矩阵变换器安全换流策略综述

矩阵变换器安全换流策略综述

矩阵变换器四步换流辅助谐振换流两步换流一步换流

1引言

矩阵变换器是一种具有优良的输入输出特性的交交直接变换性能优越。它能提供正弦的输出电压，并从电网中吸收正弦的输入电流、输出频率不受输入频率的影响；具有四象限运行能力、动态响应快、功率密度大等优点。近年来，由于其简单的拓扑结构及其优良特性，而成为变换器研究的热点之一。目前对矩阵式变换器的研究重点之一在于双向开关的安全换流问题。矩阵变换器的换流是指将某一相负载电流由一个输入相切换到另一个输入相。因为开关器件的通断都是需要时间的，为了避免换流时电源短路和（感性）负载开路而对电源和矩阵变换器的安全造成的威胁，因此需要采用一个能够使开关安全切换的换流策略。本文综述了多种形式的换流策略。

2换流技术简述

附图所示为双向可控开关器件的常见构造形式[3]，其中附图（a）所示为最早出现的开关形式，由于通态功耗较大已经逐渐被淘汰了，仅在谐振型矩阵变换器中还有应用；附图(b)、(c)所示是最常用的两种由传统的单向可控开关和快恢复二极管构成的双向开关；附图（d）所示为采用非穿通型可控器件构成的双向开关形式，由于单向通流的开关器件可以承受反向电压，因此省略了二极管；目前正逐渐得以使用。附图（e）所示是近年来出现的多电平矩阵变换器采用的双向开关；该结构形式拓宽了双向可控开关的设计理念，但也使变换器换流过程的复杂程度大大增加；当前业界普遍使用的双向可控开关形式还是如附图(b)、(c)、(d)所示的三种形式，已有的各种换流策略都是针对这三种开关形式设计的，本文对各种换流策略进行了综述。

附图常见双向开关形式

2基本换流策略

（l)死区换流

死区换流，即插入死区延时法。它要求输入侧开关触发之前，输出侧开关关断。这种方法控制简单，但不能工作在电流连续的情况下，且开关损耗大。又由于死区期间电源能量得不到利用，使得电压利用率降低，另外缓冲网络比较复杂，故此法很少使用。

（2）交叠换流

交叠换流要求出侧开关关断之前，输入侧开关触发。这种方法必然带来输入相间瞬时短路，需要额外的输入电感限流。由于电感体积大，价格昂贵，此方法也很少使用。

3辅助谐振换流

（1）台湾学者潘晴财教授提出的基于电流滞环调制的谐振式软开关换流策略[3]，仅限于电流滞环调制的矩阵变换器。

（2）Ching-Tai Pan提出一种低损耗的双向可控开关，能够实现开关的零电流开通，零电压关断，可以达到接近于零损耗的换流。可以采用滞环电流PWM调制方法，无需附加缓冲电路。但是当负载电流大、开关关断速度快、电感量较大以及二极管快速性不够时，电感将产生瞬时高压降，危害开关的安全，此时应采用适当的钳位电路。

（3）Cho，Jung G.与Steffen Bemet提出了辅助谐振换流方案。利用杂散电感作为换流电感，输出电容作为换流电容。在辅助谐振下，主开关之间只有容性换流，通过增加换流电容可以做到关断瞬间零电压，实现零电压切换。辅助开关只有感性换流，通过增加换流电感可以做到零电流开通，实现零电流切换。

优点：这种换流策略能够安全、高效地高频切换，改善系统动态性能和频谱特性，简化保护逻辑和缓冲电路。

缺点：功率开关与谐振电感会流过较大的电流，而且需要谐振网络和辅助开关，零电压、零电流的检测非常困难，谐振回路容易受到元件时漂的影响，整机成本增加。

该方案也有一定的代表意义，但由于控制策略复杂，比较依赖系统设计的可靠性，目前仍处于研究阶段。随着电子开关器件技术和工艺制造技术的进一步发展，该策略有可能获得较好的应用。Steffen Bernet又提出一种基于辅助谐振换流的矩阵式整流器，可以用于工业直流传动。

4四步换流策略

4.1 半自然四步换流策略

矩阵变换器双向可控开关的四步换流方案[3][4]，由于四步换流过程中有半数可控开关的切换过程属于自然换流，又称为半自然四步换流策略。

1989年，N.Burany和Venturini在A lesina工作的后期提出利用反向并联的可控功率开关器件实现矩阵变换器的双向可控开关，并给出了基于变换器负载电流方向的双向可控开关半自然四步换流策略，Venturini还提出了半自然四步电压换流策略。初步解决了矩阵变换器双向可控开关的实现和安全换流问题，其思想和方法沿用至今。但对于其产业应用，四步换流策略仍存在以下问题：

（1）四步换流策略[10]的开关序列不仅取决于输出电流的方向，也由输入电压决定。该换向可靠性依赖于准确的判断两个输入电压的差异和输出电流方向。当输出电流或两个输入三相电压差异非常小时，整流可能失败。

（2）换流时间会造成输入和输出波形畸变。且换流时间越长输出波形质量越差。

目前为止也出现了很多提高换流可靠性，改善波形质量的优化方法。比如改变四步换流时间。在四步电流换流策略和电压换流策略基础上综合判断变换器输入侧线电压极性和输出侧相电流方向，以便将变换器电流实际换流点确定在换流过程的第三步。由于该策略是电压型四步换流和电流型四步换流两种独立四步换流策略的综合，因此使用时需要确定横向电压换流支路和纵向电流换流支路的优先权。

德国卡尔斯鲁厄大学的J.Mahlein等则提出采用高速数字逻辑器件对换流策略进行全数字化实现的方案[5]，并综合变换器输入侧电压极性和输出电流方向获得了完整的双向开关半自然四步换流策略，该策略不仅压缩了模拟测量电路规模，而且可将变换器开关实际换流时刻固定在第三步换流过程，对通过提高调制精确度来改善变换器调制效果具有重要意义。

4.2 半软化四步换流策略

半软化四步换流策略[6][8]是目前普遍采用的，是一种基于负载电流方向的矩阵式变换器的换流策略,由N.Burany首先提出，换流需要输出电流过零点信息，每个输出电流周期中每相输出电流按过零点划分为2个扇区:正极性与负极性。因为产生一相输出电压需要相关的三只双向可控开关，且分别连接到三个输入相，所以在每个三相一单相矩阵变换器中解决安全换流问题即可。根据输入电压的相对幅值便可确定换流规则，目前这种换流技术已经出现了两种方案，其换流原理有相似之处。其中一种为半自然两步换流策略。

半软化四步换流，它的优越性在于不需要检测电源电压状态，是一种比较安全的换流方式。但是也存在如下不足之处：

（1）换流过程需要经历四步,而且电流方向的检测不可能精确,在电流过零处可能会引起换流失败。

（2）每次换流依赖于负载电流的方向。换流过程中不能改变有负载电流的方向，否则可能导致负载电流断续或电源相间短路。

（3）负载电流过零时换流，此时负载电流的阈值大小以及死区长度又对输出电流波形产生影响。