一种七电平整流器及其控制方法

技术领域

本发明涉及电子电力技术领域，尤其涉及一种七电平整流器及其控制方法。

背景技术

近年来，在电力电子电能变换领域，半导体及变换器技术的新发展理念不断被提出，特别是针对变换器的高功率因数运行及大功率传输时的可靠稳定能力有了更高要求，市场上传统的二极管不控整流装置和可控硅整流装置，技术层面设计简易，但输入电流谐波污染严重、功率因数低是其主要缺点。为此，各大电力设备厂商和研究人员不断优化电力电子器件和电源设备升级，以寻求电力设备稳定可靠、节能高效运行。

在高功率、大容量电力传输场景中，多电平变换器技术具有输入电流谐波含量低、功率传输容量大和工作可靠稳定的特点，是当前功率变换器领域的研究热点。在多电平整流技术上取得的多方向突破，如有着较低的开关频率、器件耐压值及稳定的工作性能等，对于降低系统损耗、降低谐波含量、提高工作可靠性等能效问题有重要意义，其在充电桩、开关电源等应用场合具有广泛的应用前景。

发明内容

本发明提供了一种七电平整流器及其控制方法，可完成七个电平之间的有序切换，实现多电平整流，并且降低了开关管两端电压应力，减小了整流器谐波含量，减小了整流过程中元器件损耗；同时开关器件少，有利于降低成本。

第一方面，本发明实施例提供了一种七电平整流器，包括：整流模块、第一开关模块、第二开关模块、三端口嵌入模块和直流输出模块；第一开关模块的第一端与整流模块的第一输出端连接，第一开关模块的第二端与整流模块的第二输出端连接；整流模块的第一输入端和整流模块的第二输入端之间连接有交流电源，整流模块的第一输出端与直流输出模块的第一端连接，整流模块的第二输出端与直流输出模块的第二端连接，整流模块的第三输出端与第二开关模块的第一端连接，整流模块的第四输出端与第二开关模块的第二端连接，整流模块用于将第一输入端和第二输入端的交流电转换为直流电输出；第二开关模块包括第一开关单元和第二开关单元，第一开关单元的第一端作为第二开关模块的第一端，第一开关单元的第二端与第二开关单元的第一端连接，第二开关单元的第二端作为第二开关模块的第二端，第一开关单元和第二开关单元的公共端作为第二开关模块的公共端；直流输出模块包括第一电容、第二电容和第三电容；第一电容的第一端作为直流输出模块的第一端，第一电容的第二端与第二电容的第一端连接，第二电容的第二端与第三电容的第一端连接，第三电容的第二端作为直流输出模块的第二端；三端口嵌入模块包含第一开关管、第二开关管、第一二极管和第二二极管；第一二极管的阴极分别与第一开关管的第一极以及第一电容的第二端连接；第一二极管的阳极分别与第一开关管的第二极以及第二开关模块的第三端连接；第二二极管的阴极分别与第二开关模块的第三端以及第二开关管的第一极连接，第二二极管的阳极分别与第二开关管的第二极以及第三电容的第一端连接。

可选的，整流模块包括电感、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管和第八二极管；电感的第一端作为整流模块的第二输入端，电感的第二端与第六二极管的阳极连接；第三二极管的阴极作为整流模块的第一输出端，第三二极管的阳极与第四二极管的阴极连接，第四二极管的阴极作为整流模块的第一输入端，第四二极管的阳极作为整流模块的第二输出端；第五二极管的阴极与第三二极管的阴极连接，第五二极管的阳极与第六二极管的阴极连接，第五二极管的阳极作为整流模块的第三输出端；第七二极管的阴极与第六二极管的阳极连接，第七二极管的阳极与第八二极管的阴极连接，第七二极管的阳极作为整流模块的第四输出端，第八二极管的阳极作为整流模块的第四输出端。

可选的，第一开关管和第二开关管为场效应管或绝缘栅型双极晶体管。

可选的，第一开关管和第二开关管均反向并联了体二极管。

可选的，第一电容、第二电容和第三电容为电解电容。

可选的，第一电容、第二电容和第三电容为分裂电容。

可选的，第一电容、第二电容和第三电容的电容值相等，且第一电容两端的电压、第二电容两端的电压和第三电容两端的电压相等。

可选的，第一开关模块包括第三开关管，第三开关管的第一极作为第一开关模块的第一端，第三开关管的第二极作为第一开关模块的第二端。

可选的，第一开关单元包括第四开关管，第二开关单元包括第五开关管；第四开关管的第一极作为第一开关单元的第一端，第四开关管的第二极作为第一开关单元的第二端；第五开关管的第一极作为第二开关单元的第一端，第五开关管的第二极作为第二开关单元的第二端。

第二方面，本发明实施例提供了一种七电平整流器的控制方法，应用于第一方面任一项的七电平整流器，七电平整流器的控制方法包括：在交流电源工作于正半周期时，控制第一开关模块、第一开关单元、第二开关单元、第一开关管和第二开关管均关断；控制第一开关单元导通，第一开关模块、第二开关管单元、第一开关管和第二开关管均关断；控制第一开关管单元和第二开关管导通，第一开关模块、第二开关单元和第一开关管均关断；控制第一开关模块导通，第一开关单元、第二开关单元、第一开关管和第二开关管均关断；在交流电源工作于负半周期时，控制第一开关模块导通，第一开关单元、第二开关单元、第一开关管和第二开关管均关断；控制第二开关管单元和第一开关管导通，第一开关模块第一开关单元和第二开关管均关断；控制第二开关单元导通，第一开关模块、第一开关单元、第一开关管和第二开关管均关断；控制第一开关模块、第一开关单元、第二开关单元、第一开关管和第二开关管均关断。

本发明实施例的七电平整流器，三端口嵌入模块采用一种具有功率多方向流通功能的单开关单二极管并联组合串接式结构，将其作为三端口嵌入整流器上下直流母线侧，以完成七个电平状态依次切换，实现七电平整流，其换流方式简单易控，可单位功率因数稳定运行，具有低谐波含量，高稳定可靠性，相比于传统两电平整流技术，本发明采用七电平整流技术可等效降低开关频率，有利于减小滤波储能元件体积，且完成七电平状态切换，所用器件数目少、开关器件电压应力低，可优选低成本元器件进行设计。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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发明的一些实施例，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他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种七电平整流器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的又一种七电平整流器的结构示意图；

图3是本发明七电平整流器工作模式一的电流路径示意图；

图4是本发明七电平整流器工作模式二的电流路径示意图；

图5是本发明七电平整流器工作模式三的电流路径示意图；

图6是本发明七电平整流器工作模式四的电流路径示意图；

图7是本发明七电平整流器工作模式五的电流路径示意图；

图8是本发明七电平整流器工作模式六的电流路径示意图；

图9是本发明七电平整流器工作模式七的电流路径示意图；

图10是本发明七电平整流器工作模式八的电流路径示意图；

图11是本发明七电平整流器交流输入电压Ug、交流输入电流ig和输出直流电压Ud的波形图；

图12是本发明七电平整流器桥臂间(第一节点a和第二节点b)电压Uab的波形图；

图13是本发明实施例提供的一种七电平整流器的控制方法的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

图1是本发明实施例提供的一种七电平整流器的结构示意图，如图1所示，该七电平整流器包括：整流模块10、第一开关模块20、第二开关模块30、三端口嵌入模块40和直流输出模块50。

第一开关模块20的第一端与整流模块10的第一输出端连接，第一开关模块20的第二端与整流模块10的第二输出端连接；整流模块10的第一输入端和整流模块10的第二输入端之间连接有交流电源AC，整流模块10的第一输出端与直流输出模块50的第一端连接，整流模块10的第二输出端与直流输出模块50的第二端连接，整流模块10的第三输出端与第二开关模块30的第一端连接，整流模块10的第四输出端与第二开关模块30的第二端连接，整流模块10用于将第一输入端和第二输入端的交流电转换为直流电输出。

第二开关模块30包括第一开关单元301和第二开关单元302，第一开关单元301的第一端作为第二开关模块30的第一端，第一开关单元301的第二端与第二开关单元302的第一端连接，第二开关单元302的第二端作为第二开关模块30的第二端，第一开关单元301和第二开关单元302的公共端作为第二开关模块30的第三端。

直流输出模块50包括第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3；第一电容C1的第一端作为直流输出模块50的第一端，第一电容C1的第一端与第二电容C2的第一端连接，第二电容C2的第二端与第三电容C3的第一端连接，第三电容C3的第二端作为直流输出模块50的第二端。

三端口嵌入模块40包含第一开关管S1、第二开关管S2、第一二极管D1和第二二极管D2；第一二极管D1的阴极分别与第一开关管S1的第一极以及第一电容C1的第二端连接；第一二极管D1的阳极分别与第一开关管S1的第二极以及第二开关模块30的第三端连接；第二二极管D2的阴极分别与第二开关模块30的第三端以及第二开关管S2的第一极连接，第二二极管D2的阳极分别与第二开关管S2的第二极以及第三电容C3的第一端连接。

具体的，整流模块10可以是各种具有将交流电转换为直流电功能的各种模块。第一开关模块20包括至少一个开关管，第一开关单元301包括至少一个开关管，第二开关单元302包括至少一个开关管。示例性的，第一开关模块20、第一开关单元301和第二开关单元302可以为场效应管和绝缘栅型双极晶体管中的任一种。

可选地，第一开关管S1和第二开关管S2为场效应管或绝缘栅型双极晶体管。第一开关管S1和第二开关管S2均反向并联了体二极管。

以图1所示电路结构为例，本实施例提供的七电平整流器的具体工作原理为：

该七电平整流器共包括八种工作模式：

(1)交流电源AC工作于正半周期(交流输入电压Ug>0)：

工作模式一：控制第一开关模块20、第一开关单元301、第二开关单元302、第一开关管S1和第二开关管S2均关断。电流从交流电源AC的正半周出发，依次流经整流模块10的第一输出端，第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3，然后返回交流电源AC。桥臂电压Uab＝U1+U2+U3＝+Ud。其中，U1表示第一电容C1两端的电压，U2表示第二电容C2两端的电压，U3表示第三电容C3两端的电压，Ud表示负载电阻R两端的电压。

工作模式二：控制第一开关单元301导通，第一开关模块20、第二开关单元302、第一开关管S1和第二开关管S2均关断。电流从交流电源AC的正半轴出发，依次流经整流模块10的第三输出端、第一开关单元301、第一二极管D1、第一开关管S1的体二极管、第二电容C2和第三电容C3，然后返回交流电源AC；桥臂电压Uab＝U2+U3＝+2/3Ud。

工作模式三：控制第一开关单元301和第二开关管S2导通，第一开关模块20、第二开关单元302和第一开关管S1均关断。电流从交流电源AC正半周出发，依次流经整流模块10的第三输出端、第一开关单元301、第二开关管S2、第三电容C3，然后返回交流电源AC；桥臂电压Uab＝+U3＝+1/3Ud。

工作模式四：控制第一开关模块20导通，第一开关单元301、第二开关单元302、第一开关管S1和第二开关管S2均关断。电流从交流电源AC正半周出发，流经整流模块10的第一输出端，然后返回交流电源AC；桥臂电压Uab＝+0。

(2)交流电源AC工作于负半周期(交流输入电压Ug＜0)：

工作模式五：控制第一开关模块20导通，第一开关单元301、第二开关单元302、第一开关管S1和第二开关管S2均关断。电流从交流电源AC负半周出发，流经整流模块10的第二输出端，然后返回交流电源AC；桥臂电压Uab＝-0。

工作模式六：控制第二开关单元302和第一开关管S1导通，第一开关模块20、第一开关单元301和第二开关管S2均关断。电流从交流电源AC负半周出发，依次流经整流模块10的第一输出端、第一开关管S1、第二开关单元302，然后返回交流电源AC；桥臂电压Uab＝-U1＝-1/3Ud。

工作模式七：控制第二开关单元302导通，第一开关模块20、第一开关单元301和第一开关管S1和第二开关管S2均关断。电流从交流电源AC负半周出发，依次流经整流模块10的第一输出端、第一电容C1、第二电容C2、第二二极管D2、第二开关管S2的体二极管和第二开关单元302，然后返回交流电源AC；桥臂电压Uab＝-U1-U2＝-2/3Ud。

工作模式八：控制第一开关模块20、第一开关单元301、第二开关单元302、第一开关管S1和第二开关管S2均关断。电流从交流电源AC负半周出发，依次流经整流模块10的第一输出端、第一电容C1、第二电容C2，第三电容C3，然后返回交流电源AC；桥臂电压Uab＝-U1-U2-U3＝-Ud。

本发明实施例的七电平整流器，三端口嵌入模块采用一种具有功率多方向流通功能的单开关单二极管并联组合串接式结构，将其作为三端口嵌入整流器上下直流母线侧，以完成七个电平状态依次切换，实现七电平整流，其换流方式简单易控，可单位功率因数稳定运行，具有低谐波含量，高稳定可靠性，相比于传统两电平整流技术，本发明采用七电平整流技术可等效降低开关频率，有利于减小滤波储能元件体积，且完成七电平状态切换，所用器件数目少、开关器件电压应力低，可优选低成本元器件进行设计。

图2是本发明实施例提供的又一种七电平整流器的结构示意图，如图2所示，可选的，整流模块10包括电感L、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7和第八二极管D8。

电感L的第一端作为整流模块10的第二输入端，电感L的第二端与第六二极管D6的阳极连接；第三二极管D3的阴极作为整流模块10的第一输出端，第三二极管D3的阳极与第四二极管D4的阴极连接，第四二极管D4的阴极作为整流模块10的第一输入端，第四二极管D4的阳极作为整流模块10的第二输出端；第五二极管D5的阴极与第三二极管D3的阴极连接，第五二极管D5的阳极与第六二极管D6的阴极连接，第五二极管D5的阳极作为整流模块10的第三输出端；第七二极管D7的阴极与第六二极管D6的阳极连接，第七二极管D7的阳极与第八二极管D8的阴极连接，第七二极管D7的阳极作为整流模块10的第四输出端，第八二极管D2的阳极作为整流模块10的第二输出端。

第一开关模块20包括第三开关管S3，第三开关管S3的第一极作为第一开关模块20的第一端，第三开关管S3的第二极作为第一开关模块20的第二端。

可选地，第一开关单元301包括第四开关管S4，第二开关单元302包括第五开关管S5；第四开关管S4的第一极作为第一开关单元301的第一端，第四开关管S4的第二极作为第一开关单元301的第二端；第五开关管S5的第一极作为第二开关单元302的第一端，第五开关管S5的第二极作为第二开关单元302的第二端。

在一些实施例中，第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4和第五开关管S5为场效应管或绝缘栅型双极晶体管。

在一些实施例中，第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4和第五开关管S5均反向并联了体二极管。

在一些实施例中，第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3为电解电容。

在一些实施例中，第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3为分裂电容。

在一些实施例中，第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3的电容值相等，且第一电容两端的电压U1、第二电容两端的电压U2和第三电容两端的电压U3相等。也就是说电容电压U1＝U2＝U3＝1/3Ud。

表1所示为本发明中七电平整流器的八种工作模式表，当交流输入电压Ug>0时，电路工作于正半周期，有四种工作模式；当交流输入电压Ug<0时，电路工作于负半周期，有四种工作模式。开关管的导通与关断：“1”表示开关管导通，“0”表示开关管关断。各电容的充放电以及第一节点a、第二节点b两点间的桥臂电压Uab在八种工作模式下具有严格的一一对应关系。

表1七电平整流器的八种工作模式表

以图2所示电路结构为例，本实施例提供的七电平整流器的具体工作原理为：

七电平整流器在一个工频周期(频率f＝50Hz)工作时，在桥臂第一节点a和第二节点b之间会产生七种电平状态：0、±1/3Ud、±2/3Ud和±Ud，由于“0”电平状态为±0叠加态，可视为一个电平状态，故该七电平整流器共包括八种工作模式。为区分八种工作模式特征，将交流电源AC正负半周划分为交流输入电压Ug>0和交流输入电压Ug<0，即交流输入电压Ug正负半周期分别有四种工作模式(附图3-10中实线表示七电平整流器工作于正或负半周期，虚线表示电流路径方向)。本发明通过在节点第一节点a、第二节点b间实现七个电平，有利于提高输入电流的正弦度，可进一步减小网侧电流谐波含量。

(1)交流电源AC工作于正半周期(交流输入电压Ug>0)：

图3是本发明七电平整流器工作模式一的电流路径示意图，如图3所示，控制第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4和第五开关管S5均关断。从交流电源AC正半周出发，电流流通路径依次为：电感L，第六二极管D6、第五二极管D5、第一电容C1、第二电容C2、第二电容C3和第四二极管D4，然后返回交流电源AC；在此过程中，电感L与交流电源AC共同向电容第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3充电，充电电流为ig-id(其中ig表示交流电源AC的输出电流)，并向负载提供负载电流id，电感电流线性减小，桥臂电压Uab＝U1+U2+U3＝+Ud。

图4是本发明七电平整流器工作模式二的电流路径示意图，如图4所示，控制第四开关管S4导通，第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3和第五开关管S5均关断。从交流电源AC正半周出发，电流流通路径依次为：电感L，第六二极管D6，第四开关管S4，第一二极管D1和第一开关管S1的体二极管(第一二极管D1和第一开关管S1的体二极管同时导通)，第二电容C2、第三电容C3和第四二极管D4，然后返回交流电源AC；在此过程中，电感L与交流电源AC共同向第二电容C2和第三电容C3充电，充电电流为ig-id，直流稳压电容向负载提供负载电流id，电感电流线性持续减小，桥臂电压Uab＝U2+U3＝+2/3Ud。

图5是本发明七电平整流器工作模式三的电流路径示意图，如图5所示，控制第二开关管S2和第四开关管S4导通，第一开关管S1、第三开关管S3和第五开关管S5均关断。从交流电源AC正半周出发，电流流通路径依次为：电感L，第六二极管D6、第四开关管S4、第二开关管S2、第三电容C3和第四二极管D4，然后返回交流电源AC；在此过程中，电感L与交流电源AC共同向第三电容C3充电，充电电流为ig-id，直流稳压电容向负载提供负载电流id，电感电流线性持续减小，桥臂电压Uab＝+U3＝+1/3Ud。

图6是本发明七电平整流器工作模式四的电流路径示意图，如图6所示，控制第三开关管S3导通，第一开关管S1、第二开关管S2、第四开关管S4和第五开关管S5均关断。从交流电源AC正半周出发，电流流通路径依次为：电感L，第六二极管D6、第五二极管D5、第三开关管S3和第四二极管D4，然后返回交流电源AC；在此过程中，交流电源AC向电感L充电储能，电感电流线性增加；同时，三个直流稳压电容同时向负载提供负载电流id，桥臂电压Uab＝+0。

(2)交流电源AC工作于负半周期(交流输入电压Ug＜0)：

图7是本发明七电平整流器工作模式五的电流路径示意图，如图7所示，控制第三开关管S3导通，第一开关管S1、第二开关管S2、第四开关管S4和第五开关管S5均关断。从交流电源AC负半周出发，电流流通路径依次为：第三二极管D3、第三开关管S3、第八二极管D8、第七二极管D7和电感L，然后返回交流电源AC；在此过程中，交流电源AC持续向电感L充电储能，电感电流线性持续增加；同时，三个直流稳压电容同时持续向负载提供负载电流id，桥臂电压Uab＝-0。

图8是本发明七电平整流器工作模式六的电流路径示意图，如图8所示，控制第一开关管S1和第五开关管S5导通，第二开关管S2、第三开关管和第四开关管S4均关断。从交流电源AC负半周出发，电流流通路径依次为：第三二极管D3、第一电容C1、第一开关管S1、第五开关管S5，第七二极管D7和电感L，然后返回交流电源AC；在此过程中，交流电源AC持续向电感L充电储能，充电电流为ig-id，直流稳压电容向负载提供负载电流id，电感电流线性减小，桥臂电压Uab＝-U1＝-1/3Ud。

图9是本发明七电平整流器工作模式七的电流路径示意图，如图9所示，控制第五开关管S5导通，第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3和第四开关管S4均关断。从交流电源AC负半周出发，电流流通路径依次为：第三二极管D3、第一电容C1、第二电容C2，第二二极管D2、第二开关管S2的体二极管(第二二极管D2和第二开关管S2的体二极管同时导通)，第五开关管S5、第七二极管D7和电感L，然后返回交流电源AC；在此过程中，电感L与交流电源AC共同向第一电容C1和第二电容C2充电，充电电流为ig-id，直流稳压电容向负载提供负载电流id，电感电流持续线性减小，桥臂电压Uab＝-U1-U2＝-2/3Ud。

图10是本发明七电平整流器工作模式八的电流路径示意图，如图10所示，控制第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S4和第五开关管S5均关断。从交流电源AC负半周出发，电流流通路径依次为：第三二极管D3、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第八二极管D8、第七二极管D7和电感L，然后返回交流电源AC；在此过程中，电感L与交流电源AC共同向第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3充电，充电电流为ig-id，并向负载提供负载电流id，电感电流持续线性减小，桥臂电压Uab＝-U1-U2-U3＝-Ud。

图11是本发明七电平整流器交流输入电压Ug、交流输入电流ig和输出直流电压Ud的波形图。该七电平整流器设置系统运行时间为0.2s-0.25s，从波形可以看出交流输入电压Ug和交流输入电流ig保持同步正弦化波形，无畸变现象，表明实现单位功率因数校正，具有较高稳态工作能力；输出直流电压Ud波形近似为直线，稳定在400V，实现整流功能，验证了本发明的可行性与正确性。

图12是本发明七电平整流器桥臂间(第一节点a和第二节点b)电压Uab的波形图。同样设置系统运行时间为0.2s-0.25s，可看出桥臂电压Uab呈现正弦化阶梯电平波，有七个电平状态：0、±1/3Ud、±2/3Ud和±Ud，具备七电平特征，且波形质量良好规整，运行稳定可靠，从图12所示波形可得，本发明具有实现七电平整流功能，能够降低谐波含量，稳定直流输出电压。

可选地，本发明还提供了一种七电平整流器的控制方法，以控制上述各实施例所提供的七电平整流器。图13是本发明实施例提供的一种七电平整流器的控制方法的流程图。如图13所示，该七电平整流器的控制方法包括：

S101、在交流电源工作于正半周期时，控制第一开关模块、第一开关单元、第二开关单元、第一开关管和第二开关管均关断；控制第一开关单元导通，第一开关模块、第二开关管单元、第一开关管和第二开关管均关断；控制第一开关管单元和第二开关管导通，第一开关模块、第二开关单元和第一开关管均关断；控制第一开关模块导通，第一开关单元、第二开关单元、第一开关管和第二开关管均关断。

继续参考图1，交流输入电压Ug>0，交流电源AC工作于正半周期，有四种工作模式：

工作模式一：控制第一开关模块20、第一开关单元301、第二开关单元302、第一开关管S1和第二开关管S2均关断。电流从交流电源AC的正半周出发，依次流经整流模块10的第一输出端，第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3，然后返回交流电源AC。桥臂电压Uab＝U1+U2+U3＝+Ud。其中，U1表示第一电容C1两端的电压，U2表示第二电容C2两端的电压，U3表示第三电容C3两端的电压，Ud表示负载电阻R两端的电压。

工作模式二：控制第一开关单元301导通，第一开关模块20、第二开关单元302、第一开关管S1和第二开关管S2均关断。电流从交流电源AC的正半轴出发，依次流经整流模块10的第三输出端、第一开关单元301、第一二极管D1、第一开关管S1的体二极管、第二电容C2和第三电容C3，然后返回交流电源AC；桥臂电压Uab＝U2+U3＝+2/3Ud。

工作模式三：控制第一开关单元301和第二开关管S2导通，第一开关模块20、第二开关单元302和第一开关管S1均关断。电流从交流电源AC正半周出发，依次流经整流模块10的第三输出端、第一开关单元301、第二开关管S2、第三电容C3，然后返回交流电源AC；桥臂电压Uab＝+U3＝+1/3Ud。

工作模式四：控制第一开关模块20导通，第一开关单元301、第二开关单元302、第一开关管S1和第二开关管S2均关断。电流从交流电源AC正半周出发，流经整流模块10的第一输出端，然后返回交流电源AC；桥臂电压Uab＝+0。

S102、在交流电源工作于负半周期时，控制第一开关模块导通，第一开关单元、第二开关单元、第一开关管和第二开关管均关断；控制第二开关管单元和第一开关管导通，第一开关模块第一开关单元和第二开关管均关断；控制第二开关单元导通，第一开关模块、第一开关单元、第一开关管和第二开关管均关断；控制第一开关模块、第一开关单元、第二开关单元、第一开关管和第二开关管均关断。

交流输入电压Ug＜0，交流电源AC工作于负半周期，有四种工作模式：

工作模式五：控制第一开关模块20导通，第一开关单元301、第二开关单元302、第一开关管S1和第二开关管S2均关断。电流从交流电源AC负半周出发，流经整流模块10的第二输出端，然后返回交流电源AC；桥臂电压Uab＝-0。

工作模式六：控制第二开关单元302和第一开关管S1导通，第一开关模块20、第一开关单元301和第二开关管S2均关断。电流从交流电源AC负半周出发，依次流经整流模块10的第一输出端、第一开关管S1、第二开关单元302，然后返回交流电源AC；桥臂电压Uab＝-U1＝-1/3Ud。

工作模式七：控制第二开关单元302导通，第一开关模块20、第一开关单元301和第一开关管S1和第二开关管S2均关断。电流从交流电源AC负半周出发，依次流经整流模块10的第一输出端、第一电容C1、第二电容C2、第二二极管D2、第二开关管S2的体二极管和第二开关单元302，然后返回交流电源AC；桥臂电压Uab＝-U1-U2＝-2/3Ud。

工作模式八：控制第一开关模块20、第一开关单元301、第二开关单元302、第一开关管S1和第二开关管S2均关断。电流从交流电源AC负半周出发，依次流经整流模块10的第一输出端、第一电容C1、第二电容C2，第三电容C3，然后返回交流电源AC；桥臂电压Uab＝-U1-U2-U3＝-Ud。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。