一种九桥臂单级隔离三相双向ac/dc变换器
阅读说明：本技术 一种九桥臂单级隔离三相双向ac/dc变换器 (Nine-bridge-arm single-stage isolated three-phase bidirectional AC/DC converter ) 是由 顾玲 常松 于 2020-03-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种九桥臂单级隔离三相双向AC/DC变换器,包括交流侧滤波电感、交流侧三相桥臂、隔离变压器、直流侧三相桥臂、直流侧滤波电容,所述交流侧滤波电感包括A相电感、B相电感、C相电感；所述交流侧三相桥臂包含六个桥臂,每个桥臂分别由两个开关管串联组成；所述隔离变压器包括A相变压器、B相变压器、C相变压器；所述直流侧三相桥臂包含三个桥臂,每个桥臂分别由两个开关管串联组成。本发明在实现负载与电网之间电气隔离的同时,减少了功率器件的数目,降低了开关管的开关损耗,提高了电能的转换效率。(The invention discloses a nine-leg single-stage isolation three-phase bidirectional AC/DC converter which comprises an AC side filter inductor, an AC side three-phase leg, an isolation transformer, a DC side three-phase leg and a DC side filter capacitor, wherein the AC side filter inductor comprises an A-phase inductor, a B-phase inductor and a C-phase inductor; the alternating-current side three-phase bridge arm comprises six bridge arms, and each bridge arm is formed by connecting two switching tubes in series; the isolation transformer comprises an A-phase transformer, a B-phase transformer and a C-phase transformer; the direct-current side three-phase bridge arm comprises three bridge arms, and each bridge arm is formed by connecting two switching tubes in series. The invention reduces the number of power devices, reduces the switching loss of the switching tube and improves the conversion efficiency of electric energy while realizing the electrical isolation between the load and the power grid.)
技术领域
本发明涉及一种AC/DC变换器，具体涉及一种九桥臂单级隔离三相双向 AC/DC变换器。
背景技术
太阳能、风能等可再生能源发电容易受到自然条件的影响，呈现不稳定性， 需要在直流微电网与交流电网之间设置接口AC/DC变换器以实现能量双向传递、 调控整个微电网的能量平衡。在大功率场合，通常使用三相双向AC/DC变换器。
三相双向AC/DC变换器通常采用三相电压型PWM整流器，由于电压型双 向变换器在整流过程中呈升压特性，即直流侧输出电压高于交流侧的电压峰值， 且变换器本身未实现电气隔离，因此存在一定的安全隐患。一些方案通过加入隔 离变压器，实现交流侧和直流侧的电压匹配以及安全隔离，如在交流侧加入工频 隔离变压器，或者采用两级式变换器的拓扑结构，在后级加入高频隔离双向 DC/DC变换器。然而，上述描述的第一种方式由于工频变压器的体积大，导致 变换器对工作空间有较高要求；第二种方式由于采用两级式功率变换和较大的耦 合电容，导致变换器效率和功率密度下降。还有一些方案通过隔离型三相AC/DC 变换器实现电气隔离，但是开关管数量多，降低了电能的转换效率与功率密度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种九桥臂单级隔离三相双向AC/DC变换器。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种九桥臂单级隔离三相双向AC/DC 变换器，包括交流侧滤波电感、交流侧三相桥臂、隔离变压器、直流侧三相桥臂、 直流侧滤波电容，所述交流侧滤波电感包括A相电感、B相电感、C相电感；所 述交流侧三相桥臂包含六个桥臂，每个桥臂分别由两个开关管串联组成，其中第 一桥臂由第一开关管、第二开关管组成，第二桥臂由第三开关管、第四开关管组 成，第三桥臂由第五开关管、第六开关管组成，第四桥臂由第七开关管、第八开 关管组成，第五桥臂由第九开关管、第十开关管组成，第六桥臂由第十一开关管、 第十二开关管组成；所述隔离变压器包括A相变压器、B相变压器、C相变压器； 所述直流侧三相桥臂包含三个桥臂，每个桥臂分别由两个开关管串联组成，其中 第七桥臂由第十三开关管、第十四开关管组成，第八桥臂由第十五开关管、第十 六开关管组成，第九桥臂由第十七开关管、第十八开关管组成；
第一开关管的发射极与第二开关管的集电极相连，连接点再与A相电感的 一端相连；第三开关管的发射极与第四开关管的集电极相连，连接点再与B相 电感的一端相连；第五开关管的发射极与第六开关管的集电极相连，连接点再与 C相电感的一端相连；A相电感、B相电感、C相电感的另一端分别与交流侧电 源或者三相负载相连；第七开关管的发射极与第八开关管的集电极相连，连接点 作为第一公共端口，第九开关管的发射极与第十开关管的集电极相连，连接点作 为第二公共端口，第十一开关管的发射极与第十二开关管的集电极相连,连接点 作为第三公共端口；第一开关管的集电极与第三开关管的集电极、第五开关管的 集电极、第七开关管的集电极、第九开关管的集电极、第十一开关管的集电极相 连；第二开关管的发射极与第四开关管的发射极、第六开关管的发射极、第八开 关管的发射极、第十开关管的发射极、第十二开关管的发射极相连；
第十三开关管的发射极与第十四开关管的集电极相连，连接点作为第四公共 端口；第十五开关管的发射极与第十六开关管的集电极相连，连接点作为第五公 共端口；第十七开关管的发射极与第十八开关管的集电极相连，连接点作为第六 公共端口；第十三开关管的集电极与第十五开关管的集电极、第十七开关管的集 电极相连，连接点再与直流侧滤波电容的正端相连；第十四开关管的发射极与第 十六开关管的发射极、第十八开关管的发射极相连，连接点再与直流侧滤波电容 的负端相连；
三个变压器的原边绕组分别连接第一公共端口、第二公共端口、第三公共端 口，副边绕组分别连接第四公共端口、第五公共端口、第六公共端口。
进一步的，所述变压器的原边绕组、副边绕组均有两种连接方式：星形连接 和三角形连接，隔离变压器有四种组合方式：原边星形-副边三角形连接、原边 星形-副边星形连接、原边三角形-副边星形连接以及原边三角形-副边三角形连接。
更进一步的，所述隔离变压器的连接方式为原边星形-副边三角形连接时， 第一公共端口连接A相变压器原边绕组的同名端，第二公共端口连接B相变压 器原边绕组的同名端，第三公共端口连接C相变压器原边绕组的同名端；A相 变压器原边绕组的异名端与B相变压器原边绕组的异名端、C相变压器原边绕组 的异名端相连；第四公共端口连接A相变压器副边绕组的同名端与B相变压器 副边绕组的异名端的连接点，第五公共端口连接B相变压器副边绕组的同名端 与C相变压器副边绕组的异名端的连接点，第六公共端口连接C相变压器副边 绕组的同名端与A相变压器副边绕组的异名端的连接点。
更进一步的，所述隔离变压器的连接方式为原边星形-副边星形连接时，第 一公共端口连接A相变压器原边绕组的同名端，第二公共端口连接B相变压器 原边绕组的同名端，第三公共端口连接C相变压器原边绕组的同名端；A相变 压器原边绕组的异名端与B相变压器原边绕组的异名端、C相变压器原边绕组的 异名端相连；第四公共端口连接A相变压器副边绕组的同名端，第五公共端口 连接B相变压器副边绕组的同名端，第六公共端口连接C相变压器副边绕组的 同名端；A相变压器副边绕组的异名端与B相变压器副边绕组的异名端、C相变 压器副边绕组的异名端相连。
更进一步的，所述隔离变压器的连接方式为原边三角形-副边星形连接时， 第一公共端口连接A相变压器原边绕组的同名端与B相变压器原边绕组的异名 端的连接点，第二公共端口连接B相变压器原边绕组的同名端与C相变压器原 边绕组的异名端的连接点，第三公共端口连接C相变压器原边绕组的同名端与A 相变压器原边绕组的异名端的连接点；第四公共端口连接A相变压器副边绕组 的同名端，第五公共端口连接B相变压器副边绕组的同名端，第六公共端口连 接C相变压器副边绕组的同名端；A相变压器副边绕组的异名端与B相变压器 副边绕组的异名端、C相变压器副边绕组的异名端相连。
更进一步的，所述隔离变压器的连接方式为原边三角形-副边三角形连接时， 第一公共端口连接A相变压器原边绕组的同名端与B相变压器原边绕组的异名 端的连接点，第二公共端口连接B相变压器原边绕组的同名端与C相变压器原 边绕组的异名端的连接点，第三公共端口连接C相变压器原边绕组的同名端与A 相变压器原边绕组的异名端的连接点；第四公共端口连接A相变压器副边绕组 的同名端与B相变压器副边绕组的异名端的连接点，第五公共端口连接B相变 压器副边绕组的同名端与C相变压器副边绕组的异名端的连接点，第六公共端 口连接C相变压器副边绕组的同名端与A相变压器副边绕组的异名端的连接点。
进一步的，所有开关管由一个单向开关管和二极管反相并联而成。
更进一步的，所述二极管是IGBT反并二极管或者MOSFET寄生二极管， 所述单向开关管是三极管、IGBT或者MOSFET。
基于上述九桥臂单级隔离三相双向AC/DC变换器的SVPWM调制方法，包 括如下步骤：
步骤1、定义开关状态；
采用
步骤2、划分扇区
利用不同组合的开关状态合成空间电压矢量，将空间电压矢量组成六边形， 该六边形包含零电压矢量和6个非零电压矢量，由6个非零电压矢量方向将整个 六边形分成6个扇区；
步骤3、建立开关状态与基本电压矢量的对应关系
扇区1～6内开关状态与电压矢量的对应关系如表1～6所示，每个扇区的基本 电压矢量图包括2个非零电压矢量和1个零电压矢量，与每个非零电压矢量对应 的有3个开关状态，与零电压矢量对应的有2个开关状态，因此各扇区基本电压 矢量对应8个开关状态；
步骤4、确定开关状态切换次序
首先考虑参考电压矢量u所在区间内的两条基本电压矢量，从基本电压矢量 对应的8个开关状态
分配每组3个开关状态的总作用时间为开关周期的三分之一，与非零电压矢 量对应的2个开关状态作用时间均为对应矢量方向上的电压矢量总作用时间的 三分之一，以确保三个变压器的伏秒平衡；
然后结合开关切换次数最少以及保证变压器在一个开关周期内伏秒平衡的 原则，确定具体开关切换次序；
步骤5、计算矢量时间
首先确定参考电压矢量所在扇区的基本电压矢量的作用时间；
然后结合矢量合成的原理以及变压器伏秒平衡的原则，获得各个开关状态的 作用时间与基本电压矢量的作用时间之间的关系方程组；
最后解该方程组得到各个开关状态的作用时间。
进一步的，步骤4确定开关状态切换次序替换为如下方案：
首先将2个与零电压矢量对应的开关状态分别放在每个开关周期的开始与 结束位置，将与非零电压矢量对应的6个开关状态放在2个与零电压矢量对应的 开关状态之间；
分配相同非零电压矢量方向上的3个开关状态的作用时间相等，均为对应矢 量方向上的电压矢量总作用时间的三分之一，以确保三个变压器的伏秒平衡；
然后结合开关切换次数最少以及保证变压器在一个开关周期内伏秒平衡的 原则，确定具体开关切换次序。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：在实现负载与电网之间电气隔离 的同时，减少了功率器件的数目，降低了开关管的开关损耗，提高了电能的转换 效率。
附图说明
图1是本发明九桥臂单级隔离三相双向AC/DC变换器的电路结构示意图， 其中(a)为原边星形-副边三角形的电路结构示意图，(b)为原边星形-副边星 形的电路结构示意图，(c)为原边三角形-副边星形的电路结构示意图，(d)为 原边三角形-副边三角形的电路结构示意图。
图2是本发明九桥臂单级隔离三相双向AC/DC变换器在扇区1内的基本电 压空间矢量图。
图3是本发明九桥臂单级隔离三相双向AC/DC变换器的基本矢量图。
图4是本发明九桥臂单级隔离三相双向AC/DC变换器的控制方案一在扇区 1内的开关管驱动波形图。
图5是本发明九桥臂单级隔离三相双向AC/DC变换器的控制方案二在扇区 1内的开关管驱动波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明九桥臂单级隔离三相双向AC/DC变换器包括交流侧滤 波电感1、交流侧三相桥臂2、隔离变压器3、直流侧三相桥臂4、直流侧滤波电 容5，所述交流侧滤波电感1包括A相电感La、B相电感Lb、C相电感Lc；所 述交流侧三相桥臂2包含六个桥臂，每个桥臂分别由两个开关管串联组成，其中 第一桥臂由第一开关管Qa1、第二开关管Qa2组成，第二桥臂由第三开关管Qa3、 第四开关管Qa4组成，第三桥臂由第五开关管Qa5、第六开关管Qa6组成，第四 桥臂由第七开关管Qp1、第八开关管Qp2组成，第五桥臂由第九开关管Qp3、第十 开关管Qp4组成，第六桥臂由第十一开关管Qp5、第十二开关管Qp6组成；所述 隔离变压器3包括A相变压器Tra、B相变压器Trb、C相变压器Trc；所述直流 侧三相桥臂4包含三个桥臂，每个桥臂分别由两个开关管串联组成，其中第七桥 臂由第十三开关管Qs1、第十四开关管Qs2组成，第八桥臂由第十五开关管Qs3、 第十六开关管Qs4组成，第九桥臂由第十七开关管Qs5、第十八开关管Qs6组成；
第一开关管Qa1的发射极与第二开关管Qa2的集电极相连，连接点再与A相 电感La的一端相连；第三开关管Qa3的发射极与第四开关管Qa4的集电极相连， 连接点再与B相电感Lb的一端相连；第五开关管Qa5的发射极与第六开关管Qa6的集电极相连，连接点再与C相电感Lc的一端相连；A相电感La、B相电感Lb、 C相电感Lc的另一端分别与交流侧电源(整流或并网逆变)或者三相负载相连 (独立逆变)；第七开关管Qp1的发射极与第八开关管Qp2的集电极相连，连接 点作为第一公共端口ap，第九开关管Qp3的发射极与第十开关管Qp4的集电极相 连，连接点作为第二公共端口bp，第十一开关管Qp5的发射极与第十二开关管 Qp6的集电极相连,连接点作为第三公共端口cp；第一开关管Qa1的集电极与第 三开关管Qa3的集电极、第五开关管Qa5的集电极、第七开关管Qp1的集电极、 第九开关管Qp3的集电极、第十一开关管Qp5的集电极相连；第二开关管Qa2的 发射极与第四开关管Qa4的发射极、第六开关管Qa6的发射极、第八开关管Qp2的发射极、第十开关管Qp4的发射极、第十二开关管Qp6的发射极相连。
第十三开关管Qs1的发射极与第十四开关管Qs2的集电极相连，连接点作为 第四公共端口as；第十五开关管Qs3的发射极与第十六开关管Qs4的集电极相连， 连接点作为第五公共端口bs；第十七开关管Qs5的发射极与第十八开关管Qs6的 集电极相连，连接点作为第六公共端口cs；第十三开关管Qs1的集电极与第十五 开关管Qs3的集电极、第十七开关管Qs5的集电极相连，连接点再与直流侧滤波 电容5的正端相连；第十四开关管Qs2的发射极与第十六开关管Qs4的发射极、 第十八开关管Qs6的发射极相连，连接点再与直流侧滤波电容5的负端相连。
三个变压器Tra、Trb、Trc的原边绕组分别连接第一公共端口ap、第二公共端 口bp、第三公共端口cp，副边绕组分别连接第四公共端口as、第五公共端口bs、 第六公共端口cs。
作为一种具体实施方式，变压器的原边绕组、副边绕组均有两种连接方式： 星形连接和三角形连接，隔离变压器有四种组合方式：原边星形-副边三角形连 接、原边星形-副边星形连接、原边三角形-副边星形连接以及原边三角形-副边三 角形连接，如图1(a)～(d)所示。
图1(a)中九桥臂单级隔离三相双向AC/DC变换器的隔离变压器的连接方 式为原边星形-副边三角形连接。第一公共端口ap连接A相变压器原边绕组的同 名端，第二公共端口bp连接B相变压器原边绕组的同名端，第三公共端口cp连 接C相变压器原边绕组的同名端；A相变压器原边绕组的异名端与B相变压器 原边绕组的异名端、C相变压器原边绕组的异名端相连；第四公共端口as连接A 相变压器副边绕组的同名端与B相变压器副边绕组的异名端的连接点，第五公 共端口bs连接B相变压器副边绕组的同名端与C相变压器副边绕组的异名端的 连接点，第六公共端口cs连接C相变压器副边绕组的同名端与A相变压器副边 绕组的异名端的连接点。
图1(b)中九桥臂单级隔离三相双向AC/DC变换器的隔离变压器的连接方 式为原边星形-副边星形连接。第一公共端口ap连接A相变压器原边绕组的同名 端，第二公共端口bp连接B相变压器原边绕组的同名端，第三公共端口cp连接 C相变压器原边绕组的同名端；A相变压器原边绕组的异名端与B相变压器原边 绕组的异名端、C相变压器原边绕组的异名端相连；第四公共端口as连接A相 变压器副边绕组的同名端，第五公共端口bs连接B相变压器副边绕组的同名端， 第六公共端口cs连接C相变压器副边绕组的同名端；A相变压器副边绕组的异 名端与B相变压器副边绕组的异名端、C相变压器副边绕组的异名端相连。
图1(c)中九桥臂单级隔离三相双向AC/DC变换器的隔离变压器的连接方 式为原边三角形-副边星形连接。第一公共端口ap连接A相变压器原边绕组的同 名端与B相变压器原边绕组的异名端的连接点，第二公共端口bp连接B相变压 器原边绕组的同名端与C相变压器原边绕组的异名端的连接点，第三公共端口 cp连接C相变压器原边绕组的同名端与A相变压器原边绕组的异名端的连接点； 第四公共端口as连接A相变压器副边绕组的同名端，第五公共端口bs连接B相 变压器副边绕组的同名端，第六公共端口cs连接C相变压器副边绕组的同名端； A相变压器副边绕组的异名端与B相变压器副边绕组的异名端、C相变压器副边 绕组的异名端相连。
图1(d)中一种九桥臂单级隔离三相双向AC/DC变换器的隔离变压器的连 接方式为原边三角形-副边三角形连接。第一公共端口ap连接A相变压器原边绕 组的同名端与B相变压器原边绕组的异名端的连接点，第二公共端口bp连接B 相变压器原边绕组的同名端与C相变压器原边绕组的异名端的连接点，第三公 共端口cp连接C相变压器原边绕组的同名端与A相变压器原边绕组的异名端的 连接点；第四公共端口as连接A相变压器副边绕组的同名端与B相变压器副边 绕组的异名端的连接点，第五公共端口bs连接B相变压器副边绕组的同名端与 C相变压器副边绕组的异名端的连接点，第六公共端口cs连接C相变压器副边 绕组的同名端与A相变压器副边绕组的异名端的连接点。
上述隔离变压器的四种组合方式能够提供本身匝数比以外的不同等效的电 压比。原边星形-副边三角形连接额外提供2:1变压器变比，适用于降压场合； 原边三角形-副边星形连接额外提供1:2变压器变比，适用于升压场合；原边星 形-副边星形连接和原边三角形-副边三角形连接不提供额外变压器变比。
作为一种更具体实现方式，开关管均是由一个单向开关管和二极管反相并联 而成，其中Qa1由一个单向开关管和二极管Da1并联而成，Qa2由一个单向开关 管和二极管Da2并联而成，Qa3由一个单向开关管和二极管Da3并联而成，Qa4由 一个单向开关管和二极管Da4并联而成，Qa5由一个单向开关管和二极管Da5并 联而成，Qa6由一个单向开关管和二极管Da6并联而成，Qp1由一个单向开关管和 二极管Dp1并联而成，Qp2由一个单向开关管和二极管Dp2并联而成，Qp3由一个 单向开关管和二极管Dp3并联而成，Qp4由一个单向开关管和二极管Dp4并联而 成，Qp5由一个单向开关管和二极管Dp5并联而成，Qp6由一个单向开关管和二极 管Dp6并联而成，Qs1由一个单向开关管和二极管Ds1并联而成，Qs2由一个单向 开关管和二极管Ds2并联而成，Qs3由一个单向开关管和二极管Ds3并联而成， Qs4由一个单向开关管和二极管Ds4并联而成，Qs5由一个单向开关管和二极管 Ds5并联而成，Qs6由一个单向开关管和二极管Ds6并联而成。并联时单向开关管 的发射极与二极管的阳极相连，单向开关管的集电极与二极管的阴极相连。
作为一种更具体实现方式，二极管Da1、Da2、Da3、Da4、Da5、Da6、Dp1、 Dp2、Dp3、Dp4、Dp5、Dp6、Ds1、Ds2、Ds3、Ds4、Ds5、Ds6是IGBT反并二极管或 者MOSFET寄生二极管。当开关频率较低时采用普通的整流二极管，当开关频 率较高时，采用快速恢复二极管或者肖特基二极管。
作为一种更具体实现方式，单向开关管可以是三极管、IGBT或者MOSFET， 针对三极管和IGBT，单向开关管的集电极对应三极管或者IGBT的集电极，单 向开关管的发射极对应三极管或者IGBT的发射极；针对MOSFET，单向开关管 的集电极对应MOSFET的漏极，单向开关管的发射极对应MOSFET的源极。
本发明九桥臂单级隔离三相双向AC/DC变换器，当变换器工作在整流模式 时，变换器交流侧为输入侧，接三相交流电压源，直流侧为输出侧，接负载；当 变换器工作在逆变模式时，变换器直流侧为输入侧，接直流电压源，交流侧为输 出侧，接三相负载或三相交流电压源。由于变换器中引入了三个高频变压器，需 要同时考虑三个变压器的磁复位问题，而已有的SVPWM调制技术的实施过程 并不适用于本发明的变换器，因此需提出适用于本发明变换器的SVPWM调制 策略。隔离变压器的四种组合方式均适用于本发明变换器的SVPWM调制策略。 下面以图1(a)中一种九桥臂单级隔离三相双向AC/DC变换器为例，结合图2-5分别叙述一种九桥臂单级隔离三相双向AC/DC变换器的SVPWM调制策略。
为了分析方便，假设所有开关管和二极管均为理想器件；所有电感、电容和 变压器均为理想元件；直流侧滤波电容足够大，可近似认为是一个电压源Vdc， Vdc为直流侧电压。假设隔离变压器3中三个变压器的原、副边绕组匝数均相同， 分别为np、ns。iap、ibp、icp分别为A、B、C相变压器原边绕组电流，vTa、vTb、 vTc分别A、B、C相变压器原边绕组两端电压，ias、ibs、ics分别为A、B、C相变 压器副边绕组电流，ia、ib、ic分别为三相电感电流，ea、eb、ec分别为三相交流 侧电压。下面介绍本发明提出的单级隔离三相双向AC/DC变换器的SVPWM调 制方法，具体包括如下步骤：
步骤1、定义开关状态
采用的格式，定义开关状态，其中Sa、Sb、Sc分别代表交流 侧三相桥臂中六个开关管Qa1、Qa2、Qa3、Qa4、Qa5、Qa6的开关状态，当开关管 Qa1导通时定义Sa为1，当开关管Qa2导通时定义Sa为0；当开关管Qa3导通时 定义Sb为1，当开关管Qa4导通时定义Sb为0；当开关管Qa5导通时定义Sc为1， 当开关管Qa6导通时定义Sc为0。Sd、Se、Sf分别代表交流侧三相桥臂中六个开 关管Qp1、Qp2、Qp3、Qp4、Qp5、Qp6的开关状态，当开关管Qp1导通时定义Sd为 1，当开关管Qp2导通时定义Sd为-1，当开关管Qp1、Qp2都不导通时定义Sd为0； 当开关管Qp3导通时定义Se为1，当开关管Qp4导通时定义Se为-1，当开关管Qp3、 Qp4都不导通时定义Se为0；当开关管Qp5导通时定义Sf为1，当开关管Qp6导通 时定义Sf为-1，当开关管Qp5、Qp6都不导通时定义Sf为0。Sx、Sy、Sz分别代表 直流侧三相桥臂中六个开关管Qs1、Qs2、Qs3、Qs4、Qs5、Qs6的开关状态，当开 关管Qs1导通时定义Sx为1，当开关管Qs2导通时定义Sx为-1，当开关管Qs1、 Qs2都不导通时定义Sx为0；当开关管Qs3导通时定义Sy为1，当开关管Qs4导通 时定义Sy为-1，当开关管Qs3、Qs4都不导通时定义Sy为0；当开关管Qs5导通时 定义Sz为1，当开关管Qs6导通时定义Sz为-1，当开关管Qs5、Qs6都不导通时定 义Sz为0。A、B、C分别代表A、B、C三相变压器两端电压方向，当A相变压 器两端电压的同名端为正时A为+，当A相变压器两端电压的同名端为负时A 为-，当A相变压器两端电压为零时A为0，当B相变压器两端电压的同名端为 正时B为+，当B相变压器两端电压的同名端为负时B为-，当B相变压器两端 电压为零时B为0，当C相变压器两端电压的同名端为正时C为+，当C相变压 器两端电压的同名端为负时C为-，当C相变压器两端电压为零时C为0。
步骤2、划分扇区
利用不同组合的开关状态合成空间电压矢量，将空间电压矢量组成六边形， 该六边形包含零电压矢量和6个非零电压矢量，由6个非零电压矢量方向将整个 六边形分成6个扇区。
步骤3、建立开关状态与基本电压矢量的对应关系
表1～6给出了扇区1～6内开关状态与电压矢量的对应关系。由于整流模式下， 副边开关管Qs1～6可以不给驱动信号，电流流经开关管的反并二极管Ds1～6完成整 流，此时Sx＝0，Sy＝0，Sz＝0。而逆变模式下，其基本控制方法的实现方式与整流 模式类似，只是直流侧的开关管需加以驱动信号，因此本发明中，在整流模式时 同样给副边开关管Qs1～6加以驱动信号。
表1扇区1内开关状态与电压矢量的对应关系
S<sub>a</sub>
S<sub>b</sub>
S<sub>c</sub>
S<sub>d</sub>
S<sub>e</sub>
S<sub>f</sub>
S<sub>x</sub>
S<sub>y</sub>
S<sub>z</sub>
A
B
C
v
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
-1
0
1
-1
-1
+
-
0
(4n<sub>p</sub>/3n<sub>s</sub>)V<sub>dc</sub>
1
0
0
0
1
-1
-1
1
-1
0
+
-
(4n<sub>p</sub>/3n<sub>s</sub>)V<sub>dc</sub>
1
0
0
-1
0
1
-1
-1
1
-
0
+
(4n<sub>p</sub>/3n<sub>s</sub>)V<sub>dc</sub>
1
1
0
1
-1
0
1
-1
-1
+
-
0
-α<sup>2</sup>(4n<sub>p</sub>/3n<sub>s</sub>)V<sub>dc</sub>
1
1
0
0
1
-1
-1
1
-1
0
+
-
-α<sup>2</sup>(4n<sub>p</sub>/3n<sub>s</sub>)V<sub>dc</sub>
1
1
0
-1
0
1
-1
-1
1
-
0
+
-α<sup>2</sup>(4n<sub>p</sub>/3n<sub>s</sub>)V<sub>dc</sub>
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
表2扇区2内开关状态与电压矢量的对应关系
表3扇区3内开关状态与电压矢量的对应关系
S<sub>a</sub>
S<sub>b</sub>
S<sub>c</sub>
S<sub>d</sub>
S<sub>e</sub>
S<sub>f</sub>
S<sub>x</sub>
S<sub>y</sub>
S<sub>z</sub>
A
B
C
v
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
1
-1
0
1
-1
-1
+
-
0
α(4n<sub>p</sub>/3n<sub>s</sub>)V<sub>dc</sub>
0
1
0
0
1
-1
-1
1
-1
0
+
-
α(4n<sub>p</sub>/3n<sub>s</sub>)V<sub>dc</sub>
0
1
0
-1
0
1
-1
-1
1
-
0
+
α(4n<sub>p</sub>/3n<sub>s</sub>)V<sub>dc</sub>
0
1
1
1
-1
0
1
-1
-1
+
-
0
-(4n<sub>p</sub>/3n<sub>s</sub>)V<sub>dc</sub>
0
1
1
0
1
-1
-1
1
-1
0
+
-
-(4n<sub>p</sub>/3n<sub>s</sub>)V<sub>dc</sub>
0
1
1
-1
0
1
-1
-1
1
-
0
+
-(4n<sub>p</sub>/3n<sub>s</sub>)V<sub>dc</sub>
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
表4扇区4内开关状态与电压矢量的对应关系
S<sub>a</sub>
S<sub>b</sub>
S<sub>c</sub>
S<sub>d</sub>
S<sub>e</sub>
S<sub>f</sub>
S<sub>x</sub>
S<sub>y</sub>
S<sub>z</sub>
A
B
C
v
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
-1
0
1
-1
-1
+
-
0
α<sup>2</sup>(4n<sub>p</sub>/3n<sub>s</sub>)V<sub>dc</sub>
0
0
1
0
1
-1
-1
1
-1
0
+
-
α<sup>2</sup>(4n<sub>p</sub>/3n<sub>s</sub>)V<sub>dc</sub>
0
0
1
-1
0
1
-1
-1
1
-
0
+
α<sup>2</sup>(4n<sub>p</sub>/3n<sub>s</sub>)V<sub>dc</sub>
0
1
1
1
-1
0
1
-1
-1
+
-
0
-(4n<sub>p</sub>/3n<sub>s</sub>)V<sub>dc</sub>
0
1
1
0
1
-1
-1
1
-1
0
+
-
-(4n<sub>p</sub>/3n<sub>s</sub>)V<sub>dc</sub>
0
1
1
-1
0
1
-1
-1
1
-
0
+
-(4n<sub>p</sub>/3n<sub>s</sub>)V<sub>dc</sub>
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
表5扇区5内开关状态与电压矢量的对应关系
表6扇区6内开关状态与电压矢量的对应关系
S<sub>a</sub>
S<sub>b</sub>
S<sub>c</sub>
S<sub>d</sub>
S<sub>e</sub>
S<sub>f</sub>
S<sub>x</sub>
S<sub>y</sub>
S<sub>z</sub>
A
B
C
v
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
-1
0
1
-1
-1
+
-
0
(4n<sub>p</sub>/3n<sub>s</sub>)V<sub>dc</sub>
1
0
0
0
1
-1
-1
1
-1
0
+
-
(4n<sub>p</sub>/3n<sub>s</sub>)V<sub>dc</sub>
1
0
0
-1
0
1
-1
-1
1
-
0
+
(4n<sub>p</sub>/3n<sub>s</sub>)V<sub>dc</sub>
1
0
1
1
-1
0
1
-1
-1
+
-
0
-α(4n<sub>p</sub>/3n<sub>s</sub>)V<sub>dc</sub>
1
0
1
0
1
-1
-1
1
-1
0
+
-
-α(4n<sub>p</sub>/3n<sub>s</sub>)V<sub>dc</sub>
1
0
1
-1
0
1
-1
-1
1
-
0
+
-α(4n<sub>p</sub>/3n<sub>s</sub>)V<sub>dc</sub>
1
1
1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
图2为扇区1内的基本电压矢量图，包括2个非零电压矢量(即扇区边界) 和1个零电压矢量，与非零电压矢量对应的有6个开关状态，与零电压矢量对应 的有2个开关状态，因此扇区1基本电压矢量对应8个开关状态。同理可得其他 扇区的基本电压矢量图，合成即得到九桥臂单级隔离三相双向AC/DC变换器 SVPWM调制方法的基本电压矢量图，见图3。
步骤4、确定开关状态切换次序
在确定开关状态的切换次序时，只考虑参考电压矢量u所在区间内的两条基 本电压矢量，从基本电压矢量对应的8个开关状态中，选择A、 B、C均相同的2个开关状态分成一组，可将与非零电压矢量对应的开关状态分 成3组，每组再添加1个相应的与零矢量对应的开关状态；每组3个开关状态的 总作用时间为开关周期的三分之一，与非零电压矢量对应的2个开关状态作用时 间均为对应矢量方向上的电压矢量总作用时间的三分之一，以确保三个变压器的 伏秒平衡；最后结合开关切换次数最少以及保证变压器在一个开关周期内伏秒平 衡的原则，确定具体开关切换次序。以参考电压矢量位于第1扇区为例，开关状 态切换次序为：
步骤5、计算矢量时间
确定参考电压矢量所在扇区的基本电压矢量的作用时间，结合矢量合成的原 理以及变压器伏秒平衡的原则，获得各个开关状态的作用时间与基本电压矢量的 作用时间之间的关系方程组，解该方程组得到各个开关状态的作用时间。以扇区 1为例，计算各开关状态作用时间的具体方法为：
首先对各个开关状态的作用时间进行如下定义；
假设参考电压矢量u位于第一扇区，在αβ坐标下的分量为vα、vβ，因此需 要计算0度方向电压矢量、60度方向电压矢量以及零矢量的作用时间，分别为 T1、T2、T0：
根据矢量合成的原理以及变压器伏秒平衡的原则，可以得到以下表达式：
选取以上方程组的一组特殊解：
其中开关周期Ts＝T1+T2+T0，由此可以计算出每个开关状态对应的时间，从 而对变换器进行准确控制。图4给出了该方案扇区1内的开关管驱动波形以及变 压器两端的电压波形。上述方案中开关管Qa1～6的工作频率是开关管Qp1～6的工作 频率的两倍；
本发明还有第二种调制方案，具体包括如下步骤：
步骤1，采用的格式，定义开关状态；
步骤2，利用不同组合的开关状态合成空间电压矢量，将空间电压矢量组成 六边形，该六边形包含零电压矢量和6个非零电压矢量，由6个非零电压矢量方 向将整个六边形分成6个扇区，每个扇区边界的两个基本电压矢量方向上，每个 非零电压矢量分别对应有3个开关状态，零电压矢量对应的有2个开关状态，即 每个扇区的基本电压矢量共对应8个开关状态；
步骤3，在确定开关状态的切换次序时，将2个与零电压矢量对应的开关状 态分别放在每个开关周期的开始与结束位置，将与非零电压矢量对应的6个开关 状态放在2个与零电压矢量对应的开关状态之间；相同非零电压矢量方向上的3 个开关状态的作用时间相等，均为对应矢量方向上的电压矢量总作用时间的三分 之一，以确保三个变压器的伏秒平衡；最后结合开关切换次数最少以及保证变压 器在一个开关周期内伏秒平衡的原则，确定具体开关切换次序。
步骤4，确定参考电压矢量所在扇区的基本电压矢量的作用时间，结合矢量 合成的原理以及变压器伏秒平衡的原则，获得各个开关状态的作用时间与基本电 压矢量的作用时间之间的关系方程组，解该方程组得到各个开关状态的作用时间。 同样以参考电压矢量位于第1扇区内，方案二下的开关状态切换次序为：
计算各开关状态作用时间的具体方法为：
首先对各个开关状态的作用时间进行如下定义；
由于参考电压矢量u位于第一扇区，在αβ坐标下的分量为vα、vβ，因此需 要计算0度方向电压矢量、60度方向电压矢量以及零矢量的作用时间，分别为 T1、T2、T0：
根据矢量合成的原理以及变压器伏秒平衡的原则，可以得到以下表达式：
选取以上方程组的一组特殊解：
其中开关周期Ts＝T1+T2+T0，由此可以计算出每个开关状态对应的时间，从 而对变换器进行准确控制。图5给出了方案二下扇区1内的开关管驱动波形以及 变压器两端的电压波形。第二种方案中，控制开关管Qp1～6的工作频率是开关管 Qa1～6的工作频率的两倍。
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