虚拟不可控整流矩阵变换器电压法四步换流策略研究

虚拟不可控整流矩阵变换器电压法四步换流策略研究
黄澔
【摘要】矩阵变换器(Matrix Converter)作为一种新型的交-交变频装置,具有传统交-直-交变频器不可比拟的优越性能,但是如何实现安全换流成为了限制矩阵变换器发展的一个重要因素.该文在虚拟不可控整流矩阵变换器调制策略基础上,采用基于输入电压检测法的四步换流,避免了传统四步换流的电压方向检测不准确的问题,同时将换流时长进行合理调整,节约了换流时间,从而提高了输出波形质量.
【期刊名称】《工业仪表与自动化装置》
【年(卷),期】2018(000)004
【总页数】4页(P50-53)
【关键词】矩阵变换器;四步换流;虚拟不可控整流
【作者】黄澔
【作者单位】西安陕鼓动力股份有限公司,西安710075
【正文语种】中文
【中图分类】TM46
0 引言
矩阵变换器(Matrix Converter)作为一种新型交-交变频装置[1]，其拓扑结构如图1所示，主电路的9个双向开关(Sij，i=A,B,C；j=a,b,c)是由2个IGBT和2个二极管反并联组成，双向开关不仅能阻断双向电压，而且可以通过双向电流，因此矩
阵变换器理论上可以产生任意频率的输出。

矩阵变换器以其种种优越的变换性能，如结构简单，便于集成，能量密度大，能量双向流动，输出电压频率不受限制，可调节的输入功率因数等优势弥补了传统交-直-交型变频器和传统交-交变频电路的
不足，是一种新型的“绿色变频器”[2-4]。

但是，由于矩阵变换器特殊的拓扑结构，需要的电力电子元件较多，如何实现相间安全换流[1]成为了影响矩阵变换器
工业化的难题之一[5]。

该文在虚拟不可控整流矩阵变换器调制策略基础上，采用
基于输入电压方向检测的四步换流，同时调整了四步换流所需的时间，提高了输出波形质量。

图1 三相-三相矩阵变换器结构
1 矩阵变换器运行过程中的两个基本原则
矩阵变换器电路中，输出电压是由各相输入相电压合成的，没有传统交-直-交变换器中的自然续流通路，在运行时，需要将矩阵变换器的负载电流从一个输入相安全地切换至另外一个输入相，换流控制必须遵循2个基本原则[1]：
原则1 输入端中的任意两相之间不能短路，避免使电压源短路造成过电流；
原则2 输出端中的任意一相电路均不能断路，避免感性负载突然断路而产生过电压。

根据这2个基本原则，矩阵变换器在运行过程中的任意时刻，连接到同一相负载
的3个双向开关中，有且只有一个开关可以导通，而另外2个开关必须关断。

因为任意时刻连接到输出负载某相的三组双向开关中只能导通一组(原则1)，将三
相-三相拓扑电路简化，如图2所示，只讨论从开关SAa换流到SAb的问题。

假
设初始状态开关SAa闭合，由Ua给负载供电，在t时刻需要将开关切换到SAb，由Ub给负载供电，理想的情况如图3a所示，在t时刻SAa的关断和SAb的导
通同时进行，但实际控制过程中，每个双向开关均包含2个可控器件，很难保证4个开关同时动作，很可能出现死区情况或重叠情况，如图3b、图3c所示。

死区
情况会导致感性负载电流瞬时断路(违背原则2)；重叠情况会导致输入相间瞬时短路(违背原则1)。

图2 双向开关的换流
图3 换流的3种情况
为了确保矩阵变换器安全可靠地工作，避免死区情况或重叠情况的发生，双向开关的4个IGBT必须采用多步换流的方法来实现器件之间的安全切换，从而避免出现过电压或过电流尖峰的现象。

根据换流步数不同，可分为四步换流、二步换流、三步换流、变步长换流等。

根据换流步骤所依据的信息不同，分为基于输出电流方向和基于输入电压方向检测两类[6]。

2 四步换流
1989年Burany N提出了矩阵变换器的四步换流策略，通过检测输出负载电流方向或输入端电压相对大小，有效地避免了换流过程中的短路、断路故障。

2.1 基于负载电流方向检测的四步换流
这种方式目前使用较为广泛,为了便于分析,将图2中的双向开关细分，SAa1,SAb2分别表示输入相Ua和输入相Ub的正向开关，SAa2,SAb1分别表示输入相Ua和输入相Ub的反向开关，如图4所示。

图4 连接至同一相输出的2个双向开关
该文规定负载电流方向为IO，IO=1表示电流方向由电源端向负载端，IO=0表示电流方向由负载端流向电源端。

设初始状态时Io=1，负载端电流由Ua提供，初始状态双向开关SAa1和SAa2导通，SAb1和SAb2断开，如图5a所示。

第1步：在t0时刻关断负向开关SAa1，保证Ua和Ub之间不会形成短路回路，此时正向开关SAa2仍然承载负载电流；
第2步：在t1时刻开通正向开关SAb2，此时若Ub>Ua，负载电流自然换流至SAb2；若Ua>Ub，则在第3步完成换流动作；
第3步：在t2时刻关断正向开关SAa2；
第4步：在t3时刻开通反向开关SAb1，此时SAb1，SAb2全部开通，换流结束。

同理，当输出端负载电流IO=0时的换流过程如图5b所示。

这种换流方式有一半情况换流时刻发生在第2步，另一半情况换流时刻发生在第3步[6]，因此这种换流策略也称为“四步半自然换流”。

图5 基于电流方向检测的四步换流策略
2.2 基于输入电压方向检测的四步换流
与电流型四步换流策略对应，2004年日本H.ohguchi等人基于检测输入端电压
的大小，提出了电压型四步换流策略[7]。

依旧以从A相的双向开关SAa1和
SAa2换流到SAb1和SAb2为例，如图6所示。

图6 基于输入电压方向检测的四步换流
若换流时Ua>Ub，换流步骤如图6a所示。

第1步：在t0时刻将正向开关SAb2导通，由于不能确定电流方向，此时不能关断SAa1或SAa2。

由于Ua>Ub，不会引起电源电压短路，负载电流还是由Ua
提供，没有换向；
第2步：在t1时刻关断正向开关SAa2，由于SAa1和SAb2均已导通，该动作
不会使感性负载断路，此时若负载电流为正向IO=1(从电源流向负载)，换流完成，负载电流交换到SAb2上，若电流为负方向IO=0，则换流在第3步完成；
第3步：在t2时刻导通反向开关SAb1；
第4步：在t3时刻关断反向开关SAa1，此时SAb1，SAb2全部开通，完成换流。

同理，Ua<Ub时的换流步骤如图6b所示。

3 两种四步换流存在的问题
这两种换流策略理论上对偶，同时都存在电流过零点或电压过零点检测的问题。

对于电流型四步换流策略，需要精确检测输出电流方向，但是在电流值较小时电流
方向很难判断，可能会造成短路、断路现象。

而基于输入电压方向检测的四步换流同样存在2个输入相电压相等时刻大小比较
不易判断的换流问题。

4 虚拟不可控整流矩阵变换器调制策略下的电压法四步换流
与传统矩阵变换器的空间矢量调制算法[1]不同，文献[8]提出了“虚拟不可控整流”调制策略，将矩阵变换器等效为“虚拟整流”部分和“虚拟逆变”部分，从9组
双向开关中选择出6组双向开关，在任意时刻始终选择输入线电压最大的组合，
如图7、图8和表1所示，将每一扇区(如扇区1)所取的最大输入线电压(如Uab)
等效为“虚拟逆变器”的直流电压。

此时等效逆变器中只有6组双向开关
SAa,SAb,SAc,SBa,SBb,SBc参与动作，其余3组双向开关SCa,SCb,SCc不参与动作，处于关断状态。

图7 三相输入电压扇区划分
图8 扇区1时等效的6开关逆变器
可以看出，在任一扇区工作中的矩阵变换器总是取到了输入电压线电压最大的两相，即便是在扇区切换的位置(图7中虚线所在位置)，输入相电压的大小判断也是显而易见的，从而在理论上规避了前面提到的基于输入电压方向检测四步换流的电压比较不易判断的问题，而使用这种调制策略的矩阵变换器在调制效果上等同传统空间矢量调制策略矩阵变换器[8]。

表1 输入电压工作在不同扇区时等效逆变器的开关组合扇区123456输入电压UabUacUbcUbaUcaUcbg1SAaSAaSBaSBaSCaSCag2SBcSCcSCcSAcSAcSBcg
3SAbSAbSBbSBbSCbSCbg4SBaSCaSCaSAaSAaSBag5SAcSAcSBcSBcSCcSCc
g6SBbSCbSCbSAbSAbSBb
该文提出矩阵变换器本身采用虚拟不可控整流调制策略，并结合基于输入电压方向检测的四步换流来解决换流问题。

5 关于四步换流时间的改进
这两种换流过程中每步之间都有一定的时间间隔ΔT(例如取ΔT=2 μs)，从而保证
了每一步准确地进行，避免了重叠或死区的现象。

但是在矩阵变换器的每个PWM 切换周期都要大于3×ΔT(6 μs)，如果这个时间太长将会影响调制策略的准确性，
使输入、输出波形发生畸变，所以合理地安排换流时间也是影响输出波形质量的因素之一[6]。

图9 改进的基于输入电压检测的四步换流
IGBT在相同电压等级条件下，开通时间要快于关断时间[1]，因此，该文将固定换流时间ΔT改变为变化的换流时间，如图9所示，由于IGBT开通时间较快，且第
1步不发生任何实质性的换流，因此ΔT1取0.4 μs；为了充分保证第2步和第3
步之间的换流，ΔT2取2.2 μs；为了保证第3步的充分导通，ΔT3取1.4 μs，这
样总的换流时间为ΔT1+ΔT2+ΔT3=4 μs，比起传统的四步换流减少了2 μs。

6 实验验证
系统的硬件平台负载为5.5 kW，输出额定电流为10 A，输出额定电压为210 V，系统由主电路开关矩阵、输入滤波器、钳位电路、输入相电压比较电路、输出相电流、驱动与保护电路、控制电路组成，负载为电阻负载，输出频率为200 Hz。

选用英飞凌SG230N60HZ型高频单管IGBT作为开关器件，EXB841为驱动，电压传感器采用霍尔传感器VSM025A。

由实验波形可以看出，使用改进型四步换流的输出负载电压达到了预期要求，验证了调制策略的可行性。

图10 输出A相和B相负载相电压(f0=200 Hz)
7 结论
该文在虚拟不可控矩阵变换器调制策略基础上，采用输入电压大小检测的四步换流，既降低了硬件成本，又通过减少换流时间，改善了矩阵变换器输出波形质量。

参考文献：
【相关文献】
[1] 孙凯,周大宁,梅杨.矩阵式变换器技术及其应用[M].北京:机械工业出版社,2007.
[2] 卢娟.电压源型矩阵变换器的研究及其在统一潮流控制器中的应用[D].长沙:湖南大学,2004.
[3] 郭前岗.矩阵变换器及其电机驱动控制系统关键技术研究[D].西安:西北工业大学,2006.
[4] 曾雨竹.对矩阵变换器若干问题的研究[D].杭州:浙江大学,2007.
[5] 佘宏武.矩阵变换器的研究[D].四川:西南交通大学,2007.
[6] 孙冰冰.矩阵变换器中双向IGBT模块的四步换流物流过程研究[M].长沙:湖南大学,2014.
[7] 张文胜,张军,苏冠敏.矩阵变换器的电压型换流策略研究[J].船电技术,2010(09)：26-30.
[8] 黄澔.虚拟不可控整流矩阵变换器研究[D].西安:西安理工大学,2010.。