矩陣式變換器雙向開關(guān)四步換流技術(shù)研究

摘要：對矩陣式變換器(MC)中雙向開關(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。

關(guān)鍵詞：矩陣式變換器；雙向開關(guān)；可編程邏輯器件；四步換流

0 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、無中間儲能環(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)代電氣傳動中實(shí)現(xiàn)自動化和節(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關(guān)

圖1是矩陣式變換器的原理性結(jié)構(gòu)，它可用一個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)。

圖1 矩陣式變換器的原理性結(jié)構(gòu)圖

三相矩陣式變換器采用9個雙向開關(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，同時可使輸入電流正弦并與輸入電壓同相。調(diào)制過程中，組成雙向開關(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組合雙向開關(guān)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(guān)，共發(fā)射極反向串聯(lián)IGBT組合的雙向開關(guān)和共集電極反向串聯(lián)IGBT組合的雙向開關(guān)，如圖2所示。

（a）橋式組合雙向開關(guān)結(jié)構(gòu)

（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(guān)構(gòu)成方案

橋式組合雙向開關(guān)任意時刻都有三個器件參與導(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組合雙向開關(guān)使用兩個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，方便簡單，開關(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)載時開關(guān)為硬開關(guān)運(yùn)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(shí)現(xiàn)電流的切換，缺點(diǎn)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(guān)都實(shí)行PWM控制，各開關(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關(guān)不能同時導(dǎo)通，否則將造成輸入兩相短路；三相開關(guān)也不能同時斷開，即在兩組開關(guān)切換期間不能插入死區(qū)，否則就造成感性負(fù)載開路而感應(yīng)高電壓。這樣，既不能兩組開關(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要求。

3 四步換流過程

圖3是接到同一相負(fù)載的兩組雙向開關(guān)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(guān)，p和n表示每組開關(guān)的正向和反向，u_L和i_L分別是負(fù)載上的輸出電壓和電流。

圖3 同一相負(fù)載兩組開關(guān)的換流示意圖

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

表1 安全換流的開關(guān)組合方案

表1中的第一種開關(guān)狀態(tài)直接切換到第二種開關(guān)是不行的，這樣會造成電源斷路。但當(dāng)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(shí)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。