矩陣式變換器雙向開關四步換流技術研究

摘要：對矩陣式變換器(MC)中雙向開關的安全換流課題進行了研究。分析了各種換流方案，進而提出采用可編程邏輯元件(GAL)的四步換流方案，仿真和實驗的結果證實了這種換流方案的可行性與可靠性。

關鍵詞：矩陣式變換器；雙向開關；可編程邏輯器件；四步換流

0 引言

1979年，意大利學者M.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：高功率因數(shù)、低諧波污染、可四象限運行、無中間儲能環(huán)節(jié)、體積小且效率高。隨著交流變頻調速技術成為當代電氣傳動中實現(xiàn)自動化和節(jié)能的主要技術手段，矩陣式變換器(MC)的研究已成為電力電子技術研究的熱點之一。

1 矩陣式變換器及雙向開關

圖1是矩陣式變換器的原理性結構，它可用一個虛擬的整流器和虛擬的逆變器構成。采用這樣的結構可以充分利用交—直—交變換器中成熟的PWM技術。

圖1 矩陣式變換器的原理性結構圖

三相矩陣式變換器采用9個雙向開關組成3×3的矩陣式結構，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，采用一定的開關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制電壓，同時可使輸入電流正弦并與輸入電壓同相。調制過程中，組成雙向開關的單向器件間的換流是矩陣式變換器實現(xiàn)中的關鍵。

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

（a）橋式組合雙向開關結構

（b）共發(fā)射極反向串聯(lián)IGBT

（c）共集電極反向串聯(lián)IGBT

圖2 雙向開關構成方案

橋式組合雙向開關任意時刻都有三個器件參與導通，導通壓降較大，損耗較高。共發(fā)射極和共集電極反向串聯(lián)IGBT組合雙向開關使用兩個IGBT，利用器件內部的續(xù)流二極管以阻擋反向電壓，結構緊湊，方便簡單，開關損耗也較低，故獲得了廣泛的應用。

2 三種換流方案的比較

2.1 死區(qū)換流方案

安排死區(qū)以避免換流時刻輸入線間短路，缺點是在有緩沖電路和電感性負載時開關為硬開關運行方式，緩沖能量被釋放時會伴隨能量損耗。

2.2 重疊換流方案

重疊換流是以輸入線間短暫的短路過程來實現(xiàn)電流的切換，缺點是限流電感體積大、成本高，同時又有可能引入新的過電壓。

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9組雙向開關都實行PWM控制，各開關須按一定規(guī)律進行切換。為了保證安全切換，同一相輸出的任意兩組開關不能同時導通，否則將造成輸入兩相短路；三相開關也不能同時斷開，即在兩組開關切換期間不能插入死區(qū)，否則就造成感性負載開路而感應高電壓。這樣，既不能兩組開關交疊導通，又不允許有切換死區(qū)，必須有嚴格的邏輯控制才行，四步換流方案能很好地滿足這個要求。

3 四步換流過程

圖3是接到同一相負載的兩組雙向開關的換流示意圖。u₁及u₂表示兩相輸入電壓瞬時值，S₁和S₂表示兩組雙向開關，p和n表示每組開關的正向和反向，u_L和i_L分別是負載上的輸出電壓和電流。

圖3 同一相負載兩組開關的換流示意圖

四步換流要實現(xiàn)對兩個雙向開關的換流控制，必須既要禁止可能使電源發(fā)生短路的開關組合，又要保證在任意時刻給負載提供至少一條流通路徑，那么，滿足這些條件的開關組合共有8組，列于表1。

表1 安全換流的開關組合方案

表1中的第一種開關狀態(tài)直接切換到第二種開關是不行的，這樣會造成電源斷路。但當i_L>0時，由狀態(tài)1經(jīng)過狀態(tài)3、7、5，再切換到狀態(tài)2則是可行的。同理，i_L0時，由狀態(tài)4、8、6也可實現(xiàn)狀態(tài)1到2的切換。圖4繪出了這兩種四步換流次序。