矩陣式單相電源變換技術

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

2、波形差；逆變式調壓器采用的是斬控式方式，其輸出波形和動態(tài)響應較好。從上面可知，逆變式電子調壓器具有最好的性能。逆變式電子調壓器的結構不僅具有調壓、穩(wěn)壓的能力，而且還可以實現(xiàn)頻率的變換。然而，該結構具有中間直流環(huán)節(jié)，有兩次能量的轉化，因此，使用儲能電容和轉換效率低是它的不足。隨著現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展，單相電源變換技術也有了很大的進步，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壓器 1；Douglas Giardini等提出了一種用于機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幅調頻

3、能力的單相-單相矩陣式變換技術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上，提出一種簡化的變換電路拓撲。該電路只使用兩個雙向開關，可以實現(xiàn)輸出調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撲見圖1，通過一組開關函數可以將輸入的工頻交流電壓轉換成幅值與頻率可調的單相交流電壓，其中S11S22為4只雙向可控開關。 圖1 單相-單相矩陣式電力變換器拓撲 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S11與S12負責產生 ，S21與S22負責產

4、生 。輸出目標函數為兩相正弦函數，這種方法可以稱為SPWM法。不失一般性，令輸出目標函數為 設電源電壓為 ，則期望輸出電壓為 其中， 與 分別為 與 的有效值，可得開關函數矩陣， 其中， 代表對應雙向可控開關的瞬時占空比， ， ， ， 與 為電壓變比， 。注意當輸入電壓過零時，開關函數不再收斂，需要利用Lhospital法則處理。這種控制方法有以下優(yōu)點：（1） 與 獨立可調，則輸出電壓范圍擴大；（2）開關利用率大大增強；（3）三次諧波注入PWM、開關損耗最小PWM、基于開關函數SVPWM等方法能夠直接采用。 通過對上述變換器拓撲的分析，對于單相輸出可以簡化電路的結構。將雙向開關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脈沖的補脈沖驅動SB2，實現(xiàn)變壓器的原邊電流續(xù)流。只要輸出濾波器參數設計合理，就可以得到高正弦度的輸出電壓波形，開關頻率越高效果越好。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，這種變換器的設計難點在于雙向可控開關SB1與SB2之間的是否能夠安全切換。因為開關非理想特性，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。這是一種根據電源電壓極性而確定的換流方式。根據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，電源電壓負極性時定為扇區(qū)2。扇區(qū)1內開關動作規(guī)則： 1 預備 Q2、Q4（SB1）斷，Q1、Q3（SB2）斷，得到工作狀態(tài)：等待，得到開關狀態(tài)：Q2、Q4斷，Q1、Q3斷； 2正半周電源電壓開始 開始工作，首先按照期望開關周期與占空比開通Q1和Q3，得到工作狀態(tài)：供電，得到開關狀態(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關斷，延時；Q2開通，延時；Q3關斷，得到工作狀態(tài)：續(xù)流，得到開關狀態(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關斷，延時；Q1開通，延時；Q4關斷，得到工作狀態(tài)： 供電，得到開關狀態(tài)：Q2、Q4斷，Q1、Q3通。扇區(qū)2內開關動作規(guī)則： 1 預備 Q2、Q4（即SB1）關斷，Q1、Q3（即SB2）開通，得到工作狀態(tài)：等待，得到開關狀態(tài)：Q2、Q4斷，Q1、Q3斷2 負半周電源電壓開始開始工作，首先按照期望開關周期與占空比開通Q1和Q3，得到工作狀態(tài)：供電，得到開關狀態(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關斷，延時；Q4開通，延時；Q1關斷，得到工作狀態(tài)：續(xù)流，得到開關狀態(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關斷，延時；Q3開通，延時；Q2關斷，得到工作狀態(tài)： 供電，得到開關狀態(tài)：Q2、Q4斷，Q1、Q3通。在每個扇區(qū)內部，這種換流方式是安全的，只需要利用電壓傳感器準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，其過零點的檢測比較準確可靠。扇區(qū)之間切換時不需要特別考慮，因為切換點只出現(xiàn)在電源電壓過零點，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此時處于什么開關狀態(tài)，首先開通Q2和Q4，進

9、行續(xù)流，短暫延時后，再關閉Q1和Q3，然后再按照四步換流流程進行即可。4 仿真結果 采用PSPICE對采用四步換流方式的矩陣式單相電源變換器進行仿真，為增強效果，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。電源側濾波電容為2mF，濾波電感為2mH。負載電阻為5W，功率開關為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載電流波形(7.5%) 5 結 論 本文所提的矩陣式單相電源變換器具有開關元件數量少、中間無需儲能

11、電容、輸出電壓連續(xù)可調、高正弦度輸入電流等特點，適用于恒頻調壓調速、UPS、工業(yè)加熱、調光器等應用場合。仿真結果驗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。矩陣式單相電源變換器是電力電子與變壓器技術相結合的產物，當開關頻率很高時，變壓器體積和整機體積可以做得很小，這是一種有前途的單相電源變換裝置。參考文獻： 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