一種新型矩陣式高頻鏈逆變器控制方法

摘要：基于拓?fù)浣怦钏枷胩岢隽艘环N針對(duì)矩陣式高頻鏈逆變器的新型控制策略。根據(jù)高頻逆變橋生成的高頻環(huán)的極性，將矩陣變換器的拓?fù)浣怦畛蓛蓚€(gè)常規(guī)的三相電壓源型逆變器，從而就可將常規(guī)電壓源逆變器的控制方法引入到對(duì)矩陣變換器控制當(dāng)中，簡(jiǎn)化了對(duì)矩陣變換器的分析。進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明該控制方法具有較好的控制效果。
關(guān)鍵詞：高頻鏈；矩陣變換器；雙向橋臂；解結(jié)耦；準(zhǔn)載頻

0 引言
    DC／AC逆變技術(shù)在新能源開發(fā)、交流電機(jī)的傳動(dòng)、不間斷電源(UPS)、有源濾波器等許多場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的逆變器雖然技術(shù)成熟可靠，但存在體積大、笨重、音頻噪音大、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能差等缺點(diǎn)。變壓器作為逆變器中的核心元件，在實(shí)現(xiàn)電源側(cè)和負(fù)載側(cè)電氣隔離的同時(shí)，也起到傳輸功率的作用。然而由于傳輸功率的是基波，使得逆變器中采用的傳統(tǒng)工頻變壓器體積、重量在裝置所占分量較大，成為提高裝置功率密度的主要障礙。高頻鏈逆變技術(shù)利用高頻變壓器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的工頻變壓器，克服了以上缺點(diǎn)，減小了變壓器的體積和重量。
    本文將矩陣變換器中的直流變換到三相交流的拓?fù)浜透哳l鏈技術(shù)相結(jié)合，提出了一種新型控制策略。該控制策略利用工作于PWM調(diào)制模式的高頻逆變橋生成的高頻環(huán)電壓方波經(jīng)高頻變壓器升壓后作為后級(jí)矩陣變換器的輸入。對(duì)于后級(jí)矩陣變換器，利用“拓?fù)浣怦?rdquo;思想將其解耦成兩個(gè)常規(guī)的電壓源逆變器，從而可將常規(guī)電壓源逆變器的控制方法引入其中，分別對(duì)單個(gè)電壓源逆變器進(jìn)行控制，最后通過后級(jí)矩陣變換器功率器件適當(dāng)?shù)拈_關(guān)組合，將高頻環(huán)方波整形成單極性的高頻脈沖，經(jīng)過濾波器后輸出與調(diào)制波同頻率的低頻正弦波。將PWM控制策略和高頻變壓器構(gòu)成高頻鏈并與矩陣變換器拓?fù)湎嘟Y(jié)合也是本文的創(chuàng)新點(diǎn)所在。對(duì)所提控制策略進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該控制策略的可行性。

1 電路拓?fù)浼翱刂撇呗?br />     直流變換到三相交流矩陣式高頻鏈逆變器的主電路拓?fù)淙鐖D1所示。主電路的前級(jí)由單相全橋電路和高頻變壓器組成高頻逆變橋，后級(jí)由矩陣變換器和輸出濾波電路組成。高頻逆變橋生成的高頻環(huán)方波由矩陣變換器對(duì)其進(jìn)行解調(diào)，由濾波電路濾除高次諧波，從而在輸出濾波電路兩端解調(diào)到與調(diào)制波同頻的交流脈沖電壓，控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

    對(duì)于主電路后級(jí)，屬于單相交流(輸入信號(hào)是高頻交流環(huán)方波)到三相交流的矩陣變換器結(jié)構(gòu)，仔細(xì)研究發(fā)現(xiàn)，通過將后級(jí)矩陣變換器進(jìn)行解耦，即將其分解成兩個(gè)常規(guī)三相電壓源逆變器，從而就可以將常規(guī)電壓源逆變器的控制方法引入其中，大大簡(jiǎn)化了對(duì)后級(jí)矩陣變換器的分析。由于前級(jí)高頻逆變橋輸出的是高頻交流環(huán)方波列，利用解耦控制思想，當(dāng)高頻逆變橋輸出正極性脈沖時(shí)，讓三個(gè)雙向橋臂上的正極性開關(guān)管導(dǎo)通，當(dāng)輸出為負(fù)極性脈沖時(shí)(所謂“正、負(fù)極性”是根據(jù)保證橋臂上二極管能導(dǎo)通的方向來確定)，讓雙向橋臂上的負(fù)極性開關(guān)管導(dǎo)通，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)后級(jí)矩陣變換器的解耦控制，如圖3所示，只不過此時(shí)對(duì)于兩個(gè)電壓源逆變器的輸入信號(hào)不再是恒定的直流電壓源，而是周期性離散的電壓脈沖列。以A相為例，矩陣變換器雙向橋臂上四路開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的實(shí)現(xiàn)過程如下：利用正弦調(diào)制波和三角載波進(jìn)行比較后獲得兩路互補(bǔ)的SPWM信號(hào)，然后再將此兩路信號(hào)與相位互差180°、占空比為0．5的方波V2、V1進(jìn)行邏輯組合，方波V3、V4與前級(jí)高頻逆變橋開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖同步。

    這樣就可以得到A相雙向橋臂上四路開關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，波形示意如圖4所示。由以上分析知，矩陣變換器A相雙向橋臂四路開關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的邏輯關(guān)系為：
   
    以上利用V3，V4與SPWM1，SPWM2波形進(jìn)行信號(hào)邏輯處理的過程，體現(xiàn)了對(duì)SPWM信號(hào)的分解和矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分離，即體現(xiàn)了解耦的控制思想。圖4中給出了A相雙向橋臂上四個(gè)開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的實(shí)現(xiàn)方法，同理可得出B、C相開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在分析后級(jí)拓?fù)涞臅r(shí)候，利用解耦思想實(shí)現(xiàn)了后級(jí)拓?fù)涞姆纸猓娐返墓ぷ鬟^程是在同一個(gè)拓?fù)渖蠈?shí)現(xiàn)的，并且兩個(gè)過程是同步進(jìn)行的，因此，將解耦后的控制信號(hào)經(jīng)過邏輯組合后又應(yīng)用于后級(jí)同一拓?fù)渖?，?shí)現(xiàn)了對(duì)矩陣變換器的控制。

2 實(shí)驗(yàn)
    對(duì)所提的控制方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1。

    圖5(a)是高頻逆變橋MOS管柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)ugs和漏源電壓uds波形。圖5(b)是由DSP產(chǎn)生的載波頻率為10 kHz、調(diào)制比為0．8的三相SPWM1、SPWM3和SPWM5信號(hào)及對(duì)SPWM5二分頻后的信號(hào)。圖5(c)是解耦環(huán)節(jié)邏輯信號(hào)經(jīng)功率型光耦TLP250芯片驅(qū)動(dòng)后的開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)，依次是Guhh，Guhl，Gull和Gulh，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和圖4中的開關(guān)時(shí)序信號(hào)相同。圖5(d)是逆變器輸出的頻率是50 Hz的相電壓波形。

3 結(jié)論
    本文基于拓?fù)浣怦钏枷?，將單相到三相的矩陣變換器解耦成兩個(gè)常規(guī)的電壓源型逆變器，高頻逆變橋采用PWM調(diào)制，矩陣變換器采用SPWM調(diào)制實(shí)現(xiàn)了對(duì)矩陣式高頻鏈逆變器的控制，大大簡(jiǎn)化了矩陣變換器的控制過程。搭建了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提控制思想的正確性，為進(jìn)一步研究矩陣變換器的控制策略具有一定的借鑒意義。