基于碳化硅的高功率密度矩陣變換器

黃 蕾

(上海正泰電源系統(tǒng)有限公司, 上海 201614)

0 引 言

用于三相交流傳動的PWM變流器,在很多場合,希望變流器網(wǎng)側(cè)輸入電流具有單位功率因數(shù)、變流器負(fù)載側(cè)輸出可變頻的三相正弦輸出電壓,同時變流器具有較高的工作效率和調(diào)整帶寬。傳統(tǒng)的三相PWM變流器一般為兩級式AC/DC/AC背靠背結(jié)構(gòu),存在中間的直流環(huán)節(jié),直流環(huán)節(jié)上接有儲能元件[1-5]。電壓型變流器直流環(huán)節(jié)儲能元件為電容,電流型變流器的直流環(huán)節(jié)儲能元件為電感。由于AC/DC/AC兩級結(jié)構(gòu)背靠背變流器存在中間儲能元件,其輸入側(cè)瞬時功率和輸出側(cè)瞬時功率之差可以被儲能元件吸收或釋放,因此其前級整流環(huán)節(jié)和后級逆變環(huán)節(jié)在控制上可以解耦,簡化變流器控制器設(shè)計[6-10]。

與背靠背兩級結(jié)構(gòu)變流器不同,矩陣變換器直接將三相輸入交流電壓變換為幅值和頻率可調(diào)的三相正弦電壓,沒有中間直流環(huán)節(jié),也不需要直流側(cè)儲能元件。

1 各種矩陣變換器結(jié)構(gòu)

直接式矩陣變換器如圖1所示。直接式矩陣變換器是最傳統(tǒng)的矩陣變換器結(jié)構(gòu),每個輸入相和每個輸出相都有一個雙向開關(guān)聯(lián)接,可以電壓電流四象限工作、能量雙向流動,缺點是開關(guān)換流復(fù)雜。

間接式矩陣變換器如圖2所示。間接式矩陣變換器存在直流母線,但沒有儲能電容,整流器部分為電流型控制,逆變器部分為電壓型控制。直流母線電壓單方向,母線電流雙向流動。該電路優(yōu)點是換流容易,且逆變側(cè)為零電壓開關(guān),缺點是每相輸入和輸出之間存在3個開關(guān)元件。

稀疏式矩陣變換器如圖3所示。稀疏式矩陣變換器與間接式矩陣變換器相比,稀疏式矩陣變換器少用3個功率管,其負(fù)載一般存在功率因數(shù)限制。

非常稀疏式矩陣變換器如圖4所示。非常稀疏式矩陣變換器與間接矩陣變換器相比,少用6個功率管,缺點是每相輸入和輸出之間存在4個開關(guān)元件,且負(fù)載存在功率因數(shù)限制。

12開關(guān)、9開關(guān)特別稀疏式矩陣變換器分別如圖5和圖6所示。特別稀疏式矩陣變換器優(yōu)點是所用器件較少,缺點是直流母線電壓和電流均為單方向,變流器能量單向流動。

2 碳化硅JFET直接式矩陣變換器設(shè)計要求

矩陣變換器沒有中間儲能環(huán)節(jié),輸入和輸出無法解耦,其輸出電壓容易受到輸入電壓擾動和負(fù)載擾動的影響,控制策略較為復(fù)雜且實際控制效果不如兩級式變流器,目前應(yīng)用并不廣泛[11-14]。但在如多電飛機(jī)等某些對變流器體積和壽命要求較嚴(yán)格的場合,矩陣變換器具有較大優(yōu)勢:一方面矩陣變換器沒有儲能元件,體積可以比同樣容量的兩級結(jié)構(gòu)變流器小;另一方面矩陣變換器不需要電解電容器,也就不需要考慮電解電容壽命問題。

碳化硅結(jié)型場效應(yīng)晶體管(SiC junction Field Effect Transistor,SiC-JFET)為新一代寬帶隙電力電子器件,具有高電壓應(yīng)力、低通態(tài)阻抗、高開關(guān)頻率的特點,適合應(yīng)用于如高功率密度矩陣變換器等場合[15-18]。本文基于新型SiC-JFET,設(shè)計了應(yīng)用于多電飛機(jī)永磁同步電機(jī)驅(qū)動的具有高開關(guān)頻率、高功率密度特點的直接式矩陣變換器,SiC-JFET直接式矩陣變換器電路如圖7所示。需要指出的是,圖7中二極管為SiC-JFET寄生體二極管,為碳化硅材料,但并非肖特基結(jié)構(gòu)二極管,因此仍存在輕微的二極管反向恢復(fù)過程。

由于所選SiC-JFET為常導(dǎo)型器件,在驅(qū)動電路設(shè)計上為零電壓導(dǎo)通,負(fù)電壓關(guān)斷。SiC-JFET驅(qū)動電路原理如圖8所示。

3 直接式矩陣變換器的調(diào)制方法

直接式矩陣變換器如圖9所示。間接式矩陣變換器如圖10所示。

為了方便分析,在圖9和圖10的矩陣變換器模型中,以雙向可通斷開關(guān)代替圖1中實際開關(guān)元件。對于直接式矩陣變換器,每相輸入電壓和輸出電壓均有一個雙向開關(guān)聯(lián)接,其輸入電壓和輸出電壓傳輸方程:

(1)

對于間接式矩陣變換器,每相輸入和輸出之間存在正直流母線和負(fù)直流母線兩個電流通路,如對于輸入a相和輸出A相,開關(guān)S1和S7導(dǎo)通或開關(guān)S4和S10導(dǎo)通均可以實現(xiàn)輸入a相和輸出A相相聯(lián),因此其輸入電壓和輸出電壓的傳輸方程為

(2)

由于直接式矩陣變換器和間接式矩陣變換器僅有電路結(jié)構(gòu)的區(qū)別,對于三相輸入和輸出,兩種變流器等效。因此,結(jié)合式(1)和式(2),可以得到

(3)

根據(jù)式(3)可得,任何一種間接式矩陣變換器的開關(guān)狀態(tài)都對應(yīng)唯一直接式矩陣變換器的開關(guān)狀態(tài),因此只要得到間接式矩陣變換器的開關(guān)調(diào)制狀態(tài),根據(jù)式(3),可以推出直接式矩陣變換器調(diào)制狀態(tài)。

間接式矩陣變換器采用Laszlo Huber和Dusan Borojevic 提出的雙空間矢量法進(jìn)行調(diào)制?；陔p空間矢量法,間接式矩陣變換器可以分為前級整流環(huán)節(jié)和后級逆變環(huán)節(jié),前級整流環(huán)節(jié)按照電流源整流器的調(diào)制方法調(diào)制,后級逆變環(huán)節(jié)按照電壓源逆變器的調(diào)制方法調(diào)制。

間接式矩陣變換器整流側(cè)電流空間矢量扇區(qū)劃分如圖11所示。以圖11扇區(qū)Ⅰ為例,分析間接式矩陣變換器整流環(huán)節(jié)調(diào)制,在扇區(qū)Ⅰ存在非零矢量開關(guān)狀態(tài)ab、ac和零矢量開關(guān)狀態(tài)aa、bb、cc。由于間接式矩陣變換器整流環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)

的零矢量狀態(tài)對于矩陣變換器是等效的,在整流環(huán)節(jié)以最大調(diào)制比調(diào)節(jié),不設(shè)零矢量狀態(tài),則

dab+dac=1

(4)

在一個開關(guān)周期中,間接式矩陣變換器輸入側(cè)各相電流與直流母線電流關(guān)系表示為

(5)

為了使輸入側(cè)電流具有單位功率因數(shù),輸入各相電流應(yīng)與同相輸入電壓成正比,由此可以得到開關(guān)占空比:

(6)

得到扇區(qū)Ⅰ間接式矩陣變換器開關(guān)狀態(tài)占空比后,一個開關(guān)周期內(nèi)間接式矩陣變換器直流母線電壓、電流如圖12所示。

在虛擬直流母線電壓確定后,間接式矩陣變換器后級逆變環(huán)節(jié)可以按照電壓型空間矢量調(diào)制方法進(jìn)行調(diào)制。間接式矩陣變換器逆變側(cè)電壓空間矢量扇區(qū)劃分如圖13所示。在扇區(qū)Ⅰ,逆變環(huán)節(jié)各矢量占空比如式(7)。

(7)

在間接式矩陣變換器的開關(guān)調(diào)制狀態(tài)確定后,按照式(3)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,可以得到直接式矩陣變換器的調(diào)制狀態(tài)。

4 直接式矩陣變換器的換流方法

直接式矩陣變換器在換流上要求輸入側(cè)任何兩相之間不能短路,負(fù)載側(cè)任何一相都不能開路,這就要求設(shè)計合適的矩陣變換器換流方法。

最傳統(tǒng)的換流方法為Burany提出的四步換流法,按照通過輸入側(cè)電壓判斷和根據(jù)輸出側(cè)負(fù)載電流判斷,分為電壓四步換流法和電流四步換流法。電壓四步換流法的具體實現(xiàn)如圖14所示。雙向開關(guān)從聯(lián)通aB轉(zhuǎn)換到聯(lián)通bB,輸入電壓ua>ub,不檢測負(fù)載電流iB方向,為了在不判斷負(fù)載電流方向的基礎(chǔ)上實現(xiàn)負(fù)載電流不開路,第一步首先開通VTbB,此時由于VDbB反向阻斷,負(fù)載電流仍然流過輸入a相,第二步關(guān)斷VTaB,此時如果負(fù)載電流方向為流出矩陣變換器,則負(fù)載電流換向到輸入b相,同時存在VTaB關(guān)斷損耗,反之則負(fù)載電流仍然流過輸入a相。第三步導(dǎo)通VTBb,由于VDBa反向阻斷,如果負(fù)載電流方向為流入矩陣變換器,則此時負(fù)載電流換向到輸入b相,同時存在VTBb開通損耗和VDBa反向恢復(fù)損耗;第四步關(guān)斷VTBa,完成換流。

電流四步換流法具體實現(xiàn)如圖15所示。雙向開關(guān)從聯(lián)通aB轉(zhuǎn)換到聯(lián)通bB,負(fù)載電流iB>0,不檢測輸入電壓方向,為了在不判斷輸入電壓方向的基礎(chǔ)上實現(xiàn)輸入相間不短路,第一步首先關(guān)斷VTBa,第二步開通VTbB,如果相電壓ua>ub,由于VDbB反向阻斷,負(fù)載電流仍然流過輸入a相;反之負(fù)載電流換流到輸入b相,同時存在VTbB開通損耗和VDaB反向恢復(fù)損耗。第三步關(guān)斷VTaB,如果相電壓ua

四步換流法換流次數(shù)較多,對于高開關(guān)頻率矩陣變換器,容易造成一定的占空比損失。電壓兩步換流法具體實現(xiàn)如圖16所示。其換流思路是在穩(wěn)態(tài)時,除了需要聯(lián)接輸入相和輸出相的雙向開關(guān)保持導(dǎo)通外,另外兩組雙向開關(guān)中不引起輸入相間短路的開關(guān)也保持導(dǎo)通狀態(tài),這樣在換流時可以有效減少換流步驟。由于電壓兩步換流法在任何時刻都有盡量多的功率管保持開通狀態(tài),故存在輸入側(cè)相間短路危險。

電壓兩步換流法具有與電壓或電流四步換流法相同的開關(guān)損耗。電壓兩步換流法和電壓四步換流法面對的共同問題是在輸入電壓瞬時值接近的兩相間進(jìn)行換流時,容易出現(xiàn)輸入側(cè)相間短路危險。很多文獻(xiàn)提出在輸入電壓過渡區(qū)間采用替代或換序的方法進(jìn)行換流,即不對輸入電壓瞬時值接近的兩相輸入直接換流,而是在中間插入輸入電壓瞬時值差容易判斷的第三相輸入以確保換流安全。如果只是在換流過程中插入第三相輸入,會相應(yīng)增加換流步驟,也容易引起輸入電流和輸出電壓畸變;如果是在一個開關(guān)周期中采用換序的方法插入第三相輸入,一般需要設(shè)計特殊的調(diào)制策略。

針對上述換流方法的問題和SiC器件瞬時過流能力強(qiáng)的特點,本文通過同時判斷輸入線電壓和輸出負(fù)載電流方向,設(shè)計了四步、三步換流和直接換流相結(jié)合的換流方案。三步換流法具體實現(xiàn)如圖17所示。在矩陣變換器輸入線電壓和輸出負(fù)載電流方向均可以判斷時,采用圖17(a)的電壓電流三步換流法可以解決電壓四步換流法在第二步換流和第三步換流之間必然有一步?jīng)]有實際作用的問題;采用圖17(b)的電流或電壓三步換流法可以解決電流四步換流法在第二步換流和第三步換流之間必然有一步?jīng)]有實際作用的問題。在矩陣變換器輸入線電壓或輸出負(fù)載電流方向無法判斷時,分別采用電流四步換流法或電壓四步換流法進(jìn)行換流。在矩陣變換器輸入線電壓和輸出負(fù)載電流方向均無法判斷時,基于SiC器件開關(guān)速度快和瞬時過流能力強(qiáng)的特點,矩陣變換器直接換流如圖18所示。

5 直接式矩陣變換器的硬件設(shè)計

設(shè)計基于SiC-JFET的直接式矩陣變換器應(yīng)用于多電飛機(jī)永磁同步電機(jī)驅(qū)動,設(shè)計容量為3 kVA,開關(guān)頻率為200 kHz,選用1 200 V/6 A SiC-JFET,封裝TO220,通態(tài)電阻為0.55 Ω,寄生二極管壓降為2.8 V。SiC-JFET矩陣變換器樣機(jī)如圖19所示。整個樣機(jī)為層疊式結(jié)構(gòu),最底層為散熱器基板,由于矩陣變換器工作時其散熱器基板緊密聯(lián)接在永磁同步電機(jī)外殼上,靠電機(jī)外殼給矩陣變換器散熱,因此這里散熱器基板無散熱葉片。SiC-JFET安裝在散熱器基板上,SiC-JFET之間的電路聯(lián)接在功率PCB板上實現(xiàn),功率PCB板上還聯(lián)接有輸入交流電容、負(fù)載電流傳感器和輸出共模濾波器。功率PCB板上方是SiC-JFET驅(qū)動板,驅(qū)動板上方是控制板,包括輔助電源電路、DSP-FPGA采樣控制電路,電路最頂端是輸入EMI電路板。樣機(jī)尺寸長寬高分別為265 mm、85 mm和45 mm,體積為1.013 L,功率密度為3 kVA/L。

6 直接式矩陣變換器的實驗結(jié)果

調(diào)制比m=0.95時矩陣變換器輸入電壓、電流和輸出電流波形如圖20所示。

調(diào)制比m=0.95時矩陣變換器輸入電流和輸出電壓、電流波形如圖21所示。

調(diào)制比m=0.1時矩陣變換器輸入電壓、電流和輸出電流波形如圖22所示。

調(diào)制比m=0.1時矩陣變換器輸入電流和輸出電壓、電流波形如圖23所示。

SiC-JFET矩陣變換器效率如圖24所示,矩陣變換器在開關(guān)頻率200 kHz時最高效率為93.7%。

7 結(jié) 語

矩陣變換器是直接進(jìn)行交流到交流轉(zhuǎn)換的變流器,矩陣變換器不需要直流儲能環(huán)節(jié),適合于需要較高功率密度的電機(jī)驅(qū)動場合。設(shè)計了基于1 200 V/6 A SiC-JFET的直接式矩陣變換器樣機(jī),樣機(jī)開關(guān)頻率200 kHz,功率密度3 kVA/L,滿載效率93.7%。采用三步換流法、四步換流法和直接換流法相結(jié)合的換流方法,適合應(yīng)用于SiC-JFET的直接式矩陣變換器。