一種新型的“一步式”升壓型矩陣變換器

胡凱敏，萬 衡，鄒元威,金 晶

（上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 電氣與電子工程學(xué)院，上海 201418）

一種新型的“一步式”升壓型矩陣變換器

胡凱敏，萬 衡，鄒元威,金 晶

（上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 電氣與電子工程學(xué)院，上海 201418）

針對(duì)目前傳統(tǒng)的矩陣變換器電壓傳輸比最高只能達(dá)到 0.866的技術(shù)瓶頸，從改變矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，進(jìn)行了深入研究，設(shè)計(jì)了一種新型的“一步式”矩陣變換器。使三相矩陣式變換器的電壓傳輸比能夠突破0.866的瓶頸，達(dá)到和超過1。在實(shí)現(xiàn)電壓傳輸比可任意調(diào)節(jié)的同時(shí)，還簡(jiǎn)化了電壓傳輸過程，增強(qiáng)了換流的可靠性，從機(jī)理上解決了矩陣變換器的低傳輸比問題。

矩陣式變換器；電壓傳輸比；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；換流

0 引言

矩陣變換器是一種新型的交-交電源變換器，相較于傳統(tǒng)的電源變換器，其不需要中間直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)[1]，能夠四象限運(yùn)行，具有可自由調(diào)節(jié)的功率因數(shù)等諸多優(yōu)點(diǎn)使其成為了當(dāng)前電力電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。但是由于矩陣變換器的電壓傳輸比最高只能達(dá)到 0.866[2]，嚴(yán)重影響了其在工程上的應(yīng)用，因此如何提高矩陣變換器的電壓傳輸比就具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，大多數(shù)的文獻(xiàn)主要集中在通過對(duì)矩陣變換器的控制策略進(jìn)行研究以達(dá)到提升電壓比的目的。如文獻(xiàn)[3]提出一種諧波注入控制策略，將適當(dāng)比例的 3次諧波注入到輸出電壓中，但電壓傳輸比也只能提高到1.0左右，而且其輸出電壓中的諧波含量都會(huì)相應(yīng)增大，效果不甚理想。由此可見，受其現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的制約，矩陣變換器的電壓傳輸比很難有較大的提升。而文獻(xiàn)[4]提出的“泵式”矩陣變換器則改變了矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，把經(jīng)典的矩陣變換器電路與CUK斬波電路相結(jié)合，可以使電壓傳輸比達(dá)到與超過1，但是由于其波形調(diào)制和升壓過程是獨(dú)立進(jìn)行的，所以需要分為兩步來實(shí)現(xiàn)變壓變頻，電壓傳輸過程相對(duì)復(fù)雜。功率開關(guān)管在一個(gè)周期內(nèi)動(dòng)作次數(shù)也較多，存在一定的換流安全隱患。因此，本文便從改變矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，提出了一種新型的“一步式”矩陣變換器。從機(jī)理上使三相矩陣式變換器的電壓傳輸比能夠突破 0.866的瓶頸，使其可以達(dá)到和超過1，實(shí)現(xiàn)了提升電壓比的目的。同時(shí)簡(jiǎn)化了電壓傳輸過程與換流步驟，解決了“泵式”矩陣變換器[4]所存在的缺陷，為工程應(yīng)用提供了可靠的理論依據(jù)。

1 “一步式”矩陣變換器的基本結(jié)構(gòu)

一步式矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在提升電壓傳輸比的同時(shí)，還做到了電壓傳輸比調(diào)節(jié)電路和波形調(diào)制變頻電路的合二為一，從而在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了邊提高電壓邊調(diào)制波形的功能。將高頻升壓與斬波調(diào)制協(xié)調(diào)配合，真正達(dá)到了升壓與變頻的一步化。

一步式矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其中 Sjk({j=u，v，w}，{k=a，b，c})為傳統(tǒng)矩陣式變換器的 9組雙向開關(guān)，在電路中同時(shí)承擔(dān)升壓和變頻的任務(wù)。而 S2為3組雙向開關(guān)，在電路中主要起到續(xù)流作用。Sjk與 S2均為由兩個(gè) IGBT反向串聯(lián)所構(gòu)成的雙向?qū)üβ书_關(guān)器件[5]。

一步式矩陣變換器在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的工作過程可以根據(jù)Sjk的通斷狀態(tài)被劃分成兩個(gè)階段。不同的劃分只是為了能更明確地說明其工作原理，并不表示其各部分的工作過程是相互孤立的。設(shè)一個(gè)開關(guān)周期的時(shí)間為t，Sjk相應(yīng)導(dǎo)通的時(shí)間為t1，Sjk斷開的時(shí)間為t2，t=t1+t2。

圖1 一步式三相升壓型矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

第一階段：在時(shí)間 t1內(nèi)，9組矩陣開關(guān) Sjk根據(jù)控制策略相應(yīng)導(dǎo)通，3組續(xù)流開關(guān) S2斷開，電源電壓經(jīng) 9組矩陣開關(guān)后改變頻率，經(jīng)過變頻后的電壓給電感 L1充電，且同時(shí)與電容C1串聯(lián)，共同經(jīng)過電感 L2向負(fù)載提供電能。

第二階段：在時(shí)間 t2內(nèi)，9組矩陣開關(guān) Sjk全部斷開，3組續(xù)流開關(guān) S2導(dǎo)通續(xù)流。電感 L1經(jīng)過S2形成回路，給電容C1充電，其儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)移至電容 C1。同時(shí)電感L2同樣經(jīng)過S2形成回路，釋放能量給負(fù)載提供電能。

由此可見，9組矩陣開關(guān) Sjk既起到了改變頻率的作用，又提升了電壓，所以只要選擇適當(dāng)?shù)?t1和 t2，就可以使負(fù)載兩端電壓在一個(gè)周期內(nèi)始終高于電源電壓[6，7]，從而達(dá)到升壓的目的。

2 “一步式”矩陣變換器的調(diào)制策略

一步式矩陣變換器采用的調(diào)制策略實(shí)時(shí)計(jì)算占空比，控制 9組矩陣開關(guān) Sjk和續(xù)流開關(guān) S2。同時(shí)減少了功率開關(guān)管在一個(gè)周期內(nèi)的動(dòng)作次數(shù)，保證變頻升壓電路中的各組雙向功率開關(guān)在一個(gè)周期內(nèi)均只開通關(guān)斷一次，簡(jiǎn)化了其多個(gè)雙向開關(guān)間的頻繁換流步驟，同時(shí)結(jié)合四步換流的換流策略，增強(qiáng)了換流的可靠性，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)間的安全切換。

2.1 9組矩陣開關(guān)Sjk的調(diào)制策略

由之前的分析可以知道，9組矩陣開關(guān) Sjk在 t1時(shí)間內(nèi)會(huì)按照調(diào)制策略相應(yīng)導(dǎo)通，需要注意的是，在 t1內(nèi)的任意時(shí)刻，與同一輸出相相連的三組開關(guān)管中必須只能有一組開關(guān)導(dǎo)通，否則將造成兩輸入相間的短路[8]。

設(shè)三相輸入電壓為Ui，通過 9組矩陣開關(guān) Sjk后的期望三相輸出電壓為Uo：

其中Uim為輸入電壓幅值，wi為輸入電壓角頻率。

其中Uom為輸出電壓角頻率，wo為輸出電壓角頻率，φo為相位角。

輸出電壓與輸入電壓滿足：

M為調(diào)制矩陣：

其中 mij({i=1，2，3}，{j=1，2，3})為一步式矩陣變換器 9組矩陣開關(guān) Sjk的占空比調(diào)制函數(shù)。

其中 wm=wo-wi即為輸入輸出頻率差[9]，q=Uom/Uim為開關(guān)電壓增益，0＜q≤0.5。

由此便可以推算出，在 t1時(shí)間內(nèi)，9組矩陣開關(guān) Sjk({j=u，v，w}，{k=a，b，c})相應(yīng)的導(dǎo)通時(shí)間即為mij*t1({i=1，2，3}，{j=1，2，3})，在 t2時(shí)間內(nèi)，9組矩陣開關(guān) Sjk將會(huì)全部斷開。

2.2 3組續(xù)流開關(guān) S2的調(diào)制策略

3組續(xù)流開關(guān) S2的控制方法相對(duì)比較簡(jiǎn)單，因?yàn)橛芍暗姆治隹芍?，它在整個(gè)電路中起到的只是維持電流延續(xù)的作用，并不需要承擔(dān)升壓或者變頻的任務(wù)，所以這三組開關(guān)在一個(gè)周期內(nèi)任意時(shí)刻的通斷狀態(tài)都是相同的，也不需要考慮三相之間的換流問題。在 t1時(shí)間內(nèi)，3組續(xù)流開關(guān) S2同時(shí)關(guān)斷，在 t2時(shí)間內(nèi)，3組續(xù)流開關(guān) S2同時(shí)導(dǎo)通。

2.3 簡(jiǎn)化功率開關(guān)管的動(dòng)作次數(shù)

通過上述的調(diào)制策略，就可以確定一步式矩陣變換器中各組開關(guān)管在一個(gè)開關(guān)周期 t內(nèi)的導(dǎo)通狀態(tài)與導(dǎo)通時(shí)間，相比于“泵式”矩陣變換器，新型“一步式”矩陣變換器的 9組矩陣開關(guān) Sjk在一個(gè)周期內(nèi)均只導(dǎo)通和關(guān)斷一次，從而簡(jiǎn)化了其多個(gè)雙向開關(guān)間的頻繁換流步驟，增強(qiáng)了換流的可靠性，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)間的安全切換。圖2所示為“泵式”矩陣變換器同一輸出相各組開關(guān)與 S2的控制脈沖波形圖。圖3所示為“一步式”矩陣變換器同一輸出相各組開關(guān)與 S2的控制脈沖波形圖。一個(gè)開關(guān)周期均為10-4s。

3 “一步式”矩陣變換器的總電壓傳輸比方程

本文所設(shè)計(jì)的一步式矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)把電壓傳輸比調(diào)節(jié)電路和波形調(diào)制變頻電路合二為一，所以它的調(diào)壓步驟和變頻步驟是同步進(jìn)行的，避免了多余的開關(guān)動(dòng)作和繁瑣的升壓過程，結(jié)構(gòu)清晰合理，根據(jù)其自身特點(diǎn)，推導(dǎo)出的總電壓傳輸比方程具體如下：

圖2 “泵式”矩陣變換器雙向開關(guān)Sjk和S2的開關(guān)控制脈沖波形

圖3 “一步式”矩陣變換器雙向開關(guān)Sjk和S2的開關(guān)控制脈沖波形

在一個(gè)開關(guān)周期 T內(nèi) Sjk的工作狀態(tài)可分為Ton和Toff兩個(gè)時(shí)間段，Ton即對(duì)應(yīng)了之前的 t1，Toff即對(duì)應(yīng)了之前的 t2。

設(shè) Sjk的開關(guān)占空比為ds：

在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，對(duì)于電感 L1，在 Ton時(shí)間內(nèi)，由電源電壓對(duì)其進(jìn)行充電，獲取能量。而在 Toff時(shí)間內(nèi)，其向電容C2放電，轉(zhuǎn)移能量。所以根據(jù)電磁感應(yīng)定律得到以下關(guān)系式：

其中：E(t)=[Uu(t)，Uv(t)，Uw(t)]T為三相輸入電源電壓；UC1(t)=[Uc1u(t)，Uc1v(t)，Uc1w(t)]T為電容 C1兩端電壓。

所以根據(jù)式(9)可以得到：

即：

同樣在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，對(duì)于電感 L2，在 Ton時(shí)間內(nèi)，由電源電壓與電容C1共同對(duì)其進(jìn)行充電，獲取能量。同時(shí)向負(fù)載放電，轉(zhuǎn)移能量。而在 Toff時(shí)間內(nèi)，其不獲取能量，只向負(fù)載放電，轉(zhuǎn)移能量。所以根據(jù)電磁感應(yīng)定律得到以下關(guān)系式：

所以根據(jù)(12)式可以得到：

把式(11)代入式(13)中進(jìn)行化簡(jiǎn)可得：由式(14)便可得一步式矩陣變換器輸入輸出電壓總傳輸比方程：

Q即為一步式矩陣變換器的電壓傳輸比。

4 仿真結(jié)果

為驗(yàn)證一步式矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與調(diào)制策略的可行性，我們采用 PSIM 9.0軟件作為仿真平臺(tái)，搭建了一步式矩陣變換器主回路與控制回路的仿真模型，如圖4、圖5所示。仿真模型中負(fù)載的取值為15 Ω，電感 L1為0.5 mH，電感L2為2 mH，而兩組電容C1、C2的容量均為15 μF。開關(guān)頻率設(shè)為10 kHz，仿真時(shí)長(zhǎng)為0.2 s。輸入信號(hào)為幅值100 V，頻率 50 Hz的三相正弦交流電，通過改變占空比 ds，開關(guān)增益 q，以及輸出電壓頻率 wo這三個(gè)變量，觀察實(shí)際的電壓輸出波形。

圖4 一步式矩陣變換器 PSIM仿真主回路圖

如圖6所示為當(dāng)輸入電壓為100 V，50 Hz，開關(guān)增益 q=0.4，占空比 ds=0.79，輸出頻率為20 Hz，60 Hz，100 Hz時(shí)的輸出電壓波形，從圖中可以看出在不同頻率下，一步式矩陣變換器的電壓傳輸比均超過1。

圖5 一步式矩陣變換器 PSIM仿真控制回路圖

圖6 q=0.4，ds=0.79，不同輸出頻率時(shí)的輸出波形對(duì)比

如圖7所示為當(dāng)輸入電壓為100 V，50 Hz，開關(guān)增益q=0.4，輸出頻率為30 Hz，占空比 ds=0.75，ds=0.79，ds=0.83時(shí)的輸出電壓波形，從圖中可以看出根據(jù)ds的改變，輸出電壓會(huì)隨之變化。

圖7 q=0.4，輸出頻率為30 Hz，不同 ds時(shí)的輸出波形對(duì)比

如圖8所示為當(dāng)輸入電壓為100 V，50 Hz，占空比ds=0.79，輸出頻率為40 Hz，開關(guān)增益 q=0.3，q=0.4時(shí)的輸出電壓波形，從圖中可以看出根據(jù) q的改變，輸出電壓也會(huì)隨之變化。

圖8 ds=0.79，輸出頻率為40 Hz，不同 q時(shí)的輸出波形對(duì)比

根據(jù)上面的仿真模型中所得到的數(shù)據(jù)，我們繪制了各種情況下一步式矩陣變換器輸入輸出的電壓傳輸比表格，如表1所示，輸入電壓幅值均為100 V。

表1 一步式矩陣變換器輸入輸出電壓傳輸比

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種新型的“一步式”矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及相關(guān)的調(diào)制策略，簡(jiǎn)化了電壓的傳輸過程，增強(qiáng)了換流的可靠性，并通過PSIM仿真軟件驗(yàn)證了其可行性與正確性。選擇適當(dāng)?shù)恼伎毡萪s與開關(guān)增益 q，可以使其電壓的總傳輸比突破 0.866的瓶頸，達(dá)到與超過1。

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A new“one-step”boosting type matrix converter

Hu Kaimin，Wan Heng，Zou Yuanwei，Jin Jing
(School of Electrical and Electronic Engineering，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201418，China)

Due to the structural design of the traditional matrix converter,the voltage transfer ratio is limited to 0.866.In this paper,we proposed a new “one-step”boosting type matrix converter which can make the voltage transfer ratio variable from the perspective of changing the topological structure.Meanwhile,it also helps to make the voltage transmission easier and enhance the reliability of commutation so as to solve the problem of low ratio.

matrix converter；voltage transfer ratio；topological structure；commutation

TM921

：ADOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.06.038

胡凱敏，萬衡，鄒元威，等.一種新型的“一步式”升壓型矩陣變換器[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(6)：139-142，146.

英文引用格式：Hu Kaimin，Wan Heng，Zou Yuanwei，et al.A new “one-step”boosting type matrix converter[J].Application of Electronic Technique，2016，42(6)：139-142，146.

2015-12-16)

胡凱敏(1991-)，男，研究生，主要研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。

萬衡(1967-)，男，博士，教授，主要研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。

鄒元威(1989-)，男，研究生，主要研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。