一种基于矩阵变换器的充电机的研究
2008-07-29
作者：刘正耀，郭慧萍
摘 要：提出了一种基于矩阵变换器" title="矩阵变换器">矩阵变换器结构的充电机拓扑电路，并对其调制策略" title="调制策略">调制策略和换流策略" title="换流策略">换流策略进行了研究，然后用Matlab/Simulink和M函数进行了仿真。最后研制了一个1kW的样机，并给出了试验波形，证明了方案的可行性。
关键词：充电机；矩阵变换器；调制策略；换流策略
传统的电池充电方法大多采用不控整流加DC/DC变换的方式，这种方法具有技术成熟，控制方案简单等优点，但其中间的直流环节需要大容量的储能元件，因而对实现装置的小型化不利。本文提出了一种基于矩阵变换器结构的充电机拓扑电路，其主电路结构如图1所示。由图可见，由于该电路中高频变压器的原边侧不存在直流环节，因而无需大容量的储能元件，当功率等级增加时，有利于减小装置的体积，而且还具有功率因数高的优点。
1 换流策略
由于不存在自然的电流续流通路，而且通常矩阵变换器的输入侧都呈容性，输出侧都呈感性，因而在换流时其输入侧一定不能短路，输出侧一定不能开路，因此死区换向和重叠换向都不适用于矩阵变换器，这就使得矩阵变换器中双向开关的可靠电流换向变得复杂而困难。双向开关的换向不可能在一步内完成，目前普遍采用的是多步换流策略。本文采用的是四步换流策略。下面以图2所示的单相斩波器为例来加以说明。
假定某一时刻电源电压上正下负，开关管S1f和S1r开通，电路处于向负载供电的状态， 下一时刻，若想将S1f和S1r关断" title="关断">关断，S2f和S2r开通，则可以按照下面的顺序进行开关的换向。
(1)开通S2f，此时，由于电源电压上正下负， 因而不会出现短路的情况。
(2)断开S1f，此时，无论电流的方向如何，都不会引起短路或开路的情况。
(3)开通S2r，由于S1f已经关断，所以不会形成短路。
(4)断开S1r，此时S2r已经开通，可以导通反向电流，所以S1r可以安全断开。
其余情况可以类似分析得到。
2 调制策略
电压调制的目的是将输入侧的三相交流电压调制成正负对称的高频脉冲电压，具体执行的原理为：采样两相电压信号，进行A/D转换，利用U1+U2+U3=0计算出第三相电压的大小，然后根据各电压的正负情况确定采样时刻电压所处的扇区，这里，将图3中阴影所示的部分确定为第一扇区。通过对图中阴影部分以及其他扇区的观察，可以得出：在任意一个扇区内，总有两相电压符号与第三相电压的符号相反，并且第三相电压在该扇区内达到最大值。下面，以图3中阴影部分的扇区为例介绍本文中所采用的调制策略。
由于开关频率远远大于线电压的频率，线电压V12和V13可以被看作是缓慢变化的直流电压。因此，在任意60°扇区内，该变换器可被分析成两个交替运行的全桥变换器子拓扑。该扇区的两个子拓扑如图4所示。
图5给出了该60°间隔内的理论波形，并显著增加了开关周期Tc的时间长度以便能够观察到PWM的细节。图中的不同部分根据产生波形的不同子拓扑而涂上了不同的阴影。每个开关周期开始时首先使用子拓扑y。开关q11和q23开通，在A和B两点产生一个正的电压脉冲，同时一个电流脉冲" title="电流脉冲">电流脉冲从相1流入相3。为了维持高频变压器的磁通平衡，接下来通过开通开关q13和q21在A和B两点产生一个负的电压脉冲。这两个电压脉冲被一个零电压间隔分隔开，并且在整个开关周期内零电压间隔的时间长度应相等。在剩余的开关周期内，利用子拓扑x在A和B两点产生另外两个电压脉冲，同时也产生两个从相1流入相2的电流脉冲。假定变换器的输出电流恒定，相电流由恒幅的电流脉冲合成，如果平均相电流(i1，i2，i3)为正弦，并且与相电压同相，子拓扑x产生的电流脉冲的时间长度就要与相电压v2成比例，同样，子拓扑y产生的电流脉冲的时间长度就要与相电压v3成比例。如果这些条件都满足了，电流i1也是正弦的，并且与v1同相，因为三相系统是对称的，所以有i1=-i2-i3。
以上调制策略可以总结如下。如果给定输入相电压为：
设子拓扑x和y产生的电流脉冲的占空比分别为dx和dy，在图5中阴影部分的时间间隔内分别为：
式中，0≤Dm<1为调制指数。由以上可以得到输出电压的表达式为：
式中，n为变压器的匝比，n=Nsec/Nprim。将(1)式和(2)式代入(3)式，经过基本的三角变换可以得到输出电压的表达式如下：
3 仿真
为验证本文所采用的换流策略和调制策略的正确性，特利用Matlab/Simulink对单相交流斩波器进行仿真，仿真波形如图6和图7所示。另外，还利用Matlab的M函数对矩阵变换器的调制策略进行仿真，仿真波形如图8所示。图9是三相输入电压与输出电压的展开波形。
由图可见，开关管没有出现大的电流尖峰或电压尖峰。除了由于IGBT自身寄生电感（仿真时设置为1μH）的原因，在IGBT关断时出现较小的电压尖峰外，并没有出现大的电压尖峰，因而换流是安全可行的。
4 试验结果
在验证了本文采用的换流策略和调制策略的可行性之后，研制了一个1kW的样机，图10～图12是试验过程中采集到的波形。
矩阵变换器的提出至今已有三十多年的历史，尽管在其提出的早期由于受微处理器水平和制造工艺等的限制影响了它的实用化步伐，但其众多的优点还是吸引了无数的专家和学者对其进行了孜孜不倦的长期研究。本文对矩阵变换器的换流策略和调制策略进行了研究，并利用一个三相到单相的矩阵变换器制作了一台1kW的充电机，取得了较好的试验波形，证明了该方案的可行性。
参考文献
[1] WHEELER P W，RODRIGUEZ J，CLARE J C，et al.Matrix converters：A Technology Review.IEEE，APRIL 2002.
[2] VLATKOVIC V，BOROJEVIC D，LEE F C.A Zerovoltage switched，three-phase isolated PWM buck rectifier.IEEE
Transactions，1995，10(2).