本发明属于电力电子及电池设备领域，具体涉及一种可双向变换的三相隔离型变换器及其控制方法。
背景技术：
1、当前出现的很多电池储能相关的应用场景，譬如充电桩，家庭储能，商业储能等，当前设备功率越来越大，采用三相供电方式的用电设备也越来越多，同时还要求电源可充可放，可削峰填谷；如电池储能，在能量富裕的时候可以将太阳能以及电网的能量转换为化学能储备在电池中，在能量使用高峰或者需要的时候又将电池中的化学能转换为电能释放到电网中，因此需要设备可以作交直流的双向变换，同时还需满足电池及电网的宽范围。如果电源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。
2、一般来说，都会采用可双向变换的三相交流整流变换加可双向的直流变换器，如图1所示，所以通常以交流部分会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，近年来单级双向变换器也成为大家研究的热点，是参考图1及图2中有提到的可双向变换的pfc变换器电路，两种电路都各自具有特色，图1及图2都类似矩阵变换器，图1属于硬开关变换，图2加入了lc谐振，属于软开关，但是图1因为硬开关，所以输入的矩阵桥及直流侧的变换器将会承受硬关断的尖峰电压，因此电压应力大，而图2虽然实现了软开关，但是会面临矩阵桥的切换逻辑控制复杂，难以保证在各种条件下都满足软开关切换，同时在面临直流或者交流款范围的时候将会受限，因此，有必要发明一种单级变换电路或者变换器，可以满足三相交流直流的双向软开关变换，以满足现实使用场景中直流端或者交流端的较宽范围，实现简单高效。
技术实现思路
1、本发明针对现有技术存在的无法满足交直流宽范围或者需要两级变换器多次升降压变换导致损耗大，变换复杂，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。提供了一种可双向变换的三相隔离型变换器及其控制方法。
2、为解决以上技术问题，本发明提供如下技术方案：一种可双向变换的高效单级三相隔离型变换器，其特征在于，包括：交流复合开关桥臂组，以及与交流复合开关桥臂组分别连接的高频吸收单元、串联谐振单元、高频隔离及变压单元，还包括与高频隔离及变压单元分别连接的整流逆变单元、直流吸收及滤波单元，所述高频吸收单元与串联谐振单元相连；串联谐振单元与高频隔离及变压单元连接；通过对交流复合开关桥臂组中的可控开关施分别加大、中、小模式pwm驱动信号，并对整流逆变单元的开关管施加不同的驱动信号实现直流的双向流动。
3、进一步地，前述的交流复合开关桥臂组包括的第一、二、三交流复合开关桥臂；第一、二、三交流复合开关桥臂的第一端口作为交流复合开关桥臂组的输入端，分别与三相三线电源的a、b、c相对应连接；
4、第一、二、三交流复合开关桥臂的第二端口与高频吸收单元的输入端、以及高频隔离及变压单元的第一输入端相连；第一、二、三交流复合开关桥臂的第三端口与其各自的第一、第二端口以双向开关的方式对应连接，且第一、二、三交流复合开关桥臂的第三端口与高频隔离及变压单元的第二输入端、串联谐振单元的输入端相连。(开关臂组和高频吸收、串联谐振)
5、进一步地，前述的高频吸收单元包括第一二极管q1、第二二极管q2、第三二极管q3、第四二极管q4、以及第一吸收电容cs1；
6、第一二极管q1的源极与第二二极管q2的漏极相连，且该相连端作为高频吸收单元的第一输入端与第一、二、三交流复合开关桥臂的第二端口连接；
7、第三二极管q3的源极与第四二极管q4的漏极相连，且该相连端作为高频吸收单元的第二输入端与第一、二、三交流复合开关桥臂的第三端口连接；
8、第一二极管q1的漏极、第三二极管q3的漏极、与第一吸收电容cs1的其中一端三者相连；
9、第二二极管q2的源极、第四二极管q4的源极、与第一吸收电容cs1的另一端三者相连。
10、进一步地，前述的串联谐振单元包括电容cr、以及电感lr；电容cr的其中一端作为串联谐振单元的输入端与第一、二、三交流复合开关桥臂的第三端口、以及高频吸收单元的第二输入端相连；
11、电容cr的另一端与电感lr的其中一端相连，所述电感lr的另一端作为串联谐振单元的输出端。
12、进一步地，前述的高频隔离及变压单元包括电感lm1、电感lm2、电感lm3；电感lm1的其中一端与电感lm2的其中一端相连，该相连端作为高频隔离及变压单元的第一一输入端口与第一、二、三交流复合开关桥臂的第二端口、以及高频吸收单元的第一输入端相连；电感lm1的另一端与电感lm2的另一端相连，该相连端作为高频隔离及变压单元的第二输入端，与电感lr的另一端相连；电感lm3与电感lm1、电感lm2产生互感效应并作为高频隔离及变压单元的输出端与整流逆变单元连接。
13、进一步地，前述的整流逆变单元包括：第五二极管q5、第六二极管q6、第七二极管q7、第八二极管q8；
14、第五二极管q5的源极、第七二极管q7的漏极、与电感lm3的其中一端相连，第六二极管q6的源极、第八二极管q8的漏极、与电感lm3的另一端相连，第五二极管q5的漏极、与第六二极管q6的漏极相连，且该相连端作为整流逆变单元的正输出端rec+与直流吸收及滤波单元连接；
15、第七二极管q7的源极、与第八二极管q8的源极相连，且该相连端作为整流逆变单元的正输出端rec-与直流吸收及滤波单元连接。
16、进一步地，前述的直流吸收及滤波单元包括：第九二极管q9、滤波电感l1、第一电容c1、吸收电容cs4；
17、第九二极管q9的源极与滤波电感l1的其中一端相连，且该相连端作为直流吸收及滤波单元的第一输入端与整流逆变单元的正输出端rec+相连；第九二极管q9的漏极与吸收电容cs4的其中一端相连；
18、吸收电容cs4的另一端、与第一电容c1的其中一端相连，且该相连端作为直流吸收及滤波单元的第二输入端与整流逆变单元的负输出端rec-相连，同时作为直流吸收及滤波单元的输出负端口bus-；
19、第一电容c1的另一端与滤波电感l1的另一端相连，且该相连端作为直流吸收及滤波单元的输出正端口bus+；
20、直流吸收及滤波单元的输出正端口bus+、以及直流吸收及滤波单元的输出负端口bus-作为高效单级三相隔离型变换器的输出端用于分别对应连接负载。
21、本发明还提供一种可双向变换的高效单级三相隔离型变换器的控制方法，包括如下步骤：
22、s1、根据外部设备输入的控制信息、以及程序预设的信息，判断变换器的工作模式是整流模式或逆变模式；
23、s2、对高频吸收单元中的作为续流管工作的二极管不施加驱动信号或者只施加同步整流驱动信号，对作直通工作的二极管管施加高电平直通驱动信号，对不需要导通的二级管不施加驱动信号或者施加低电平非导通信号；
24、s3、根据输入的三相三线电源电压信号的锁相或程序设定的离网交流输出相位表分析各相电源当前时刻所处的相位和区间段；并根据相位分析得到各个区间段中各相电源的电压的瞬时值大小，并将电压的瞬时值大小定义为大、中、小；
25、s4、设定交流复合桥臂组的二极管工作频率为谐振频率预设为90～110％区间内的某个固定值，以串联谐振单元谐振频率为根据电压的瞬时值的大、中、小对应各相的交流复合开关桥臂中的二极管施加对应大、中、小的有效导通占空比驱动信号，使交流复合开关桥臂中的二极管按照功率因数校正进行导通；并根据两相的相间瞬时值压差最大数值与直流端所输出电压根据变压比折算到交流侧的设定值的比值除以二作为“大”占空比的初值，“中”、“小”占空比相加等于“大”占空比，“中”、“小”的比值则等于相电压瞬时值较小两相的比值；在整流模式下，执行步骤s5，在逆变模式下，执行步骤s6；
26、s5、在整流模式下，对当前区间下的交流复合开关臂中的对应二极管施加驱动信号，进行pwm驱动控制使其中瞬时值大、中的两相电流先导通，然后将瞬时值为中的交流回路上的二级管通路关断，瞬时值为大的相和瞬时值为小的相的电流继续导通，三相交流复合开关桥臂组导通组成的第一端口至第二端口，再经串联谐振单元回到第三端口，再至第一端口的为正向通路；由第一端口至第三端口，再经谐振单元回到第二端口，再至第一端口为反向通路，正反向各自最大导通时间为二分之一开关周期或者占空比50％，其中包含死区时间；然后基于步骤s4得到的占空比的初值，及输出电压的瞬时电压反馈调节该正反向导通时间的占空比大小，整流逆变单元的第五二极管q5至第八二极管q8的通过其反向并联二极管整流输出，此时对第五二极管q5至第八二极管q8中对应已经整流导通的开关管施加同步整流驱动进行同步整流；直流吸收及滤波单元的第九开关管q9先通过其反向并联二极管向吸收滤波电容cs4充电，其吸收高频转换单元开关管的母线瞬间尖峰电压以及谐振电流与滤波电感l1的电流差值；然后施加驱动开通二极管q9进行同步整流，并在后续反向释放谐振电流与滤波电感l1的差值电流，并在交流复合开关桥臂正向或者反向导通结束前关闭驱动；
27、s6、在逆变模式下，根据s4确定整流逆变单元的第五二极管q5至第八二极管q8的驱动频率与交流复合桥臂组的开关管工作频率一致；并施加与整流模式下一致的同步整流驱动做反向逆变驱动，第六二极管q6、第八二极管q8或者第五二极管q5、第七二极管q7直通，滤波电感l1储能，此时第九二极管q9关闭，第五二极管q5、第八二极管q8或者第六二极管q6、第七二极管q7导通，滤波电感l1电动势反向释放能量，并与直流端电压形成串联，一起向交流端供电；同时直流吸收及滤波单元的第九二极管q9通过其反向并联二极管向吸收滤波电容cs4充电，其吸收高频转换单元开关管的母线尖峰电压以及谐振电流与滤波电感l1的电流差值；然后开通第九二极管q9进行同步整流，然后反向释放谐振电流与滤波电感l1的电流差值，并在第五二极管q5、第八二极管q8或者第六二极管q6、第七二极管q7导通结束之前进行关闭；第六二极管q6、第八二极管q8或者第五二极管q5、第七二极管q7短路直通最小导通时间为零，最大导通时间为二分之一开关周期或者占空比50％，其中包含死区时间，短路直通的时间越长，升压比例越高；反之，短路直通的时间越短，升压比例越小；
28、s7、在第五二极管q5、第八二极管q8或者第六二极管q6、第七二极管q7导通期间，根据三相交流复合开关桥臂组第二端口和第三端口的极性，对当前区间段下的交流复合开关桥臂中施加驱动信号进行pwm驱动控制使其中瞬时值最高相和瞬时值最低相的电流先导通；然后将已导通的瞬时值最低相交流回路上的开关管通路关断，再让瞬时值为大、中的两相电流继续导通；电流导通组成的由第一端口至第二端口，再经串联谐振单元回到第三端口，再至第一端口的为正向通路；电流由第一端口至第三端口，再经串联谐振单元回到第二端口，再至第一端口为反向通路；当下一开关周期开始，根据控制对输出电压的检测反馈，在上一次的占空比基础上进行误差调节，使下一个变换器周期输出电压稳定并且达到预设电压。
29、进一步地，前述的一种可双向变换的高效单级三相隔离型变换器的控制方法，在各相交流电压在区间段交叉点出现幅值相等的前后小段区间内，对各相电源的电压的瞬时值为中和低的相的交流复合开关桥臂施加对等的pwm驱动占空比，即各相与电源的电压的瞬时值为大的相交流复合开关桥臂构成同等时间的导通回路。
30、相较于现有技术，本发明采用以上技术方案的有益技术效果如下：
31、(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电压的弊端，也简化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；
32、(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，可以满足直流端宽范围的变换器稳压需求；
33、(3)可实现三相隔离型的双向变换，相比传统的双向变换电路更简单，且适应的电压范围也更加宽泛。
34、(4)从结构及性能上，高频吸收单元在交流复合开关桥臂关闭时提供串联谐振单元的谐振回路，每相交流复合开关桥臂中的“正”“负”桥臂看直接高频切换，并实现软开关变换，因此相对传统的三相逆变电路对开关管的高性能要求有所降低。
1.一种可双向变换的高效单级三相隔离型变换器，其特征在于，包括：交流复合开关桥臂组，以及与交流复合开关桥臂组分别连接的高频吸收单元、串联谐振单元、高频隔离及变压单元，还包括与高频隔离及变压单元分别连接的整流逆变单元、直流吸收及滤波单元，所述高频吸收单元与串联谐振单元相连；串联谐振单元与高频隔离及变压单元连接；通过对交流复合开关桥臂组中的可控开关施分别加大、中、小模式pwm驱动信号，并对整流逆变单元的开关管施加不同的驱动信号实现直流的双向流动。
2.根据权利要求1所述的一种可双向变换的高效单级三相隔离型变换器，其特征在于，交流复合开关桥臂组包括的第一、二、三交流复合开关桥臂；第一、二、三交流复合开关桥臂的第一端口作为交流复合开关桥臂组的输入端，分别与三相三线电源的a、b、c相对应连接；
3.根据权利要求1所述的一种可双向变换的高效单级三相隔离型变换器，其特征在于，高频吸收单元包括第一二极管q1、第二二极管q2、第三二极管q3、第四二极管q4、以及第一吸收电容cs1；
4.根据权利要求3所述的一种可双向变换的高效单级三相隔离型变换器，其特征在于，串联谐振单元包括电容cr、以及电感lr；电容cr的其中一端作为串联谐振单元的输入端与第一、二、三交流复合开关桥臂的第三端口、以及高频吸收单元的第二输入端相连；
5.根据权利要求4所述的一种可双向变换的高效单级三相隔离型变换器，其特征在于，高频隔离及变压单元包括电感lm1、电感lm2、电感lm3；
6.根据权利要求5所述的一种可双向变换的高效单级三相隔离型变换器，其特征在于，整流逆变单元包括：第五二极管q5、第六二极管q6、第七二极管q7、第八二极管q8；
7.根据权利要求6所述的一种可双向变换的高效单级三相隔离型变换器，其特征在于，直流吸收及滤波单元包括：第九二极管q9、滤波电感l1、第一电容c1、吸收电容cs4；
8.一种可双向变换的高效单级三相隔离型变换器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
9.根据权利要求8所述的一种可双向变换的高效单级三相隔离型变换器的控制方法，其特征在于，在各相交流电压在区间段交叉点出现幅值相等的前后小段区间内，对各相电源的电压的瞬时值为中和低的相的交流复合开关桥臂施加对等的pwm驱动占空比，即各相与电源的电压的瞬时值为大的相交流复合开关桥臂构成同等时间的导通回路。
