0 引言

    矩陣變換器是一種新型的交-交電源變換器，相較于傳統(tǒng)的電源變換器，其不需要中間直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)^[1]，能夠四象限運(yùn)行，具有可自由調(diào)節(jié)的功率因數(shù)等諸多優(yōu)點(diǎn)使其成為了當(dāng)前電力電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。但是由于矩陣變換器的電壓傳輸比最高只能達(dá)到0.866^[2]，嚴(yán)重影響了其在工程上的應(yīng)用，因此如何提高矩陣變換器的電壓傳輸比就具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，大多數(shù)的文獻(xiàn)主要集中在通過(guò)對(duì)矩陣變換器的控制策略進(jìn)行研究以達(dá)到提升電壓比的目的。如文獻(xiàn)[3]提出一種諧波注入控制策略，將適當(dāng)比例的3次諧波注入到輸出電壓中，但電壓傳輸比也只能提高到1.0左右，而且其輸出電壓中的諧波含量都會(huì)相應(yīng)增大，效果不甚理想。由此可見(jiàn)，受其現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的制約，矩陣變換器的電壓傳輸比很難有較大的提升。而文獻(xiàn)[4]提出的“泵式”矩陣變換器則改變了矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，把經(jīng)典的矩陣變換器電路與CUK斬波電路相結(jié)合，可以使電壓傳輸比達(dá)到與超過(guò)1，但是由于其波形調(diào)制和升壓過(guò)程是獨(dú)立進(jìn)行的，所以需要分為兩步來(lái)實(shí)現(xiàn)變壓變頻，電壓傳輸過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。功率開(kāi)關(guān)管在一個(gè)周期內(nèi)動(dòng)作次數(shù)也較多，存在一定的換流安全隱患。因此，本文便從改變矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，提出了一種新型的“一步式”矩陣變換器。從機(jī)理上使三相矩陣式變換器的電壓傳輸比能夠突破0.866的瓶頸，使其可以達(dá)到和超過(guò)1，實(shí)現(xiàn)了提升電壓比的目的。同時(shí)簡(jiǎn)化了電壓傳輸過(guò)程與換流步驟，解決了“泵式”矩陣變換器[4]所存在的缺陷，為工程應(yīng)用提供了可靠的理論依據(jù)。

1 “一步式”矩陣變換器的基本結(jié)構(gòu)

    一步式矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在提升電壓傳輸比的同時(shí)，還做到了電壓傳輸比調(diào)節(jié)電路和波形調(diào)制變頻電路的合二為一，從而在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了邊提高電壓邊調(diào)制波形的功能。將高頻升壓與斬波調(diào)制協(xié)調(diào)配合，真正達(dá)到了升壓與變頻的一步化。

    一步式矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其中S_jk({j=u，v，w}，{k=a，b，c})為傳統(tǒng)矩陣式變換器的9組雙向開(kāi)關(guān)，在電路中同時(shí)承擔(dān)升壓和變頻的任務(wù)。而S₂為3組雙向開(kāi)關(guān)，在電路中主要起到續(xù)流作用。S_jk與S₂均為由兩個(gè)IGBT反向串聯(lián)所構(gòu)成的雙向?qū)üβ书_(kāi)關(guān)器件^[5]。

    一步式矩陣變換器在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的工作過(guò)程可以根據(jù)Sjk的通斷狀態(tài)被劃分成兩個(gè)階段。不同的劃分只是為了能更明確地說(shuō)明其工作原理，并不表示其各部分的工作過(guò)程是相互孤立的。設(shè)一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的時(shí)間為t，S_jk相應(yīng)導(dǎo)通的時(shí)間為t₁，S_jk斷開(kāi)的時(shí)間為t₂，t=t₁+t₂。

    第一階段：在時(shí)間t₁內(nèi)，9組矩陣開(kāi)關(guān)S_jk根據(jù)控制策略相應(yīng)導(dǎo)通，3組續(xù)流開(kāi)關(guān)S₂斷開(kāi)，電源電壓經(jīng)9組矩陣開(kāi)關(guān)后改變頻率，經(jīng)過(guò)變頻后的電壓給電感L₁充電，且同時(shí)與電容C₁串聯(lián)，共同經(jīng)過(guò)電感L₂向負(fù)載提供電能。

    第二階段：在時(shí)間t₂內(nèi)，9組矩陣開(kāi)關(guān)S_jk全部斷開(kāi)，3組續(xù)流開(kāi)關(guān)S₂導(dǎo)通續(xù)流。電感L₁經(jīng)過(guò)S₂形成回路，給電容C₁充電，其儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)移至電容C₁。同時(shí)電感L₂同樣經(jīng)過(guò)S₂形成回路，釋放能量給負(fù)載提供電能。

    由此可見(jiàn)，9組矩陣開(kāi)關(guān)S_jk既起到了改變頻率的作用，又提升了電壓，所以只要選擇適當(dāng)?shù)膖₁和t₂，就可以使負(fù)載兩端電壓在一個(gè)周期內(nèi)始終高于電源電壓^[6，7]，從而達(dá)到升壓的目的。

2 “一步式”矩陣變換器的調(diào)制策略

    一步式矩陣變換器采用的調(diào)制策略實(shí)時(shí)計(jì)算占空比，控制9組矩陣開(kāi)關(guān)S_jk和續(xù)流開(kāi)關(guān)S₂。同時(shí)減少了功率開(kāi)關(guān)管在一個(gè)周期內(nèi)的動(dòng)作次數(shù)，保證變頻升壓電路中的各組雙向功率開(kāi)關(guān)在一個(gè)周期內(nèi)均只開(kāi)通關(guān)斷一次，簡(jiǎn)化了其多個(gè)雙向開(kāi)關(guān)間的頻繁換流步驟，同時(shí)結(jié)合四步換流的換流策略，增強(qiáng)了換流的可靠性，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)間的安全切換。

2.1 9組矩陣開(kāi)關(guān)Sjk的調(diào)制策略

    由之前的分析可以知道，9組矩陣開(kāi)關(guān)S_jk在t₁時(shí)間內(nèi)會(huì)按照調(diào)制策略相應(yīng)導(dǎo)通，需要注意的是，在t₁內(nèi)的任意時(shí)刻，與同一輸出相相連的三組開(kāi)關(guān)管中必須只能有一組開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，否則將造成兩輸入相間的短路^[8]。

    設(shè)三相輸入電壓為U_i，通過(guò)9組矩陣開(kāi)關(guān)S_jk后的期望三相輸出電壓為U_o：

2.2 3組續(xù)流開(kāi)關(guān)S2的調(diào)制策略

    3組續(xù)流開(kāi)關(guān)S2的控制方法相對(duì)比較簡(jiǎn)單，因?yàn)橛芍暗姆治隹芍?，它在整個(gè)電路中起到的只是維持電流延續(xù)的作用，并不需要承擔(dān)升壓或者變頻的任務(wù)，所以這三組開(kāi)關(guān)在一個(gè)周期內(nèi)任意時(shí)刻的通斷狀態(tài)都是相同的，也不需要考慮三相之間的換流問(wèn)題。在t₁時(shí)間內(nèi)，3組續(xù)流開(kāi)關(guān)S₂同時(shí)關(guān)斷，在t₂時(shí)間內(nèi)，3組續(xù)流開(kāi)關(guān)S₂同時(shí)導(dǎo)通。

2.3 簡(jiǎn)化功率開(kāi)關(guān)管的動(dòng)作次數(shù)

    通過(guò)上述的調(diào)制策略，就可以確定一步式矩陣變換器中各組開(kāi)關(guān)管在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期t內(nèi)的導(dǎo)通狀態(tài)與導(dǎo)通時(shí)間，相比于“泵式”矩陣變換器，新型“一步式”矩陣變換器的9組矩陣開(kāi)關(guān)S_jk在一個(gè)周期內(nèi)均只導(dǎo)通和關(guān)斷一次，從而簡(jiǎn)化了其多個(gè)雙向開(kāi)關(guān)間的頻繁換流步驟，增強(qiáng)了換流的可靠性，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)間的安全切換。圖2所示為“泵式”矩陣變換器同一輸出相各組開(kāi)關(guān)與S₂的控制脈沖波形圖。圖3所示為“一步式”矩陣變換器同一輸出相各組開(kāi)關(guān)與S₂的控制脈沖波形圖。一個(gè)開(kāi)關(guān)周期均為10^-4 s。

3 “一步式”矩陣變換器的總電壓傳輸比方程

    本文所設(shè)計(jì)的一步式矩陣變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)把電壓傳輸比調(diào)節(jié)電路和波形調(diào)制變頻電路合二為一，所以它的調(diào)壓步驟和變頻步驟是同步進(jìn)行的，避免了多余的開(kāi)關(guān)動(dòng)作和繁瑣的升壓過(guò)程，結(jié)構(gòu)清晰合理，根據(jù)其自身特點(diǎn)，推導(dǎo)出的總電壓傳輸比方程具體如下：

    在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期T內(nèi)S_jk的工作狀態(tài)可分為T(mén)_on和T_off兩個(gè)時(shí)間段，T_on即對(duì)應(yīng)了之前的t₁，T_off即對(duì)應(yīng)了之前的t₂。

    設(shè)S_jk的開(kāi)關(guān)占空比為ds：

    在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，對(duì)于電感L₁，在T_on時(shí)間內(nèi)，由電源電壓對(duì)其進(jìn)行充電，獲取能量。而在T_off時(shí)間內(nèi)，其向電容C₂放電，轉(zhuǎn)移能量。所以根據(jù)電磁感應(yīng)定律得到以下關(guān)系式：

    同樣在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，對(duì)于電感L₂，在T_on時(shí)間內(nèi)，由電源電壓與電容C₁共同對(duì)其進(jìn)行充電，獲取能量。同時(shí)向負(fù)載放電，轉(zhuǎn)移能量。而在T_off時(shí)間內(nèi)，其不獲取能量，只向負(fù)載放電，轉(zhuǎn)移能量。所以根據(jù)電磁感應(yīng)定律得到以下關(guān)系式：

    Q即為一步式矩陣變換器的電壓傳輸比。

4 仿真結(jié)果

    為驗(yàn)證一步式矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與調(diào)制策略的可行性，我們采用PSIM 9.0軟件作為仿真平臺(tái)，搭建了一步式矩陣變換器主回路與控制回路的仿真模型，如圖4、圖5所示。仿真模型中負(fù)載的取值為15 Ω，電感L₁為0.5 mH，電感L₂為2 mH，而兩組電容C₁、C₂的容量均為15 μF。開(kāi)關(guān)頻率設(shè)為10 kHz，仿真時(shí)長(zhǎng)為0.2 s。輸入信號(hào)為幅值100 V，頻率50 Hz的三相正弦交流電，通過(guò)改變占空比ds，開(kāi)關(guān)增益q，以及輸出電壓頻率wo這三個(gè)變量，觀察實(shí)際的電壓輸出波形。

    如圖6所示為當(dāng)輸入電壓為100 V，50 Hz，開(kāi)關(guān)增益q=0.4，占空比ds=0.79，輸出頻率為20 Hz，60 Hz，100 Hz時(shí)的輸出電壓波形，從圖中可以看出在不同頻率下，一步式矩陣變換器的電壓傳輸比均超過(guò)1。

如圖7所示為當(dāng)輸入電壓為100 V，50 Hz，開(kāi)關(guān)增益q=0.4，輸出頻率為30 Hz，占空比ds=0.75，ds=0.79，ds=0.83時(shí)的輸出電壓波形，從圖中可以看出根據(jù)ds的改變，輸出電壓會(huì)隨之變化。

    如圖8所示為當(dāng)輸入電壓為100 V，50 Hz，占空比ds=0.79，輸出頻率為40 Hz，開(kāi)關(guān)增益q=0.3，q=0.4時(shí)的輸出電壓波形，從圖中可以看出根據(jù)q的改變，輸出電壓也會(huì)隨之變化。

    根據(jù)上面的仿真模型中所得到的數(shù)據(jù)，我們繪制了各種情況下一步式矩陣變換器輸入輸出的電壓傳輸比表格，如表1所示，輸入電壓幅值均為100 V。

    由上面的仿真結(jié)果可以看出，一步式矩陣變換器既保持了傳統(tǒng)矩陣變換器變頻的特性，同時(shí)它的輸出與輸入電壓的傳輸比突破了0.866的技術(shù)瓶頸，達(dá)到和超過(guò)了1。此外，通過(guò)改變ds與q兩個(gè)變量的數(shù)值，把輸出電壓與輸入電壓進(jìn)行幅值對(duì)比所得到的仿真結(jié)果Q1與理論方程所推導(dǎo)的電壓傳輸比Q近乎相等，同樣驗(yàn)證了總電壓比傳輸方程的正確性。

5 結(jié)束語(yǔ)

    本文提出了一種新型的“一步式”矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及相關(guān)的調(diào)制策略，簡(jiǎn)化了電壓的傳輸過(guò)程，增強(qiáng)了換流的可靠性，并通過(guò)PSIM仿真軟件驗(yàn)證了其可行性與正確性。選擇適當(dāng)?shù)恼伎毡萪s與開(kāi)關(guān)增益q，可以使其電壓的總傳輸比突破0.866的瓶頸，達(dá)到與超過(guò)1。

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