【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种ac-ac非隔离双向单级变换器及其控制方法，是一种电能高效开关变换技术，属于电力电子/新能源领域。
技术介绍
1、ac-ac非隔离变换器，应用于交流稳压/调压场景，可在交流电网电压大幅波动的情况下，为电器提供稳定的交流电源，或者由公共交流电源为负载提供不同的交流电压。当负载为感性或容性时，变换器应该满足电流滞后或超前的要求；当连接有源负载时，变换器还能够实现电能双向流动。
2、目前，符合上述要求的ac-ac非隔离变换器，有两条技术路线，即工频自耦变压器路线和高频开关变换器路线。后者分为两类技术方案，一类是ac-dc-ac的两级电路，第一级pwm整流先将交流变换成直流，第二级spwm逆变再将直流变换成交流。另一类是在六种基本的非隔离直流变换器的基础上，将单向开关器件(开关管和二极管)换成由两个开关管反向串联的“双向电子开关”，衍生出六种非隔离交流变换器。
3、上述技术都可以实现双向交流变换，但是每种技术方案都有缺点和不足之处。
4、工频自耦变压器的缺点是，重量和体积大，使用铜材和硅钢较多，动态响应速度慢。ac-dc-ac两级电路的缺点是，对于双全桥方案则开关器件较多(八个开关管)，对于双半桥方案则开关器件(四个开关管)的电压应力加倍，pwm整流和spwm逆变的控制复杂，而且两级功率变换使得效率降低。
5、衍生的六种非隔离交流变换器的共同缺点是，四个开关管的驱动不方便。还有，buck型只能实现降压功能，boost型只能实现升压功能；buck-boost型和cuk型、z
6、鉴于上述现有技术的缺点和不足，开发一种优秀的ac-ac非隔离双向变换器，在当前是一个重要的技术需求。
7、上述内容仅用于辅助理解本专利技术的技术方案，并不表示上述都是现有技术。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是，克服上述现有技术的缺点和不足，提出一种ac-ac非隔离双向单级变换器及其控制方法。该变换器是一种非隔离双向变换电路，能够实现升压和降压变换，输入/输出电流脉动都较小，并且输入/输出电压同相；该变换器是一种桥式单级变换拓扑，由一级功率变换即可完成交流电能双向传输，开关器件的电压和电流应力均较低，而且便于采用成熟的半桥驱动技术。该变换器采用单桥臂互补pwm方式控制，利用简易的交流换相，控制规律与buck型和boost型直流变换器的类似。
2、本专利技术的技术方案如下。
3、一种单相ac-ac非隔离双向单级变换器，包括滤波电感l1、l2，滤波电容c1、c2，母线电容cd和变换桥。变换桥包含开关管q1、q2、q3、q4和电子开关s1、s2。开关管q1、q2、q3、q4采用但不限于igbt或者mosfet，电子开关s1、s2采用但不限于mosfet或者igbt或者双向晶闸管。该变换器具有两个交流端口u1和u2，分别称作第一交流端口和第二交流端口；任何一个交流端口作为输入则另一个交流端口作为输出。
4、所述单相ac-ac非隔离双向单级变换器的连接方式为：
5、变换桥为三桥臂桥式拓扑，开关管q1、q2、q3、q4构成两个高频变换桥臂，电子开关s1、s2构成一个低频切换桥臂。开关管q1的发射极与开关管q2的集电极相连作为节点v1，开关管q3的发射极与开关管q4的集电极相连作为节点v2；电子开关s1的源极与电子开关s2的漏极相连作为节点vn。开关管q1和q3的集电极与电子开关s1的漏极相连作为节点vd，开关管q2和q4的发射极与电子开关s2的源极相连作为节点gnd。母线电容cd的两端分别连接节点vd和节点gnd。
6、变换桥的节点v1连接滤波电感l1的一端，滤波电感l1另一端连接滤波电容c1的一端而作为第一交流端口u1的一个交流端，滤波电容c1另一端连接变换桥的节点vn而作为第一交流端口u1的另一个交流端。
7、变换桥的节点v2连接滤波电感l2的一端，滤波电感l2另一端连接滤波电容c2的一端而作为第二交流端口u2的一个交流端，滤波电容c2另一端连接变换桥的节点vn而作为第二交流端口u2的另一个交流端。
8、若交流电源从第一交流端口u1输入，则第二交流端口u2输出的交流电压供给负载；若交流电源从第二交流端口u2输入，则第一交流端口u1输出的交流电压供给负载。
9、所述单相ac-ac非隔离双向单级变换器的控制方法，分为三种模式，即同步降压模式、同步升压模式和通路模式。
10、同步降压模式，第一交流端口u1的交流电压高于第二交流端口u2的交流电压。开关管q1、q2构成的桥臂与电子开关s1、s2构成的桥臂以交流电压的频率同步低频切换，开关管q3、q4构成的桥臂以互补pwm方式高频变换。
11、所谓互补pwm方式是指，在忽略开关切换死区时间的情况下，桥臂中两个开关管的导通占空比之和等于1。
12、当第一交流端口u1的交流电压在正半周，即连接滤波电感l1端的电压高于连接节点vn端的电压时，开关管q2和电子开关s1关断，开关管q1和电子开关s2导通，开关管q3、q4高频变换，第二交流端口u2的电压与开关管q3的导通占空比成正比。
13、当第一交流端口u1的交流电压在负半周，即连接滤波电感l1端的电压低于连接节点vn端的电压时，开关管q1和电子开关s2关断，开关管q2和电子开关s1导通，开关管q3、q4高频变换，第二交流端口u2的电压与开关管q4的导通占空比成正比。
14、同步升压模式，第一交流端口u1的交流电压低于第二交流端口u2的交流电压。开关管q3、q4构成的桥臂与电子开关s1、s2构成的桥臂以交流电压的频率同步低频切换，开关管q1、q2构成的桥臂以互补pwm方式高频变换。
15、当第一交流端口u1的交流电压在正半周，即连接滤波电感l1端的电压高于连接节点vn端的电压时，开关管q4和电子开关s1关断，开关管q3和电子开关s2导通，开关管q1、q2高频变换，第二交流端口u2的电压与开关管q1的导通占空比成反比。
16、当第一交流端口u1的交流电压在负半周，即连接滤波电感l1端的电压低于连接节点vn端的电压时，开关管q3和电子开关s2关断，开关管q4和电子开关s1导通，开关管q1、q2高频变换，第二交流端口u2的电压与开关管q2的导通占空比成反比。
17、通路模式，第一交流端口u1的交流电压等于第二交流端口u2的交流电压。开关管q1、q2、q3、q4构成的桥臂和电子开关s1、s2构成的桥臂以本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种单相AC-AC非隔离双向单级变换器，包括滤波电感L1、L2，滤波电容C1、C2，母线电容Cd和变换桥；变换桥包含开关管Q1、Q2、Q3、Q4和电子开关S1、S2；该变换器具有两个交流端口U1和U2，分别称作第一交流端口和第二交流端口，任何一个交流端口作为输入则另一个交流端口作为输出；其特征在于：
2.根据权利要求1所述的单相AC-AC非隔离双向单级变换器，其特征在于，开关管Q1、Q2、Q3、Q4采用IGBT或者MOSFET，电子开关S1、S2采用MOSFET或者IGBT或者双向晶闸管。
3.根据权利要求1所述的单相AC-AC非隔离双向单级变换器，其特征在于：提出一种只能降压变换且电能单向流动的衍生电路；当第一交流端口U1作为输入而第二交流端口U2作为降压输出时，用二极管D1、D2替换开关管Q1、Q2；当第二交流端口U2作为输入而第一交流端口U1作为降压输出时，用二极管D1、D2替换开关管Q3、Q4；替换规则为，二极管的阳极和阴极分别对应开关管的发射极和集电极。
4.根据权利要求1所述的单相AC-AC非隔离双向单级变换器，其特征在于，三个
5.一种交流稳压/调压器，其特征在于，包括如权利要求1-4任意一项所述的单相AC-AC非隔离双向单级变换器。
6.单相AC-AC非隔离双向单级变换器的控制方法，分为三种模式，其特征在于：
7.根据权利要求6所述的单相AC-AC非隔离双向单级变换器的控制方法，其特征在于：当第一交流端口U1的交流电压在正半周，即连接滤波电感L1端的电压高于连接节点Vn端的电压时，开关管Q2和电子开关S1关断，开关管Q1和电子开关S2导通，开关管Q3、Q4高频变换，第二交流端口U2的电压与开关管Q3的导通占空比成正比；
8.根据权利要求6所述的单相AC-AC非隔离双向单级变换器的控制方法，其特征在于：当第一交流端口U1的交流电压在正半周，即连接滤波电感L1端的电压高于连接节点Vn端的电压时，开关管Q4和电子开关S1关断，开关管Q3和电子开关S2导通，开关管Q1、Q2高频变换，第二交流端口U2的电压与开关管Q1的导通占空比成反比；
9.根据权利要求6所述的单相AC-AC非隔离双向单级变换器的控制方法，其特征在于：当第一交流端口U1的交流电压在正半周，即连接滤波电感L1端的电压高于连接节点Vn端的电压时，开关管Q2、Q4和电子开关S1关断，开关管Q1、Q3导通而电子开关S2导通或者关断；
...【技术特征摘要】
1.一种单相ac-ac非隔离双向单级变换器，包括滤波电感l1、l2，滤波电容c1、c2，母线电容cd和变换桥；变换桥包含开关管q1、q2、q3、q4和电子开关s1、s2；该变换器具有两个交流端口u1和u2，分别称作第一交流端口和第二交流端口，任何一个交流端口作为输入则另一个交流端口作为输出；其特征在于：
2.根据权利要求1所述的单相ac-ac非隔离双向单级变换器，其特征在于，开关管q1、q2、q3、q4采用igbt或者mosfet，电子开关s1、s2采用mosfet或者igbt或者双向晶闸管。
3.根据权利要求1所述的单相ac-ac非隔离双向单级变换器，其特征在于：提出一种只能降压变换且电能单向流动的衍生电路；当第一交流端口u1作为输入而第二交流端口u2作为降压输出时，用二极管d1、d2替换开关管q1、q2；当第二交流端口u2作为输入而第一交流端口u1作为降压输出时，用二极管d1、d2替换开关管q3、q4；替换规则为，二极管的阳极和阴极分别对应开关管的发射极和集电极。
4.根据权利要求1所述的单相ac-ac非隔离双向单级变换器，其特征在于，三个相同的所述单相ac-ac非隔离双向单级变换器，组成三相ac-ac非隔离双向单级变换器。
5.一种交流稳压...
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