车用新型AC_DC矩阵式变换器汇总
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国家自然科学基金资助项目(50777013。收稿日期2010-11-19改稿日期2011-03-22
第26卷第8期
徐壮等车用新型AC-DC矩阵式变换器
65
图1车用整合起动发电系统结构示意图Fig.1 The overall structure of the ISA system
传统PWM整流器被广泛采用于ISA系统，但有很多局限性：
-
三相矩阵变换器理论基础上，推演出AC-DC矩阵
变换器的整流调制策略，并研究了开关序列和换相的方法，采用优化AV法调制策略来控制整流器。运用四步换流策略解决了开关换相存在的短路、断路风险和死区时间问题，仿真和实验结果验证了车用新型AC-DC矩阵式整流器的有效性和正确性。
关键词：AC-DC变换器矩阵变换器功率因数四步换流中图分类号：TM464
A New Bidirectional AC-DC Converter Using
a Matrix Converter Topology
Xu Zhuang Yin Guanxian Xu Dianguo
（Harbin Institute of Technology Harbin 150001 China）
Keywords：AC-DC converter, matrix converter, power factor, four-step current commutation
1引言
随着汽车电子系统容量的扩大，极限功率为3kW左右的传统14V供电系统已经逐渐过渡到42V系统，其中42V为整流器工作时的直流端电压，蓄电池电压为36V。而42V车用整流器在汽车行驶过程中将发电机所发出的变频变幅的交流电变换为42V直流电。21世纪汽车的发展受到能源、环保和
安全的三大挑战。未来车辆对电能的需求和效率的要求使得设计适合的车用整合起动发电系统（ISA）显得尤为必要。目前的解决方案离真正意义上的ISA还有一定的距离。考虑到中国和世界巨大的市场，ISA的研发对中国的汽车产业将带来相当大的益处。ISA系统（见图1）起动时由电动机带动引擎，当达到预定转速时，由引擎驱动汽车工作，此时电机工作在发电状态，向蓄电池充电。只需要一台电机和一套变流器就可以工作，而且满足降低排放和减少燃油的消耗量，几乎整个系统运行期间都能向蓄电池提供电能[1-3]。
Abstract The expansion of automotive electronic system and the disadvantage of the conventional rectifier should not be ignored. To achieve unity power factor and complete the step-down rectification in single stage, this paper presents a new type of AC-DC matrix converter with 42V for automotives. It removed the impact of harmonics which is caused by the dead time and reduced the cost of the system. In this paper, the modulation strategy of AC-DC matrix converter derived from that of three-phase – three-phase matrix converter and the methods of commutation are studied. The optimized modulation strategy named AV method is used to control the switch-state. The four-step commutation strategy is a solution of the risks for short circuit, open circuit and the dead-time problem. The experimental results based on DSP system and the simulation results demonstrate the validity and effectiveness of the system.
（1）输出AC电压总小于直流母线电压。某些场合，可用的直流母线电压受限，需要加入DC-DC变换器。增加额外的变换装置加大了系统费用，降低了效率。
（2）死区的加入导致输出波形的畸变。在低速时会使系统不稳定。
（3）可靠性来讲，对EMI噪声可导致击穿，毁坏逆变器。
42V PowerNBiblioteka Baidut ISA系统[2]如果使用传统的VSI拓扑会给系统带来很大的能耗。如果不加入DC-DC变换器，ISA电机的尖峰相电压将受限于24V。如此低的定子端电压要维持正常的起动转矩，会导致ISA电机起动电流非常大。由于电力开关有饱和电压降，较低的端电压也会给系统的控制带来问题，需要在算法上进行补偿。
AC-DC矩阵变换器是由三相
-
三相矩阵变换器
推演出的一种新型拓扑结构的变换器。文献[4]在理论上对AC-DC新型拓扑结构进行了研究，在AC-AC调制算法的基础上推导了AC-DC整流控制的算法，并做了仿真研究。文献[5]在实验室实现了小功率的AC-DC矩阵整流器，得到正弦输入电流并与输入电压同相。但是，输入电流波形不是理想正弦，调制策略中的开关序列模式尚待完善。为了解决AC-DC矩阵变换器中的电气隔离问题，文献[6]将高频隔离变压器引入到AC-DC矩阵变换器设计中。其中隔离变压器一次侧对高频干扰呈现很高的阻抗，而位于一次、二次绕组之间的金属屏蔽层又阻隔了一、二次侧所产生的分布电容。
2011年8
月电工技术学报
Vol.26 No. 8
第26卷第8期
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Aug. 2011
车用新型AC-DC矩阵式变换器
徐壮殷冠贤徐殿国
（哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院哈尔滨150001）
摘要针对车用电子系统容量扩大和传统PWM整流器缺点问题，为实现输入单位功率因数和一级降压整流，去除死区时间引起的谐波带来的影响，本文提出一种新型基于42V PowerNet的车用双向AC-DC矩阵变换器。在基于三相
第26卷第8期
徐壮等车用新型AC-DC矩阵式变换器
65
图1车用整合起动发电系统结构示意图Fig.1 The overall structure of the ISA system
传统PWM整流器被广泛采用于ISA系统，但有很多局限性：
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三相矩阵变换器理论基础上，推演出AC-DC矩阵
变换器的整流调制策略，并研究了开关序列和换相的方法，采用优化AV法调制策略来控制整流器。运用四步换流策略解决了开关换相存在的短路、断路风险和死区时间问题，仿真和实验结果验证了车用新型AC-DC矩阵式整流器的有效性和正确性。
关键词：AC-DC变换器矩阵变换器功率因数四步换流中图分类号：TM464
A New Bidirectional AC-DC Converter Using
a Matrix Converter Topology
Xu Zhuang Yin Guanxian Xu Dianguo
（Harbin Institute of Technology Harbin 150001 China）
Keywords：AC-DC converter, matrix converter, power factor, four-step current commutation
1引言
随着汽车电子系统容量的扩大，极限功率为3kW左右的传统14V供电系统已经逐渐过渡到42V系统，其中42V为整流器工作时的直流端电压，蓄电池电压为36V。而42V车用整流器在汽车行驶过程中将发电机所发出的变频变幅的交流电变换为42V直流电。21世纪汽车的发展受到能源、环保和
安全的三大挑战。未来车辆对电能的需求和效率的要求使得设计适合的车用整合起动发电系统（ISA）显得尤为必要。目前的解决方案离真正意义上的ISA还有一定的距离。考虑到中国和世界巨大的市场，ISA的研发对中国的汽车产业将带来相当大的益处。ISA系统（见图1）起动时由电动机带动引擎，当达到预定转速时，由引擎驱动汽车工作，此时电机工作在发电状态，向蓄电池充电。只需要一台电机和一套变流器就可以工作，而且满足降低排放和减少燃油的消耗量，几乎整个系统运行期间都能向蓄电池提供电能[1-3]。
Abstract The expansion of automotive electronic system and the disadvantage of the conventional rectifier should not be ignored. To achieve unity power factor and complete the step-down rectification in single stage, this paper presents a new type of AC-DC matrix converter with 42V for automotives. It removed the impact of harmonics which is caused by the dead time and reduced the cost of the system. In this paper, the modulation strategy of AC-DC matrix converter derived from that of three-phase – three-phase matrix converter and the methods of commutation are studied. The optimized modulation strategy named AV method is used to control the switch-state. The four-step commutation strategy is a solution of the risks for short circuit, open circuit and the dead-time problem. The experimental results based on DSP system and the simulation results demonstrate the validity and effectiveness of the system.
（1）输出AC电压总小于直流母线电压。某些场合，可用的直流母线电压受限，需要加入DC-DC变换器。增加额外的变换装置加大了系统费用，降低了效率。
（2）死区的加入导致输出波形的畸变。在低速时会使系统不稳定。
（3）可靠性来讲，对EMI噪声可导致击穿，毁坏逆变器。
42V PowerNBiblioteka Baidut ISA系统[2]如果使用传统的VSI拓扑会给系统带来很大的能耗。如果不加入DC-DC变换器，ISA电机的尖峰相电压将受限于24V。如此低的定子端电压要维持正常的起动转矩，会导致ISA电机起动电流非常大。由于电力开关有饱和电压降，较低的端电压也会给系统的控制带来问题，需要在算法上进行补偿。
AC-DC矩阵变换器是由三相
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三相矩阵变换器
推演出的一种新型拓扑结构的变换器。文献[4]在理论上对AC-DC新型拓扑结构进行了研究，在AC-AC调制算法的基础上推导了AC-DC整流控制的算法，并做了仿真研究。文献[5]在实验室实现了小功率的AC-DC矩阵整流器，得到正弦输入电流并与输入电压同相。但是，输入电流波形不是理想正弦，调制策略中的开关序列模式尚待完善。为了解决AC-DC矩阵变换器中的电气隔离问题，文献[6]将高频隔离变压器引入到AC-DC矩阵变换器设计中。其中隔离变压器一次侧对高频干扰呈现很高的阻抗，而位于一次、二次绕组之间的金属屏蔽层又阻隔了一、二次侧所产生的分布电容。
2011年8
月电工技术学报
Vol.26 No. 8
第26卷第8期
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Aug. 2011
车用新型AC-DC矩阵式变换器
徐壮殷冠贤徐殿国
（哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院哈尔滨150001）
摘要针对车用电子系统容量扩大和传统PWM整流器缺点问题，为实现输入单位功率因数和一级降压整流，去除死区时间引起的谐波带来的影响，本文提出一种新型基于42V PowerNet的车用双向AC-DC矩阵变换器。在基于三相