矩陣式變換器雙向開(kāi)關(guān)四步換流技術(shù)研究

摘要：對(duì)矩陣式變換器(MC)中雙向開(kāi)關(guān)的安全換流課題進(jìn)行了研究。分析了各種換流方案，進(jìn)而提出采用可編程邏輯元件(GAL)的四步換流方案，仿真和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證實(shí)了這種換流方案的可行性與可靠性。

引言

1979年，意大利學(xué)者M(jìn).Venturini第一次提出了矩陣式變換器存在理論及控制策略。與傳統(tǒng)的交—交變頻器及交—直—交變頻器相比，矩陣式變頻器具有明顯的優(yōu)點(diǎn)：高功率因數(shù)、低諧波污染、可四象限運(yùn)行、無(wú)中間儲(chǔ)能環(huán)節(jié)、體積小且效率高。隨著交流變頻調(diào)速技術(shù)成為當(dāng)代電氣傳動(dòng)中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和節(jié)能的主要技術(shù)手段，矩陣式變換器(MC)的研究已成為電力電子技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。

1 矩陣式變換器及雙向開(kāi)關(guān)

圖1是矩陣式變換器的原理性結(jié)構(gòu)，它可用一個(gè)虛擬的整流器和虛擬的逆變器構(gòu)成。采用這樣的結(jié)構(gòu)可以充分利用交—直—交變換器中成熟的PWM技術(shù)。三相矩陣式變換器采用9個(gè)雙向開(kāi)關(guān)組成3×3的矩陣式結(jié)構(gòu)，因而三相輸入中的任意一相可與三相輸出的任意一線相連，采用一定的開(kāi)關(guān)控制策略可使輸出線間平均輸出電壓為所需頻率下的正弦調(diào)制電壓，同時(shí)可使輸入電流正弦并與輸入電壓同相。調(diào)制過(guò)程中，組成雙向開(kāi)關(guān)的單向器件間的換流是矩陣式變換器實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵。

目前常用的IGBT組合雙向開(kāi)關(guān)主要有3種形式，即由單個(gè)IGBT和二極管組合成的橋式雙向開(kāi)關(guān)，共發(fā)射極反向串聯(lián)IGBT組合的雙向開(kāi)關(guān)和共集電極反向串聯(lián)IGBT組合的雙向開(kāi)關(guān)，如圖2所示。

橋式組合雙向開(kāi)關(guān)任意時(shí)刻都有三個(gè)器件參與導(dǎo)通，導(dǎo)通壓降較大，損耗較高。共發(fā)射極和共集電極反向串聯(lián)IGBT組合雙向開(kāi)關(guān)使用兩個(gè)IGBT，利用器件內(nèi)部的續(xù)流二極管以阻擋反向電壓，結(jié)構(gòu)緊湊，方便簡(jiǎn)單，開(kāi)關(guān)損耗也較低，故獲得了廣泛的應(yīng)用。

2 三種換流方案的比較

2.1 死區(qū)換流方案

安排死區(qū)以避免換流時(shí)刻輸入線間短路，缺點(diǎn)是在有緩沖電路和電感性負(fù)載時(shí)開(kāi)關(guān)為硬開(kāi)關(guān)運(yùn)行方式，緩沖能量被釋放時(shí)會(huì)伴隨能量損耗。

2.2 重疊換流方案

重疊換流是以輸入線間短暫的短路過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)電流的切換，缺點(diǎn)是限流電感體積大、成本高，同時(shí)又有可能引入新的過(guò)電壓。

2.3 四步換流方案

為保證MC的輸入電流和輸出電壓都是正弦波，對(duì)9組雙向開(kāi)關(guān)都實(shí)行PWM控制，各開(kāi)關(guān)須按一定規(guī)律進(jìn)行切換。為了保證安全切換，同一相輸出的任意兩組開(kāi)關(guān)不能同時(shí)導(dǎo)通，否則將造成輸入兩相短路；三相開(kāi)關(guān)也不能同時(shí)斷開(kāi)，即在兩組開(kāi)關(guān)切換期間不能插入死區(qū)，否則就造成感性負(fù)載開(kāi)路而感應(yīng)高電壓。這樣，既不能兩組開(kāi)關(guān)交疊導(dǎo)通，又不允許有切換死區(qū)，必須有嚴(yán)格的邏輯控制才行，四步換流方案能很好地滿足這個(gè)要求。

3 四步換流過(guò)程

圖3是接到同一相負(fù)載的兩組雙向開(kāi)關(guān)的換流示意圖。u1及u2表示兩相輸入電壓瞬時(shí)值，S1和S2表示兩組雙向開(kāi)關(guān)，p和n表示每組開(kāi)關(guān)的正向和反向，uL和iL分別是負(fù)載上的輸出電壓和電流。

四步換流要實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)雙向開(kāi)關(guān)的換流控制，必須既要禁止可能使電源發(fā)生短路的開(kāi)關(guān)組合，又要保證在任意時(shí)刻給負(fù)載提供至少一條流通路徑，那么，滿足這些條件的開(kāi)關(guān)組合共有8組，列于表1。

表1 安全換流的開(kāi)關(guān)組合方案

S1p

S1n

S2p

S2n

iL方向

1

1

1

0

0

＋ －

2

0

0

1

1

＋ －

3

1

0

0

0

＋

4

0

1

0

0

－

5

0

0

1

0

＋

6

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