间，第一电压子区间位于电网电压的正半周期，第三电压区间和第二电压子区间均位于电网电压的负半周期。

28、结合第二方面至第二方面第三种可能的实施方式中的任一种，在第四种可能的实施方式中，第一上桥臂开关管包括串联的第一开关管和第二开关管，第一下桥臂开关管包括串联的第三开关管和第四开关管，第二开关管连接第三开关管。在电网电压从第一电压子区间变化至第二电压区间且位于第二电压区间的情况下，控制第一开关管与第三开关管交替导通，控制第一开关管与第三开关管之间的死区时长大于等于电网电压位于第一电压子区间时第一开关管与第三开关管之间的死区时长，控制第一开关管和第三开关管中各开关管的开关频率大于等于电网电压位于第一电压子区间时各开关管的开关频率，并控制第二开关管与第四开关管均导通。其中，第二电压区间与第一电压区间相邻，第一电压区间包括所述第一电压子区间，第二电压区间和第一电压子区间均位于电网电压的正半周期。

29、结合第二方面至第二方面第四种可能的实施方式中的任一种，在第五种可能的实施方式中，功率变换装置在功率变换电路的输出端的功率因数为1时，控制第一上桥臂开关管与第二上桥臂开关管之间的相位差在电网电压过零点前后相差180°，其中，功率因数为电网电压与功率变换电路的输出端的交流电流之间的相位差的余弦值。

30、结合第二方面至第二方面第四种可能的实施方式中的任一种，在第六种可能的实施方式中，功率变换装置在功率变换电路的输出端的功率因数不为1时，控制第一上桥臂开关管与第二上桥臂开关管之间的相位差在电网电压过零点前后相差180°±δθ，其中，功率因数为电网电压与功率变换电路的输出端的交流电流之间的相位差的余弦值，δθ由电网电压位于电网电压过零点时交流电网的交流电流的幅值和极性确定。

31、结合第二方面第二种可能的实施方式至第二方面第六种可能的实施方式中的任一种，在第七种可能的实施方式中，功率变换电路还包括电感，电感与原边绕组串联在第一原边桥臂的中点与第二原边桥臂的中点之间，副边绕组连接副边桥臂。或者，原边绕组的两端分别连接第一原边桥臂的中点和第二原边桥臂的中点，电感与副边绕组串联后连接副边桥臂。

32、结合第二方面第七种可能的实施方式，在第八种可能的实施方式中，功率变换电路还包括第一电容和第二电容，其中，第一电容与第二电容串联后与副边桥臂并联，副边绕组的两端分别连接副边桥臂的中点和电容中点，或者，副边绕组与电感串联在副边桥臂的中点与电容中点之间，电容中点为第一电容与第二电容的连接处。

33、结合第二方面第七种可能的实施方式，在第九种可能的实施方式中，功率变换电路还包括第一电容，第一电容与原边绕组串联在第一原边桥臂的中点与第二原边桥臂的中点之间，副边绕组与电感串联在第一开关中点与第二开关中点之间。或者，原边绕组的两端分别连接第一原边桥臂的中点和第二原边桥臂的中点，副边绕组、第一电容与电感串联在第一开关中点与第二开关中点之间。或者，原边绕组与电感串联在第一原边桥臂的中点与第二原边桥臂的中点之间，副边绕组与第一电容串联在第一开关中点与第二开关中点之间。或者，原边绕组、第一电容与电感串联在第一原边桥臂的中点与第二原边桥臂的中点之间，副边绕组的两端分别连接第一开关中点和第二开关中点，其中，第一开关中点为第一开关管与第二开关管的连接处，第二开关中点为第三开关管与第四开关管的连接处。

34、结合第二方面第七种可能的实施方式，在第十种可能的实施方式中，功率变换电路还包括第一电容，第一电容与原边绕组串联在第一原边桥臂的中点与第二原边桥臂的中点之间，副边绕组与电感串联后与第一下桥臂开关管并联。或者，原边绕组的两端分别连接第一原边桥臂的中点和第二原边桥臂的中点，副边绕组、第一电容与电感串联后与第一下桥臂开关管并联。或者，原边绕组与电感串联在第一原边桥臂的中点与第二原边桥臂的中点之间，副边绕组与第一电容串联后与第一下桥臂开关管并联。或者，原边绕组、第一电容与电感串联在第一原边桥臂的中点与第二原边桥臂的中点之间，副边绕组与第一下桥臂开关管并联。

35、应理解的是，本技术上述多个方面的实现和有益效果可互相参考。