矩陣式變換器雙向開關(guān)四步換流技術(shù)研究
摘要:對矩陣式變換器(MC)中雙向開關(guān)的安全換流課題進行了研究。分析了各種換流方案,進而提出采用可編程邏輯元件(GAL)的四步換流方案,仿真和實驗的結(jié)果證實了這種換流方案的可行性與可靠性。
關(guān)鍵詞:矩陣式變換器;雙向開關(guān);可編程邏輯器件;四步換流
0 引言
1979年,意大利學者M.Venturini第一次提出了矩陣式變換器存在理論及控制策略。與傳統(tǒng)的交—交變頻器及交—直—交變頻器相比,矩陣式變頻器具有明顯的優(yōu)點:高功率因數(shù)、低諧波污染、可四象限運行、無中間儲能環(huán)節(jié)、體積小且效率高。隨著交流變頻調(diào)速技術(shù)成為當代電氣傳動中實現(xiàn)自動化和節(jié)能的主要技術(shù)手段,矩陣式變換器(MC)的研究已成為電力電子技術(shù)研究的熱點之一。
1 矩陣式變換器及雙向開關(guān)
圖1是矩陣式變換器的原理性結(jié)構(gòu),它可用一個虛擬的整流器和虛擬的逆變器構(gòu)成。采用這樣的結(jié)構(gòu)可以充分利用交—直—交變換器中成熟的PWM技術(shù)。
圖1 矩陣式變換器的原理性結(jié)構(gòu)圖
三相矩陣式變換器采用9個雙向開關(guān)組成3×3的矩陣式結(jié)構(gòu),因而三相輸入中的任意一相可與三相輸出的任意一線相連,采用一定的開關(guān)控制策略可使輸出線間平均輸出電壓為所需頻率下的正弦調(diào)制電壓,同時可使輸入電流正弦并與輸入電壓同相。調(diào)制過程中,組成雙向開關(guān)的單向器件間的換流是矩陣式變換器實現(xiàn)中的關(guān)鍵。
目前常用的IGBT組合雙向開關(guān)主要有3種形式,即由單個IGBT和二極管組合成的橋式雙向開關(guān),共發(fā)射極反向串聯(lián)IGBT組合的雙向開關(guān)和共集電極反向串聯(lián)IGBT組合的雙向開關(guān),如圖2所示。
(a)橋式組合雙向開關(guān)結(jié)構(gòu)
(b)共發(fā)射極反向串聯(lián)IGBT
(c)共集電極反向串聯(lián)IGBT
圖2 雙向開關(guān)構(gòu)成方案
橋式組合雙向開關(guān)任意時刻都有三個器件參與導通,導通壓降較大,損耗較高。共發(fā)射極和共集電極反向串聯(lián)IGBT組合雙向開關(guān)使用兩個IGBT,利用器件內(nèi)部的續(xù)流二極管以阻擋反向電壓,結(jié)構(gòu)緊湊,方便簡單,開關(guān)損耗也較低,故獲得了廣泛的應(yīng)用。
2 三種換流方案的比較
2.1 死區(qū)換流方案
安排死區(qū)以避免換流時刻輸入線間短路,缺點是在有緩沖電路和電感性負載時開關(guān)為硬開關(guān)運行方式,緩沖能量被釋放時會伴隨能量損耗。
2.2 重疊換流方案
重疊換流是以輸入線間短暫的短路過程來實現(xiàn)電流的切換,缺點是限流電感體積大、成本高,同時又有可能引入新的過電壓。
2.3 四步換流方案
為保證MC的輸入電流和輸出電壓都是正弦波,對9組雙向開關(guān)都實行PWM控制,各開關(guān)須按一定規(guī)律進行切換。為了保證安全切換,同一相輸出的任意兩組開關(guān)不能同時導通,否則將造成輸入兩相短路;三相開關(guān)也不能同時斷開,即在兩組開關(guān)切換期間不能插入死區(qū),否則就造成感性負載開路而感應(yīng)高電壓。這樣,既不能兩組開關(guān)交疊導通,又不允許有切換死區(qū),必須有嚴格的邏輯控制才行,四步換流方案能很好地滿足這個要求。
3 四步換流過程
圖3是接到同一相負載的兩組雙向開關(guān)的換流示意圖。u1及u2表示兩相輸入電壓瞬時值,S1和S2表示兩組雙向開關(guān),p和n表示每組開關(guān)的正向和反向,uL和iL分別是負載上的輸出電壓和電流。
圖3 同一相負載兩組開關(guān)的換流示意圖
四步換流要實現(xiàn)對兩個雙向開關(guān)的換流控制,必須既要禁止可能使電源發(fā)生短路的開關(guān)組合,又要保證在任意時刻給負載提供至少一條流通路徑,那么,滿足這些條件的開關(guān)組合共有8組,列于表1。
表1 安全換流的開關(guān)組合方案
S1p | S1n | S2p | S2n | iL方向 | |
---|---|---|---|---|---|
1 | 1 | 1 | 0 | 0 | +- |
2 | 0 | 0 | 1 | 1 | +- |
3 | 1 | 0 | 0 | 0 | + |
4 | 0 | 1 | 0 | 0 | - |
5 | 0 | 0 | 1 | 0 | + |
6 | 0 | 0 | 0 | 1 | - |
7 | 1 | 0 | 1 | 0 | + |
8 | 0 | 1 | 0 | 1 | - |
表1中的第一種開關(guān)狀態(tài)直接切換到第二種開關(guān)是不行的,這樣會造成電源斷路。但當iL>0時,由狀態(tài)1經(jīng)過狀態(tài)3、7、5,再切換到狀態(tài)2則是可行的。同理,iL<0時,由狀態(tài)4、8、6也可實現(xiàn)狀態(tài)1到2的切換。圖4繪出了這兩種四步換流次序。 [!--empirenews.page--]
(a) iL>0 (b) iL<0
圖4 安全的四步換流次序圖
4 四步換流的死區(qū)補償
采用滯環(huán)比較器和過零比較器得到電流方向,并預(yù)測電流是否在死區(qū)時間內(nèi)可能過零,如果不會,則第一步可以在DSP發(fā)出PWM信號之前完成,如圖5所示,則四步換流的死區(qū)共為td=tc1+tc2+tc3,死區(qū)補償后的死區(qū)時間共為td=tc2+tc3。
圖5 死區(qū)補償后的四步換流
5 GAL的四步換流方案
GAL22V10是Lattice公司生產(chǎn)的復(fù)雜可編程邏輯器件,其引腳間最大的傳輸時間為4ns,相應(yīng)的計數(shù)器頻率可達250MHz,具有電可擦除的CMOS結(jié)構(gòu)和浮動門技術(shù),可100次重復(fù)擦寫,數(shù)據(jù)儲存可達20年之久。
圖6所示為矩陣式變換器的某一輸出相的三個雙向開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。1表示為開關(guān)導通,0表示開關(guān)關(guān)斷,前兩位、中間兩位和后兩位分別表示與三個輸入相連的雙向開關(guān)。圖中,橢圓形框表示穩(wěn)態(tài),矩形框表示暫態(tài)??梢姡_實現(xiàn)四步換流需要知道當前狀態(tài)、下一時刻狀態(tài)、負載電流方向及定時器換流時間,判斷得出正確的換流信號和順序并輸出到每個IGBT器件的柵極,完成換流所需的時序邏輯。
圖6 矩陣式變換器的某一輸出相的開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖
6 實驗仿真
圖7是實驗中一對雙向開關(guān)換流過程的實際波形,圖8是實驗中兩相正向開關(guān)換流過程的實際波形,可見通過DSP已成功地實現(xiàn)了開關(guān)之間的安全換流。通過仿真軟件Matlab/Simulink也可以對矩陣式變換器(MC)雙向開關(guān)的四步換流過程進行驗證,采用理想開關(guān)對矩陣式變換器一相電路換流過程進行仿真,其輸出電壓仿真波形如圖9所示。
圖7 一對雙向開關(guān)換流過程實驗波形 [!--empirenews.page--]
圖8 兩相正向開關(guān)換流過程的實驗波形
圖9 輸出電壓仿真波形
實驗中采用IGBT以集電極反串聯(lián)組合構(gòu)成雙向開關(guān),圖10是輸出線電壓實驗波形。
x:t/10.0ms/格 y:v/200V/格
圖10 輸出線電壓實驗波形
觀察IGBT器件上集、射極間電壓波形,可見四步換流可以將器件換流時產(chǎn)生的電壓過沖限制在合理選定的電壓耐量范圍內(nèi),確保器件安全工作。
7 結(jié)語
本文針對GAL控制的矩陣式變換器(MC)雙向開關(guān)四步換流方案進行,然后以DSP為核心構(gòu)成了矩陣式變換器的硬件系統(tǒng),設(shè)計了控制系統(tǒng)軟件,完成了異步電機拖動實驗。實驗結(jié)果驗證了該方案的有效性。