矩阵式变换技术.doc

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1、矩阵式变换技术1、引言       随着电力电子技术的发展，电力电子器件从20世纪60年代的SCR（晶闸管）发展到HVIGBT（耐高压绝缘栅双极型晶体管）。继VVVF变频之后出现了矢量控制变频、直接转矩控制变频，其共同缺点是输入功率因数低，直流回路需要耐高压大容量的储能电容，再生能量不能回馈电网。矩阵式交—交变频能克服以上不足，近年来越来越受到人们的广泛关注。   与传统的交—直—交变频器和交—交变频器相比，矩阵式变频器有如下几方面的显著特点：     （1）输出电压幅值和频率可独立控制，输出频率可以高于、低于输入频率，理论上可以达到任意值；     （2）在某些控制规

2、律下，输入功率因数角能够灵活调节达到0.99以上，并可自由调节，可超前、滞后或调至接近于单位功率因数角；     （3）采用四象限开关，可以实现能量双向流动；     （4）没有中间储能环节，结构紧凑，效率高；     （5）输入电流波形好，无低次谐波；     （6）具有较强的可控性。     矩阵变换器的控制策略包括开关函数S的确定、实现和安全换流，开关函数的确定方法有直接变换法、空间矢量调制法[1]和滞环电流跟踪法，目前空间矢量调制法研究的比较成熟。在换流方法的研究上有四步法、三步法、两步法、软开关换流。2、拓扑结构的发展      矩阵变换器的电路拓扑形式在19

3、76年由L.Gyllglli提出。直到1979年，M.Venturini和A.Alesina[7]首先提出了由9个功率开关组成的矩阵式交—交变换器结构，并指出矩阵式变换器的输入功率因素角是可以任意调节的，但后来发现这种变换器存在固有极限，最大电压增益为0.866，并且与控制算法无关。由于矩阵式变换器的主回路采用9个双向开关，还存在着双向开关的实现与保护问题，其难点在于开关换流时，既不能有死区又不能有交叠，否则，任何一种情况都将导致开关管的损坏。为了实现安全换流，N.Burany提出了一种四步换流策略，可实现半软开关换流。   2.1拓扑结构      矩阵变换器最初提出

4、时指的是M相输入变换到N相输出的一般化结构，因此曾被称为通用变换器。根据M、N取值的不同及输入输出端电源性质的不同，人们提出了许多拓扑结构     （1）由三相交流变换到两组直流，或者一组可变换极性的直流；      （2）从三相交流变换到单相交流；      （3）从单一直流变换到三相交流，也就是通常所说的逆变器；     （4）由交流三相变换到交流三相，它的输入输出端之间采用双向开关互相连接，即9开关矩阵变换器，它是研究得最多的一种拓扑；     （5）由交流三相变换到交流三相，但输入输出端之间采用3个全控桥进行连接，称为电压源型矩阵变换器。它的结构比9开关矩阵变换

5、器复杂，但性能更优。     三相输入、三相输出的交—交矩阵变换器电路拓扑结构如图1所示。图1交—交矩阵式变换器拓扑结构   它含有9个双向开关，通过对其逻辑控制，可实现对电源电压和频率的变换，以向负载提供幅值和频率可调的电压和电流。   2.2元器件的发展历程      矩阵变换器元器件的发展充分体现了电力电子技术的进步和发展趋势。总的说来，主要经历了以下几个过程     （1）双向功率器件的研究[8]   由于矩阵变换器所要求的双向功率器件目前并不存在，于是就研究利用其他电力电子器件来合成双向开关。已知的合成方法有：在整流桥内嵌入全控开关；并联电流开关；串联电压开关

6、；共集电极反并联全控开关；共发射极反并联全控开关。     在制造矩阵变换器的双向开关常见的有共发射极结构如图2所示。图2共射极双向开关电路   （2）功率模块的研究      采取与IGBT模块类似的做法，将多个双向开关器件集成在一块硅片上，有的甚至将保护电路、触发电路也集成在一块，使得变换器的体积减小，重量下降。     （3）装置集成的研究      将功率器件或模块、驱动电路、保护电路、电源都集成在一起，形成所谓的功率电子积木（PEBBPowerElectronicsBuildingBlocks）。它使得整个变换器装置的体积进一步减少，更重要的是，它使变换器的可

7、靠性大大提高，而损耗变得很少。3、矩阵式变换器的调制策略      目前，矩阵变换器的调制策略常用开关函数矩阵来描述，开关函数的确定即矩阵式变换器调制策略主要有以下三种方法：      （1）直接变换法       是通过对输入电压的连续斩波来合成输出电压，它可分为坐标变换法、谐波注入法、双电压瞬时值控制法。这些方法虽各有一定的优点，但也存在其不足，如坐标变换法矩阵变换器的输出电压偏低；谐波注入法计算量大，开关状态复杂，对控制系统要求很高。      （2）间接变换法     此法可称为交—直—交等效变换法、空间矢量调制法。目前在矩阵式变