矩陣式單相電源變換技術(shù)

1、矩陣式單相電源變換技術(shù)摘 要: 本文提出了一種矩陣式單相電源變換技術(shù)，并分析了其工作原理，給出了一種安全的換流策略。仿真結(jié)果表明這種變換器輸出電壓在寬范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，而且具有高正弦度的輸入電流波形。 關(guān)鍵詞: 矩陣式電源變換 安全換流策略 1 前 言 單相交流電源在許多方面應(yīng)用是非常廣泛的，比如在農(nóng)村、輕工業(yè)、家用電器等小功率傳動領(lǐng)域以及電力機(jī)車供電系統(tǒng)。對于單相交流電源，調(diào)壓和穩(wěn)壓是最為普遍的要求。能夠?qū)崿F(xiàn)這些的裝置一般有下面三種調(diào)壓器：磁飽和式調(diào)壓器、機(jī)械式調(diào)壓器、電子式調(diào)壓器。電子式調(diào)壓器采用電力電子器件實(shí)現(xiàn)。目前有晶閘管調(diào)壓器和逆變式調(diào)壓器兩種。晶閘管調(diào)壓器采用的是相控方式，因此其輸出

2、波形差；逆變式調(diào)壓器采用的是斬控式方式，其輸出波形和動態(tài)響應(yīng)較好。從上面可知，逆變式電子調(diào)壓器具有最好的性能。逆變式電子調(diào)壓器的結(jié)構(gòu)不僅具有調(diào)壓、穩(wěn)壓的能力，而且還可以實(shí)現(xiàn)頻率的變換。然而，該結(jié)構(gòu)具有中間直流環(huán)節(jié)，有兩次能量的轉(zhuǎn)化，因此，使用儲能電容和轉(zhuǎn)換效率低是它的不足。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，單相電源變換技術(shù)也有了很大的進(jìn)步，先后出現(xiàn)了多種利用全控器件的交交直接變換方案。例如Han-Wood Park等提出了一種新穎的高性能單相交流調(diào)壓器 1；Douglas Giardini等提出了一種用于機(jī)場的航空照明矩陣式單相降壓變換器2；Zuckerberger 等提出了一種具有輸出電壓調(diào)幅調(diào)頻

3、能力的單相-單相矩陣式變換技術(shù)3。本文基于矩陣式變換理論，在矩陣式單相電源變換電路的基礎(chǔ)上，提出一種簡化的變換電路拓?fù)洹Ｔ撾娐分皇褂脙蓚€雙向開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)輸出調(diào)壓能力和獲得高正弦度的輸入電流波形。 2 矩陣式單相電源變換原理 單相-單相矩陣式電力變換的典型拓?fù)湟妶D1，通過一組開關(guān)函數(shù)可以將輸入的工頻交流電壓轉(zhuǎn)換成幅值與頻率可調(diào)的單相交流電壓，其中S11S22為4只雙向可控開關(guān)。 圖1 單相-單相矩陣式電力變換器拓?fù)?圖2 簡化的單相電源變換電路 將單相電源視為兩相電源，單相-單相矩陣式變換器期望輸出兩相余弦電壓 和 ，包含輸出0Hz，其中四象限開關(guān)S11與S12負(fù)責(zé)產(chǎn)生 ，S21與S22負(fù)責(zé)產(chǎn)

4、生 。輸出目標(biāo)函數(shù)為兩相正弦函數(shù)，這種方法可以稱為SPWM法。不失一般性，令輸出目標(biāo)函數(shù)為 設(shè)電源電壓為 ，則期望輸出電壓為 其中， 與 分別為 與 的有效值，可得開關(guān)函數(shù)矩陣， 其中， 代表對應(yīng)雙向可控開關(guān)的瞬時占空比， ， ， ， 與 為電壓變比， 。注意當(dāng)輸入電壓過零時，開關(guān)函數(shù)不再收斂，需要利用Lhospital法則處理。這種控制方法有以下優(yōu)點(diǎn)：（1） 與 獨(dú)立可調(diào)，則輸出電壓范圍擴(kuò)大；（2）開關(guān)利用率大大增強(qiáng)；（3）三次諧波注入PWM、開關(guān)損耗最小PWM、基于開關(guān)函數(shù)SVPWM等方法能夠直接采用。 通過對上述變換器拓?fù)涞姆治?，對于單相輸出可以簡化電路的結(jié)構(gòu)。將雙向開關(guān)4QSS22短接

5、、4QSS12開路。3 簡化的矩陣式單相電源變換器 簡化后的單相電源變換電路如圖2所示。其工作原理為：利用固定占空比的PWM脈沖波驅(qū)動SB1，將等寬的電源脈沖電壓施加到變壓器的原邊，同時利用上述PWM脈沖的補(bǔ)脈沖驅(qū)動SB2，實(shí)現(xiàn)變壓器的原邊電流續(xù)流。只要輸出濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)合理，就可以得到高正弦度的輸出電壓波形，開關(guān)頻率越高效果越好。上述SB1與SB2之間的換流方式由一步完成，稱一步換流方式。由圖2，這種變換器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于雙向可控開關(guān)SB1與SB2之間的是否能夠安全切換。因?yàn)殚_關(guān)非理想特性，在二者之間換流時存在電源直通與變壓器原邊開路的可能性，而這兩點(diǎn)是不期望的。為此必須在二者切換時采取安全換

6、流策略，下面給出一種四步換流方式。這是一種根據(jù)電源電壓極性而確定的換流方式。根據(jù)電源電壓極性的不同將一個電源電壓周期劃分為兩個扇區(qū)，電源電壓正極性時定為扇區(qū)1，電源電壓負(fù)極性時定為扇區(qū)2。扇區(qū)1內(nèi)開關(guān)動作規(guī)則： 1 預(yù)備 Q2、Q4（SB1）斷，Q1、Q3（SB2）斷，得到工作狀態(tài)：等待，得到開關(guān)狀態(tài)：Q2、Q4斷，Q1、Q3斷； 2正半周電源電壓開始 開始工作，首先按照期望開關(guān)周期與占空比開通Q1和Q3，得到工作狀態(tài)：供電，得到開關(guān)狀態(tài)：Q2、Q4斷，Q1、Q3通。 3由供電狀態(tài)切換到續(xù)流狀態(tài) Q4開通，延時；Q1關(guān)斷，延時；Q2開通，延時；Q3關(guān)斷，得到工作狀態(tài)：續(xù)流，得到開關(guān)狀態(tài)：Q2、

7、Q4通，Q1、Q3斷。 4由續(xù)流狀態(tài)切換到供電狀態(tài) Q3開通，延時；Q2關(guān)斷，延時；Q1開通，延時；Q4關(guān)斷，得到工作狀態(tài)： 供電，得到開關(guān)狀態(tài)：Q2、Q4斷，Q1、Q3通。扇區(qū)2內(nèi)開關(guān)動作規(guī)則： 1 預(yù)備 Q2、Q4（即SB1）關(guān)斷，Q1、Q3（即SB2）開通，得到工作狀態(tài)：等待，得到開關(guān)狀態(tài)：Q2、Q4斷，Q1、Q3斷2 負(fù)半周電源電壓開始開始工作，首先按照期望開關(guān)周期與占空比開通Q1和Q3，得到工作狀態(tài)：供電，得到開關(guān)狀態(tài)：Q2、Q4斷，Q1、Q3通。 3由供電狀態(tài)切換到續(xù)流狀態(tài) Q2開通，延時；Q3關(guān)斷，延時；Q4開通，延時；Q1關(guān)斷，得到工作狀態(tài)：續(xù)流，得到開關(guān)狀態(tài)：Q2、Q4通，Q

8、1、Q3斷。 4由續(xù)流狀態(tài)切換到供電狀態(tài) Q1開通，延時；Q4關(guān)斷，延時；Q3開通，延時；Q2關(guān)斷，得到工作狀態(tài)： 供電，得到開關(guān)狀態(tài)：Q2、Q4斷，Q1、Q3通。在每個扇區(qū)內(nèi)部，這種換流方式是安全的，只需要利用電壓傳感器準(zhǔn)確快速的檢測電源電壓極性來確定扇區(qū)，而不需要電流傳感器檢測變壓器原邊電流的極性。當(dāng)然，要求傳感器要有良好的線性度、快速性和光電隔離，但由于電源電壓很穩(wěn)定，其過零點(diǎn)的檢測比較準(zhǔn)確可靠。扇區(qū)之間切換時不需要特別考慮，因?yàn)榍袚Q點(diǎn)只出現(xiàn)在電源電壓過零點(diǎn)，切換時只要保證變壓器的原邊續(xù)流有路徑即可，可以采取以下方法：不論變壓器原邊電流與各開關(guān)此時處于什么開關(guān)狀態(tài)，首先開通Q2和Q4，進(jìn)

9、行續(xù)流，短暫延時后，再關(guān)閉Q1和Q3，然后再按照四步換流流程進(jìn)行即可。4 仿真結(jié)果 采用PSPICE對采用四步換流方式的矩陣式單相電源變換器進(jìn)行仿真，為增強(qiáng)效果，仿真電路在變壓器原邊增加了一個濾波器，其中電感為1mH，電容為1mF。變壓器原邊電感為100mH，原邊電阻為2W，副邊為100mH，電壓變比為1。電源側(cè)濾波電容為2mF，濾波電感為2mH。負(fù)載電阻為5W，功率開關(guān)為IGBT。輸出濾波電容為10mF，輸出濾波電感為20mH。電源為單相工頻交流電源，開關(guān)頻率為10kHz。圖4、6、8與10為占空比100%、95%、50%與7.5%時變壓器輸出電壓與負(fù)載電流波形，圖3、5、7與9為占空比10

10、0%、95%、50%與7.5%時電源電壓與電流波形。仿真表明，開關(guān)頻率越高，輸出電壓與電流波形正弦度越好；占空比越大，輸出電壓幅值越高；輸入電流波形的正弦度很高，對電網(wǎng)的無諧波電流污染。 圖3 電源電壓與電流波形(100%) 圖4 變壓器輸出電壓與負(fù)載電流波形(100%) 圖5 電源電壓與電流波形(95%) 圖6 變壓器輸出電壓與負(fù)載電流波形(95%) 圖7 電源電壓與電流波形(50%) 圖8 變壓器輸出電壓與負(fù)載電流波形(50%) 圖9 電源電壓與電流波形(7.5%) 圖10 變壓器輸出電壓與負(fù)載電流波形(7.5%) 5 結(jié) 論 本文所提的矩陣式單相電源變換器具有開關(guān)元件數(shù)量少、中間無需儲能

11、電容、輸出電壓連續(xù)可調(diào)、高正弦度輸入電流等特點(diǎn)，適用于恒頻調(diào)壓調(diào)速、UPS、工業(yè)加熱、調(diào)光器等應(yīng)用場合。仿真結(jié)果驗(yàn)證了四步換流策略是矩陣式單相電源變換器的一種安全換流技術(shù)。矩陣式單相電源變換器是電力電子與變壓器技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，當(dāng)開關(guān)頻率很高時，變壓器體積和整機(jī)體積可以做得很小，這是一種有前途的單相電源變換裝置。參考文獻(xiàn)： 1 Han-Wood Park, Jin-Gil Park, Cheul-U Kim. A novel high-performance voltage regulator for single-phase AC sources. IEEE IE, 48(3): 554562, 2001 2 Douglas Giardini, James H.Galloway. A single phase matrix down-converter for airport lighting regulation. IEEE PESC: 1153-1156, 1999 3 A.Zucker