??? 摘 要： 提出了一種基于矩陣變換器" title="矩陣變換器">矩陣變換器結(jié)構(gòu)的充電機(jī)拓?fù)潆娐?，并?duì)其調(diào)制策略" title="調(diào)制策略">調(diào)制策略和換流策略" title="換流策略">換流策略進(jìn)行了研究，然后用Matlab/Simulink和M函數(shù)進(jìn)行了仿真。最后研制了一個(gè)1kW的樣機(jī)，并給出了試驗(yàn)波形，證明了方案的可行性。
??? 關(guān)鍵詞： 充電機(jī)；矩陣變換器；調(diào)制策略；換流策略
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??? 傳統(tǒng)的電池充電方法大多采用不控整流加DC/DC變換的方式，這種方法具有技術(shù)成熟，控制方案簡單等優(yōu)點(diǎn)，但其中間的直流環(huán)節(jié)需要大容量的儲(chǔ)能元件，因而對(duì)實(shí)現(xiàn)裝置的小型化不利。本文提出了一種基于矩陣變換器結(jié)構(gòu)的充電機(jī)拓?fù)潆娐?，其主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖可見，由于該電路中高頻變壓器的原邊側(cè)不存在直流環(huán)節(jié)，因而無需大容量的儲(chǔ)能元件，當(dāng)功率等級(jí)增加時(shí)，有利于減小裝置的體積，而且還具有功率因數(shù)高的優(yōu)點(diǎn)。
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1 換流策略
??? 由于不存在自然的電流續(xù)流通路，而且通常矩陣變換器的輸入側(cè)都呈容性，輸出側(cè)都呈感性，因而在換流時(shí)其輸入側(cè)一定不能短路，輸出側(cè)一定不能開路，因此死區(qū)換向和重疊換向都不適用于矩陣變換器，這就使得矩陣變換器中雙向開關(guān)的可靠電流換向變得復(fù)雜而困難。雙向開關(guān)的換向不可能在一步內(nèi)完成，目前普遍采用的是多步換流策略。本文采用的是四步換流策略。下面以圖2所示的單相斬波器為例來加以說明。
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???? 假定某一時(shí)刻電源電壓上正下負(fù)，開關(guān)管S1f和S1r開通，電路處于向負(fù)載供電的狀態(tài)， 下一時(shí)刻，若想將S1f和S1r關(guān)斷" title="關(guān)斷">關(guān)斷，S2f和S2r開通，則可以按照下面的順序進(jìn)行開關(guān)的換向。
??? (1)開通S2f，此時(shí)，由于電源電壓上正下負(fù)， 因而不會(huì)出現(xiàn)短路的情況。
??? (2)斷開S1f，此時(shí)，無論電流的方向如何，都不會(huì)引起短路或開路的情況。
??? (3)開通S2r，由于S1f已經(jīng)關(guān)斷，所以不會(huì)形成短路。
??? (4)斷開S1r，此時(shí)S2r已經(jīng)開通，可以導(dǎo)通反向電流，所以S1r可以安全斷開。
??? 其余情況可以類似分析得到。
2 調(diào)制策略
??? 電壓調(diào)制的目的是將輸入側(cè)的三相交流電壓調(diào)制成正負(fù)對(duì)稱的高頻脈沖電壓，具體執(zhí)行的原理為：采樣兩相電壓信號(hào)，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，利用U1+U2+U3=0計(jì)算出第三相電壓的大小，然后根據(jù)各電壓的正負(fù)情況確定采樣時(shí)刻電壓所處的扇區(qū)，這里，將圖3中陰影所示的部分確定為第一扇區(qū)。通過對(duì)圖中陰影部分以及其他扇區(qū)的觀察，可以得出：在任意一個(gè)扇區(qū)內(nèi)，總有兩相電壓符號(hào)與第三相電壓的符號(hào)相反，并且第三相電壓在該扇區(qū)內(nèi)達(dá)到最大值。下面，以圖3中陰影部分的扇區(qū)為例介紹本文中所采用的調(diào)制策略。
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? 由于開關(guān)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于線電壓的頻率，線電壓V12和V13可以被看作是緩慢變化的直流電壓。因此，在任意60°扇區(qū)內(nèi)，該變換器可被分析成兩個(gè)交替運(yùn)行的全橋變換器子拓?fù)?。該扇區(qū)的兩個(gè)子拓?fù)淙鐖D4所示。
??? 圖5給出了該60°間隔內(nèi)的理論波形，并顯著增加了開關(guān)周期Tc的時(shí)間長度以便能夠觀察到PWM的細(xì)節(jié)。圖中的不同部分根據(jù)產(chǎn)生波形的不同子拓?fù)涠可狭瞬煌年幱?。每個(gè)開關(guān)周期開始時(shí)首先使用子拓?fù)鋣。開關(guān)q11和q23開通，在A和B兩點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)正的電壓脈沖，同時(shí)一個(gè)電流脈沖" title="電流脈沖">電流脈沖從相1流入相3。為了維持高頻變壓器的磁通平衡，接下來通過開通開關(guān)q13和q21在A和B兩點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)的電壓脈沖。這兩個(gè)電壓脈沖被一個(gè)零電壓間隔分隔開，并且在整個(gè)開關(guān)周期內(nèi)零電壓間隔的時(shí)間長度應(yīng)相等。在剩余的開關(guān)周期內(nèi)，利用子拓?fù)鋢在A和B兩點(diǎn)產(chǎn)生另外兩個(gè)電壓脈沖，同時(shí)也產(chǎn)生兩個(gè)從相1流入相2的電流脈沖。假定變換器的輸出電流恒定，相電流由恒幅的電流脈沖合成，如果平均相電流(i1，i2，i3)為正弦，并且與相電壓同相，子拓?fù)鋢產(chǎn)生的電流脈沖的時(shí)間長度就要與相電壓v2成比例，同樣，子拓?fù)鋣產(chǎn)生的電流脈沖的時(shí)間長度就要與相電壓v3成比例。如果這些條件都滿足了，電流i1也是正弦的，并且與v1同相，因?yàn)槿嘞到y(tǒng)是對(duì)稱的，所以有i1=-i2-i3。
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??? 以上調(diào)制策略可以總結(jié)如下。如果給定輸入相電壓為：?
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??? 設(shè)子拓?fù)鋢和y產(chǎn)生的電流脈沖的占空比分別為dx和dy，在圖5中陰影部分的時(shí)間間隔內(nèi)分別為：
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式中，0≤Dm<1為調(diào)制指數(shù)。由以上可以得到輸出電壓的表達(dá)式為：
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式中，n為變壓器的匝比，n=Nsec/Nprim。將(1)式和(2)式代入(3)式，經(jīng)過基本的三角變換可以得到輸出電壓的表達(dá)式如下：
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3 仿真
??? 為驗(yàn)證本文所采用的換流策略和調(diào)制策略的正確性，特利用Matlab/Simulink對(duì)單相交流斬波器進(jìn)行仿真，仿真波形如圖6和圖7所示。另外，還利用Matlab的M函數(shù)對(duì)矩陣變換器的調(diào)制策略進(jìn)行仿真，仿真波形如圖8所示。圖9是三相輸入電壓與輸出電壓的展開波形。
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??? 由圖可見，開關(guān)管沒有出現(xiàn)大的電流尖峰或電壓尖峰。除了由于IGBT自身寄生電感（仿真時(shí)設(shè)置為1μH）的原因，在IGBT關(guān)斷時(shí)出現(xiàn)較小的電壓尖峰外，并沒有出現(xiàn)大的電壓尖峰，因而換流是安全可行的。
4 試驗(yàn)結(jié)果
??? 在驗(yàn)證了本文采用的換流策略和調(diào)制策略的可行性之后，研制了一個(gè)1kW的樣機(jī)，圖10～圖12是試驗(yàn)過程中采集到的波形。
??? 矩陣變換器的提出至今已有三十多年的歷史，盡管在其提出的早期由于受微處理器水平和制造工藝等的限制影響了它的實(shí)用化步伐，但其眾多的優(yōu)點(diǎn)還是吸引了無數(shù)的專家和學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了孜孜不倦的長期研究。本文對(duì)矩陣變換器的換流策略和調(diào)制策略進(jìn)行了研究，并利用一個(gè)三相到單相的矩陣變換器制作了一臺(tái)1kW的充電機(jī)，取得了較好的試驗(yàn)波形，證明了該方案的可行性。
參考文獻(xiàn)
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