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點：高功率因數、低諧波污染、可四象限運行、無中間儲能環節、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自動化和節能的主要技術手段，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，共發射極反向串聯IGBT組合的雙向開關和共集電極反向串聯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）共發射極反向串聯IGBT

（c）共集電極反向串聯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。共發射極和共集電極反向串聯IGBT組合雙向開關使用兩個IGBT，利用器件內部的續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??? 死區換流方案

??? 安排死區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，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，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

??? 四步換流要實現對兩個雙向開關的換流控制，必須既要禁止可能使電源發生短路的開關組合，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1經過狀態3、7、5，再切換到狀態2則是可行的。同理，i_L<0時，由狀態4、8、6也可實現狀態1到2的切換。圖4繪出了這兩種四步換流次序。

(a)??? i_L>0??? (b)??? i_L<0

圖4??? 安全的四步換流次序圖

4??? 四步換流的死區補償

??? 采用滯環比較器和過零比較器得到電流方向，并預測電流是否在死區時間內可能過零，如果不會，則第一步可以在DSP發出PWM信號之前完成，如圖5所示，則四步換流的死區共為t_d=t_c1＋t_c2＋t_c3，死區補償后的死區時間共為t_d=t_c2＋t_c3。

圖5??? 死區補償后的四步換流

5??? GAL的四步換流方案

??? GAL22V10是Lattice公司生產的復雜可編程邏輯器件，其引腳間最大的傳輸時間為4ns，相應的計數器頻率可達250MHz，具有電可擦除的CMOS結構和浮動門技術，可100次重復擦寫，數據儲存可達20年之久。

??? 圖6所示為矩陣式變換器的某一輸出相的三個雙向開關狀態轉換圖。1表示為開關導通，0表示開關關斷，前兩位、中間兩位和后兩位分別表示與三個輸入相連的雙向開關。圖中，橢圓形框表示穩態，矩形框表示暫態。可見，要正確實現四步換流需要知道當前狀態、下一時刻狀態、負載電流方向及定時器換流時間，判斷得出正確的換流信號和順序并輸出到每個IGBT器件的柵極，完成換流所需的時序邏輯。

圖6??? 矩陣式變換器的某一輸出相的開關狀態轉換圖

6??? 實驗仿真

??? 圖7是實驗中一對雙向開關換流過程的實際波形，圖8是實驗中兩相正向開關換流過程的實際波形，可見通過DSP已成功地實現了開關之間的安全換流。通過仿真軟件Matlab/Simulink也可以對矩陣式變換器（MC）雙向開關的四步換流過程進行驗證，采用理想開關對矩陣式變換器一相電路換流過程進行仿真，其輸出電壓仿真波形如圖9所示。

圖7??? 一對雙向開關換流過程實驗波形

圖8??? 兩相正向開關換流過程的實驗波形

圖9??? 輸出電壓仿真波形

??? 實驗中采用IGBT以集電極反串聯組合構成雙向開關，圖10是輸出線電壓實驗波形。

x:t/10.0ms/格??? y:v/200V/格

圖10??? 輸出線電壓實驗波形

??? 觀察IGBT器件上集、射極間電壓波形，可見四步換流可以將器件換流時產生的電壓過沖限制在合理選定的電壓耐量范圍內，確保器件安全工作。

7??? 結語

??? 本文針對GAL控制的矩陣式變換器（MC）雙向開關四步換流方案進行，然后以DSP為核心構成了矩陣式變換器的硬件系統，設計了控制系統軟件，完成了異步電機拖動實驗。實驗結果驗證了該方案的有效性。