矩阵式变换器

矩阵式交流/交流变频器

1、引言

随着电力电子技术的发展，电力电子器件从20世纪60年代的SCR（晶闸管）发展到HVIGB T（耐高压绝缘栅双极型晶体管）。继VVVF变频之后出现了矢量控制变频、直接转矩控制变频，其共同缺点是输入功率因数低，直流回路需要耐高压大容量的储能电容，再生能量不能回馈电网。矩阵式交—交变频能克服以上不足，近年来越来越受到人们的广泛关注。

与传统的交—直—交变频器和交—交变频器相比，矩阵式变频器有如下几方面的显著特点：

（1）输出电压幅值和频率可独立控制，输出频率可以高于、低于输入频率，理论上可以达到任意值；

（2）在某些控制规律下，输入功率因数角能够灵活调节达到0.99以上，并可自由调节，可超前、滞后或调至接近于单位功率因数角；

（3）采用四象限开关，可以实现能量双向流动；

（4）没有中间储能环节，结构紧凑，效率高；

（5）输入电流波形好，无低次谐波；

（6）具有较强的可控性。

矩阵变换器的控制策略包括开关函数S的确定、实现和安全换流，开关函数的确定方法有直接变换法、空间矢量调制法[1]和滞环电流跟踪法，目前空间矢量调制法研究的比较成熟。在换流方法的研究上有四步法、三步法、两步法、软开关换流。

2、拓扑结构的发展

矩阵变换器的电路拓扑形式在1976年由L.Gyllglli提出。直到1979年，M.Venturini 和A.Alesina[7]首先提出了由9个功率开关组成的矩阵式交—交变换器结构，并指出矩阵式变换器的输入功率因素角是可以任意调节的，但后来发现这种变换器存在固有极限，最大电压增益为0.866，并且与控制算法无关。由于矩阵式变换器的主回路采用9个双向开关，还存在着双向开关的实现与保护问题，其难点在于开关换流时，既不能有死区又不能有交叠，否则，任何一种情况都将导致开关管的损坏。为了实现安全换流，N.Burany提出了一种四步换流策略，可实现半软开关换流。

2.1 拓扑结构

矩阵变换器最初提出时指的是M相输入变换到N相输出的一般化结构，因此曾被称为通

用变换器。根据M、N取值的不同及输入输出端电源性质的不同，人们提出了许多拓扑结构（1）由三相交流变换到两组直流，或者一组可变换极性的直流；

（2）从三相交流变换到单相交流；

（3）从单一直流变换到三相交流，也就是通常所说的逆变器；

（4）由交流三相变换到交流三相，它的输入输出端之间采用双向开关互相连接，即9 开关矩阵变换器，它是研究得最多的一种拓扑；

（5）由交流三相变换到交流三相，但输入输出端之间采用3个全控桥进行连接，称为电压源型矩阵变换器。它的结构比9开关矩阵变换器复杂，但性能更优。

三相输入、三相输出的交—交矩阵变换器电路拓扑结构如图1所示。

图1 交—交矩阵式变换器拓扑结构

它含有9个双向开关，通过对其逻辑控制，可实现对电源电压和频率的变换，以向负载提供幅值和频率可调的电压和电流。

2.2 元器件的发展历程

矩阵变换器元器件的发展充分体现了电力电子技术的进步和发展趋势。总的说来，主要经历了以下几个过程

（1）双向功率器件的研究[8]

由于矩阵变换器所要求的双向功率器件目前并不存在，于是就研究利用其他电力电子器件来合成双向开关。已知的合成方法有：在整流桥内嵌入全控开关；并联电流开关；串联电

压开关；共集电极反并联全控开关；共发射极反并联全控开关。

在制造矩阵变换器的双向开关常见的有共发射极结构如图2所示。

图2 共射极双向开关电路

（2）功率模块的研究

采取与IGBT模块类似的做法，将多个双向开关器件集成在一块硅片上，有的甚至将保护电路、触发电路也集成在一块，使得变换器的体积减小，重量下降。（3）装置集成的研究

将功率器件或模块、驱动电路、保护电路、电源都集成在一起，形成所谓的功率电子积木（PEBBPower Electronics Building Blocks）。它使得整个变换器装置的体积进一步减少，更重要的是，它使变换器的可靠性大大提高，而损耗变得很少。

3、矩阵式变换器发展过程及现状

矩阵式变换器的概念最早由L.Gyugi 和B.Pelly于1976年提出，但直到1979年意大利学者M.Venturini和A.A lesina提出矩阵式变换器存在的理论以及控制策略，矩阵式变换器才得以迅速发展。

此后，矩阵式变换器理论，样机制作与实际产品应用等方面取得了长足的发展，获得了非常丰富的研究成果，成为一大类电力电子变换器。在电力电子变换与电气传动领域，MC一直引起着人们浓厚的研究兴趣。

目前国际上对矩阵变换器的研究趋势面向产品化，研究手段也在前期较多采用理论分析和实验相结合的基础上，更多地采用仿真方法，以进一步提高研究深度和广度，提高研究效率。

矩阵变换器的研究也引起了电力电子器件生产商和变频生产商的兴趣。德国

西门子公司，美国罗杰韦尔公司和日本安川电机公司纷纷推出了基于MC的变频产品；2004年，日本的富士电机公司和三菱电机公司分别推出了阻断电压达1200v，额定电流为100A的用于矩阵变换器的逆阻型IGBT模块。

在国内，矩阵变换器的研究起步比较晚。1997年，南京航空航天大学的庄心复，穆新华在国内刊物上最早对矩阵变换器作了介绍。90年代末，哈尔滨工业大学，上海大学等单位先后展开了展开了这方面的研究工作，并达到了一定的水平；2000年，哈尔滨工业大学的陈希有，陈学允将Park变换技术应用到基于空间矢量的调制的矩阵变化器中，，建立了矩阵变换器的线性订场等效电路模型；2002年，王毅，陈希有，徐殿国提出了一种于双压合成的矩阵变换器闭环控制方法；2003年，西安交通大学的丁汝文等，通过数学推导得出矩阵变换器调制函数的通解形式。总体上说，我国的矩阵变化器的研究工作无论在理论上还是在实际研制上，与国际领先水平相比，还有不小的差距。

虽然多年来各国学者和技术人员对矩阵变换器进行了大量卓有成效的研究和开发，也在市场上退出了举证变换器的产品。但作为一种电力电子变换装置，特别是相对于传统的交—直—交变压型PWM变频器，MC技术仍在数学模型复杂，调制方法和换流控制繁琐，稳定性和可靠性不够理想，电压利用率较低等一系列问题亟待解决。

4、矩阵式变换器的技术最新进展

矩阵变换器从1976年提出到现在30年的时间了。国外已有不少文献提出矩阵变换器的实验样机，但是还没有真正进入实用的报道。目前变换器的最大输出功率可达20kW，控制手段主要采用TMS320C30、C40数字信号处理器，80386微机及PLD器件。这方面做得比较好的是Aalborg大学矩阵变换器项目组。

上个世纪80年代末、90 年代初，南斯拉夫学者L.H-uber和美国D.Borojevic教授、日本学者A.I.Shiguro和T.Funjhashi教授、以及韩国学者W.H.Kwon和G.H.Cha等人的研究，使矩阵变换器的理论和控制技术逐渐走向成熟。L.Heber和D.Borojevic提出了一种基于空间矢量调制技术的PWM技术。

A.I.Shiguro和T.Furuhashi提出的双线电压瞬时值法。韩国学者W.H.Kwon和G.H.Ch a对假设MC由非理想电流源和电压源组成，利用DQ电路变换技术对实用升压九开关MC的动、静态特性进行了分析，为MC的分析提供了有效的方法。1994年弗吉尼亚电力电子中心年会上展出了输入端具有功率因数校正（PFC）的三相一三相矩阵变换器，该变换器采用数字信号处理器（DSP）实现空间矢量调制，最大输出2kW，开关频率20kHz，用MOSFET器件，

负载为2kW的感应电动机，输入端功率因数为0.99，输出电压、输入电流均为正弦。1995～1996年，Peter．Nilsen 在他的博士论文中，以SIEMENS C166为控制器做出了试验装置，对矩阵式变换器的外围电路进行了一系列研究。 1998～1999年，1999～2000年，Christa n两次作为访问学者在美国也研究出了一套装置，并对输入电压不平衡时，人工负载下矩阵式变换器的控制策略进行了研究。

我国在矩阵变换器方面的研究开始的较晚，基本上从20世纪90年代开始，南京航空航天大学，西安交通大学，上海大学，哈尔滨工业大学先后开展了这方面的研究工作，取得了令人瞩目的成绩，达到了一定的水平。1992年，南京航空航天大学的庄心复教授采用空间矢量调制法分析直—交和交—直变换器，合成后求得交一交变换器的调制方法，并以一台3 2位数字信号处理器TMS32014作为控制器，设计并制作了一台实验样机。1998年，上海大学的陈伯时、陆海慧等通过把矩阵变换器等效为交一直一交变换器，利用逆变器中广泛采用的空间矢量PWM调制技术，并利用8OC196KC作为控制器，以IGBT作为开关器件，采用四步换流的方法，成功的制作出了三相交一交矩阵变换器的实验装置，综合指标达到了国际先进水平。南京航空航天大学的穆新华等对A.I．Shigur所提出的双电压瞬时值控制技术进行了仔细的分析整理，提出了原点开关的概念，使其开关状态的转换和电流合成过程规律化，并通过仿真计算验证了其正确性。2000年，哈尔滨工业大学陈学允、陈希有等建立了矩阵变换器的等效电路，得到了输入电流、功率因素、电压增益、输出阻抗等性能指标的解析表达式。1999～2000 年，福州大学对电流滞环的矩阵式变换器进行了一系列研究。2001年，华中科技大学也提出了一种新型的三相—三相的矩阵式变换器。上海大学陈伯时提出了输入非平衡时改善输入电流谐波的调制策略。2002年，浙江大学的贺益康等提出了矩阵变换器在风力发电方面的应用，国外也早在1997年有文章提到。清华大学邓毅晟等提出了用DSP和PLD实现四步换流。2003年，湘潭大学朱建林等开始研究提高矩阵变换器电压传输比。

总的来看，目前世界范围内矩阵式变换器的研制还停留在理论研究和实验室样机阶段，尚未形成实用化的成熟产品。我国的矩阵式变换器的研究工作无论在理论上还是在实际研制上，与国际领先水平相比，都还有不小的差距。

目前矩阵变换器的研究热点主要在两个方面：

（1）在理论研究方面，继续探讨电压传输比的提高和新型调制策略，还可以结合智能控制的有关理论，如模糊控制、神经网络控制、自适应控制、模糊神经网络控制等进行研究；（2）在实际应用研究方面是将其实用化和工业化，例如可靠换流实现及保护、双向开关的实现与封装以及输入滤波器的设计等。

5、矩阵变频器的应用前景

矩阵变换器由于具有输入电流为正弦量、双向功率流动、输入功率因数可调等优越性能，其应用研究与前景可从几个方面来探讨：

（1）应用于转速较低的传动系统

矩阵变换器的电压传输比受到一定限制，在输出频率较高时会出现输出电压不足的现象，不太适合调速范围较高的场合；它不需要更换电解电容的，因而可以在低频大功率变频调速系统中长时间可靠工作。

（2）作为电源产品

与目前的电源产品相比，矩阵变换器有一定优越性，如功率因数高、无中间储能环节、结构紧凑寿命长，在这方面，矩阵式变换器的研究有良好的市场前景。

（3）用于高压大功率变换

在需要高压的场合，可以将矩阵式变换器串联使用，达到高压大功率输出的目的。（4）用于功率因数校正

由于矩阵式变换器的输入功率因数可以任意调节，其调制策略和实现技术在某些场合可以用于校正电路的功率因数。由于它具有柔性变换能力，可以作为一种通用的电力变换器来实现电力变压器的某些性能，作为无功补偿器来提高电网利用率。

矩阵变换器在风力发电、热电机组直流电源、感应电动机调速、电力系统应用（如统一潮流控制器UPFC）以其优越的性能都可以做些可行的应用研究。

6、结束语

矩阵式交—交变频器作为一种具有优良控制性能和发展前途的新型变频电源。它的研究工作在国内外引起了广泛的重视，己经取得了较大的成果。虽然矩阵式变换器依然存在很多的问题有待进一步解决如输出电压传输比低是矩阵式变换器存在的主要缺点；如IGBT成本较高、控制电路较复杂，适合用于大功率的应用场合。然而，矩阵变换器可以在变频调速中的应用研究既可产生节能的重大经济效益，又避免了因谐波污染带来电力系统环保问题，是一种“绿色”的变换器。随着研究的不断深入，电力电子器件和应用技术以及微机控制技术的发展，控制理论的日益完善，成本的不断降低，矩阵式变换器必将以其独特的优点在未来产品化方面形成优势，日益接近实用化。

车用新型AC_DC矩阵式变换器汇总

2011年8 月电工技术学报 Vol.26 No. 8 第26卷第8期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Aug. 2011 车用新型AC-DC 矩阵式变换器 徐壮殷冠贤徐殿国 （哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院哈尔滨 150001） 摘要针对车用电子系统容量扩大和传统PWM 整流器缺点问题，为实现输入单位功率因数和一级降压整流，去除死区时间引起的谐波带来的影响，本文提出一种新型基于42V PowerNet的车用双向AC-DC 矩阵变换器。在基于三相 - 三相矩阵变换器理论基础上，推演出AC-DC 矩阵 变换器的整流调制策略，并研究了开关序列和换相的方法，采用优化AV 法调制策略来控制整流器。运用四步换流策略解决了开关换相存在的短路、断路风险和死区时间问题，仿真和实验结果验证了车用新型AC-DC 矩阵式整流器的有效性和正确性。 关键词：AC-DC 变换器矩阵变换器功率因数四步换流中图分类号：TM464 A New Bidirectional AC-DC Converter Using

a Matrix Converter Topology Xu Zhuang Yin Guanxian Xu Dianguo （Harbin Institute of Technology Harbin 150001 China） Abstract The expansion of automotive electronic system and the disadvantage of the conventional rectifier should not be ignored. To achieve unity power factor and complete the step-down rectification in single stage, this paper presents a new type of AC-DC matrix converter with 42V for automotives. It removed the impact of harmonics which is caused by the dead time and reduced the cost of the system. In this paper, the modulation strategy of AC-DC matrix converter derived from that of three-phase – three-phase matrix converter and the methods of commutation are studied. The optimized modulation strategy named AV method is used to control the switch-state. The four-step commutation strategy is a solution of the risks for short circuit, open circuit and the dead-time problem. The experimental results based on DSP system and the simulation results demonstrate the validity and effectiveness of the system. Keywords ：AC-DC converter, matrix converter, power factor, four-step current commutation 1 引言 随着汽车电子系统容量的扩大，极限功率为3kW 左右的传统14V 供电系统已经逐渐过渡到42V 系统，其中42V 为整流器工作时的直流端电压，蓄电池电压为36V 。而42V 车用整流器在汽车行驶过程中将发电机所发出的变频变幅的交流电变换为42V 直流电。21世纪汽车的发展受到能源、环保和 安全的三大挑战。未来车辆对电能的需求和效率的要求使得设计适合的车用整合起动发电系统（ISA ）显得尤为必要。目前的解决方案离真正意义上的ISA 还有一定的距离。考虑到中国和世界巨大的市场，ISA 的研发对中国的汽车产业将带来相当大的益处。ISA 系统（见图1）起动时由电动机带动引擎，当达到预定转速

矩阵变换器研究综述

矩阵变换器研究综述 1 引言 随着电力电子技术的迅速发展，交-交变频器在传动系统中已经得到了广泛的应用，但也存在一些固有的缺陷，因此研究新型的既有优良控制性能和输入电流品质而又成本低、结构紧凑、性能可靠的交-交变频器已成为当前的发展趋势。 矩阵式变换器是一种直接交-交变频器，与传统的自然换流变频器相比，具有以下优点: l 无中间直流环节，结构紧凑，体积小，效率高，便于实现模块化; l 无需较大的滤波电容，动态响应快; l 能够实现能量双向流动, 便于电动机实现四象限运行; l 控制自由度大,输出电压幅值和频率范围连续可调; l 输入功率因数可控，带任何负载时都能使功率因数为1.0; l 输出电压和输入电流的低次谐波含量较小; l 实现功率集成后能够改善变换器内部的电磁兼容性，其输出的pwm电压和输入功率因数可调的特点能够改善电动机、变换器与电源之间的电磁兼容性[1]。 矩阵变换器的原理在80年代被提出，由于具有性能优良的潜在优势，越来越引起人们的重视，有逐步取代交-直-交变频器、周波变流器的趋势[2]。特别是它具有本身不产生谐波污染的同时,能够对电网进行无功补偿的能力，其总体性能高于其它变换器。在日益关注可持续发展问题，大力推行电力环保、绿色电源的今天，研究与开发矩阵式变换器特别具有现实意义。 矩阵变换器的关键技术主要包括:主回路的拓扑结构和工作原理、安全换流技术、调制策略和保护电路设计等，下面就这些关键技术的研究进行一一介绍。

2 主回路拓扑结构和工作原理 矩阵变换器的名称来源于它的矩阵状拓扑结构。一个m相输入、n相输出的矩阵变换器，由m×n个双向开关组成，它们排列成矩阵形状，分单级和双级两种。 图1 单级矩阵变换器拓朴结构 2.1 单级矩阵变换器 常规的矩阵变换器是一种单级交-交变换器(见图1)，其结构简单，可控性强，但存在以下缺陷: l 最大电压增益为0.866，并且与控制算法无关; l 主电路的9个双向开关存在控制和保护问题，应采用安全换流技术; l 必须采用复杂的pwm控制和保护策略，同时要求复杂的箝位保护电路。 单级矩阵变换器的理论和控制技术得到了飞速的发展，但仍然停留在实验阶段，而不能在工业中推广应用，原因在于: l 其控制策略复杂，计算量大; l 四步换流法增加了控制的难度, 降低了系统的可靠性; l 开关数量多，系统成本过高[3,4]。

矩阵变换器的研究现状分析

矩阵变换器的研究现状分析 1引言 随着电力电子技术的迅速发展，交-直-交电压型变频调速装置已经广泛地应用于交流调速系统中，且结构愈来愈紧凑。但由于装置中应用了二极管桥式整流器，所以输入电流波形失真度大、功率因数低。随着电网负载中电力电子设备的增加，畸变电流对电网品质的污染已成为不可忽视的问题，因此研究新型的既有优良控制性能和优良输入电流品质而又成本低、结构紧凑可靠的变换器已成为当前的发展趋势。交-交型矩阵式变换器可以克服上述缺点，它是一种单级电源变换器，除了应用一个体积不大的交流滤波器外不需贮能环节。它与交-直-交型变换器相比具有如下优点: （1）控制自由度大，输出电压可调，输出频率不受输入频率的限制； （2）输入功率因数可调，可以滞后、超前或为1不受负载限制； （3）输入电流正弦，对电网无谐波污染； （4）能量可以双向流动，尤其适合于电机四象限运行； （5）无任何中间直流环节，结构紧凑，体积小，效率高，易于实现集成化和模块化，特别适合实现电机与变频器一体化。 由于矩阵变换器包含开关较多，数学模型复杂，使得调制方法和换流控制都很繁琐，导致了稳定性和可靠性仍不够理想；因此提出了新型的电路拓扑—多电平矩阵变换器和双级矩阵变换器。多电平矩阵变换器可以用电压等级较低的器件完成高压电能的变换，使得电力电子技术可以应用在高压、大功率的场合，且突破了电压传输比小于或等于0.866的限制，既可以降压也可以实现升压；可实现多电平操作，进一步改善了输出电压波形；开关损耗小。双级矩阵变换器不仅能够实现交-交矩阵变换器的所有功能，并且具有功率开关器件相对较少、箝位电路大大简化、换流简单可靠、控制算法的复杂性降低等优点。但这两种新型变换器研究的时间不长，自身还有许多问题要解决，不如单级矩阵变换器成熟。 交-交型矩阵变换器经过近30年的发展，基本趋于成熟，近年来有以下的一些应用。如矩阵式变换器驱动的交流电动机调速系统已被应用于电梯、起重机、风力发电等需要能量双向流通的场合。另外，还应用于一些安装空间有限、对变频装置体积和重量要求很严格的场合，如铁道机车、电动车辆、飞机等独立电源系统中。可以预料，矩阵变换器将有广阔的发展前景。三相-三相矩阵变换器的拓扑结构如图1所示。 图1三相-三相矩阵变换器的简化拓扑 2控制策略 由于矩阵变换器包含开关较多，数学模型复杂，控制繁琐，因此在其实际应用中，采用

关于矩阵式变换器现状和发展的思考

关于矩阵式变换器现状和发展的思考 矩阵式变换器（MC）是一种基于双向开关并采用脉宽调制得到期望输出电压的电力变换装置，因具有不需要中间直流储能环节，对任意负载均可实现单位输入侧功率因数等优势而成为电力电子技术研究的热点之一。论文主要分析了矩阵式变换器的研究背景、国内外发展现状和存在的问题以及矩形变换器的当前研究热点，并根据分析提出了具有原创性的新研究方法。 【Abstract】Matrix converter （MC）is a kind of power conversion device based on bidirectional switch and pulse width modulation to obtain the desired output voltage，because it does not need the intermediate DC energy storage link. The power factor of unit input side can be realized for any load，which has become one of the hot research topics in power electronics technology. This paper mainly analyzes the research background of matrix converter，development of domestic and foreign and existing problems，as well as the current research focus of rectangular converter. Based on the analysis，a new research method with originality is proposed. 标签：矩形变换器；新研究方法；编译原理 1 矩阵式变换器的研究背景 随着工业电气自动化的不断进步发展，以及对节能和环保要求的提高，传统的变频装置已无法满足工作要求。当前，尽管已有成熟的高性能交-直-交型变频装置在市场上出现，但是仍有许多方面存在不足：输入侧功率因数较低，对电网谐波污染严重；含有大电容或大电感作为直流储能环节，体积重量大；在电动机制动运行时，能量一般消耗在制动电阻上，从而在化工厂、酒精厂等生产危险品的工业场所，其中大容量制动电阻可能引起火灾，引发安全事故。 传统的交-交型变频电路缺点是：功率晶闸管多、接线复杂、输出频率范围窄（只能是电网频率的1/3～1/2）、采用相控整流，功率因数低，只能用于大容量低速重载调速场合。 矩陣式变换器作为现有交-直-交型PWM变频器和传统交-交变频电路的一种补充和替代技术，已成为电力电子技术研究的热点之一，并在军事和工程上有着广泛的应用前景。其优于传统交流电力变换装置的特性：输入与输出电流品质好；电能的直接双向流通；对任意负载均可实现输入侧功率因数为1；不需要作为直流储能环节的电感或电容，电路结构紧凑，体积小。 矩阵式变换器（MC）是一种基于双向开关并采用脉宽调制得到期望输出电压的电力变换装置，可以产生交流和直流电压。 2 矩阵变换器的研究现状

矩阵式变换器四步换流的仿真研究

矩阵式变换器四步换流的仿真研究 郭有贵,朱建林 (湘潭大学信息工程学院　湖南湘潭　411105) 摘　要:利用SIM U L IN K 对矩阵变换器的四步换流进行了仿真,验证了理论的正确性。关键词:矩阵变换器;四步换流;SIM U LI NK 仿真;电流 中图分类号:T P 337 文献标识码:A 文章编号:1004373X (2003)0706202 A Simulation Study on Four step Commutation for Matrix C onverters GU O Y oug ui,ZHU Jianlin (Colleg e of Info rmatio n Engineering ,Xi a ng tan University ,Xiangta n,411105,China) Abstract :Simula tes t he fo ur st ep comm ut atio n fo r mat rix conv erter s by means o f SIM U L IN K .It ver ifies the cor rectness o f four step commutat ion theo ry. Keywords :mat rix co nv ert er s;fo ur st ep co mmutatio n;SIM U LI NK simulatio n;cur rent 收稿日期:200301 02 矩阵式变换器的安全换流非常重要,否则,将导致开关管的损坏。换流是指将负载电流从一个双向开关管换到另一个双向开关管。在调制过程中,矩阵式变换器开关管通断状态不断改变,从而使换流始终存在于矩阵式变换器的运行过程中,因此,安全换流是矩阵式变换器控制策略中一项至关重要的问题。 同一输出相的双向开关的换流方法主要有3种:(1)插入死区延时法。他不能工作在电流连续的情况下,且开关损耗大,但控制方法简单。 (2)N.Burany 提出的一种四步换流策略,可实现半软开关换流。被认为是最有前途的方法。 (3)台湾学者潘晴财教授提出的一种基于电流滞环调制的谐振式软开关换流策略。这仅限于电流滞环调制的矩阵式变换器换流。1　四步换流 1.1　2个双向开关之间的换流 如图1所示,1和2是同一输出相的2个双向开关,1c 和2c 是开关1和2的正向开关,1nc 和2nc 是反向开关。假定电流方向为正向,现在要关断开关1,开通开关2,要保证电流连续,又不能出现短路情况,共要经过4步才能完成: 1关断开关1的反向开关1nc,由于电流是正向流动,这一步不会带来开关损耗。 o开通开关2的正向开关2c ,打开2c 后,如果开关2所连接的电压高于开关1所连接的电压,那么电流将自动换流到2c 中。 ?关断开关1的正向开关1c,由于电流有一半的可能已经换流到2c 中了,所以1c 的关断有50%的可能性为零电流关断。 ?开通开关2的反向开关2nc 。 图1　四步换流法 这样的四步换流策略,既禁止了电源发生短路的开关组合,又保证了在任意时刻给负载电流提供了至少一条流通路径,且换流过程中有一半的可能性实现软开关中的零电流关断,所以被称为四步半软开关换流法。 如果电流是反相流动的,仍采用原来的换流顺序,将导致不安全后果。电流为反向时要按以下顺序进行:第1步,关断1c;第2步,开通2nc;第3步,关断1nc;第4步,开通2c 。 1.2　3个双向开关之间的换流 在矩阵式变换器中,每一输出相通过3个双向开 62 郭有贵等:矩阵式变换器四步换流的仿真研究

间接式矩阵变换器的调制策略

第2章 间接式矩阵变换器的调制策略 间接式矩阵变换器是一种新型矩阵变换器，除了保留了直接式矩阵变换器无大体积储能电容、输入输出电流为正弦波、可实现单位输入功率因数、能量可双向流动等优点外，由于具有相对独立的整流侧和逆变侧，因此可以用成熟的整流和逆变控制策略分别对其整流侧和逆变侧进行调制。在本文中，对间接式矩阵变换器的整流侧采用PWM 调制，对逆变侧采用SVPWM 调制。 2.1 整流侧的PWM 调制 设间接式矩阵变换器的三相输入相电压为 ()()()()()()i a a b im b im i c c i cos cos cos cos 120cos cos 120t u u U U t u t ωθθωθω??????????????===-??????????????+???? i u (2-1) 整流侧要求使中间直流电压dc 0U >。为了充分提高电压传输比，按照如图2-1 所示的方法，在每个输入周期内将输入电压a u ，b u ，c u 平均划分为编号为1到6的6等份，每等份占/3π电角度，每一等份称为一个扇区。 1234561 a u b u c u 图2-1 输入电压扇区划分 如果按照图示的划分方法，则在每个扇区中，三相输入相电压都会有如下特点：一相电压的绝对值最大，另外两相电压与之反向。例如，在第1扇区，a u 的绝对值最大，且为正值，b u 和c u 都为负值；在第2扇区，c u 的绝对值最大，且为负值，a u 和c u 都为正值。 假设在某个周期内，(),,k k a b c =相输入电压绝对值最大，l 和m 为与k 反向的另外两相电压，如果k 为正值，则在一个PWM 周期内，对照绪论中图1-4，整流侧双向开关kp S 始终导通，ln S 和mn S 轮流导通；如果k 为负值，则整流侧双向开关kn S 始终导通，lp S 和mp S 轮流导通。例如在第6扇区，b U 的绝对值最大且为负值，则双向开关bn S 始终导通，ap S 和cp S 轮流导通。当bn S 和ap S 导通时，输出

CPLD在三相PFC矩阵变换器中的应用

CPLD在三相PFC矩阵变换器中的应用 1 引言随着电子技术的不断发展，在通讯、控制工程中应运而生的各种 硬件平台在功率电子领域中显示出了独有的特色，例如：MCU，DSP 和复杂可 编程逻辑器(Complex Programmable Logic Device。简称CPLD)等集成度很高的数字芯片就是以其精度高，温度漂移小，升级换代简便，长期工作不老化等特点，而广泛用于功率变换器中，且大有取代传统模拟控制芯片的势头。CPLD 的多个通道可以并行工作的这一特点，使得控制三相功率因数校正(PFC)矩阵 变换器的6 只双向开关同步、协调地工作。在此，介绍的XC95108 型CPLD 用于矩阵变换器，可以实现驱动脉冲分配、换相及桥臂死区的生成等功能。 2 三相PFC 矩阵变换器电路拓扑及工作原理 图1 示出三相PFC 矩阵变换器电路拓扑。该矩阵变换器的开关是由两个背靠 背的IGBT 组成的。这样组成的开关可对正负两个方向的电压和正反两个方向 的电流进行导通和截止，因此该开关具有四象限功能[1]。每个H 桥的对角线上 两个双向开关互补通断，就可将等伏秒面积的双极性电压脉冲通过高频变压器 传递给次级输出。每一开关的导通宽度均由模拟调压板通过对交流电压前馈uphase、输出电压反馈uout 及初级电流取样值ipri 作为输入，再由模拟调压板 中的PFC 专用芯片UC3854BN 运算得到。CPLD 板综合DSP 板，模拟调压板 的输入，发出6 路脉宽调制波驱动6 只双向开关VQ1～VQ6。图2 示出控制系 统框图。 3 CPLD 形成脉冲分配 3．1 CPLD 介绍XC95108 型CPLD 具有2500 个逻辑门，108 个I／O 口，5V 供电电压[2]，抗干扰能力优于3．3V 芯片，最大通过频率为

矩阵式变换器

矩阵式交流/交流变频器 1、引言 随着电力电子技术的发展，电力电子器件从20世纪60年代的SCR（晶闸管）发展到HVIGB T（耐高压绝缘栅双极型晶体管）。继VVVF变频之后出现了矢量控制变频、直接转矩控制变频，其共同缺点是输入功率因数低，直流回路需要耐高压大容量的储能电容，再生能量不能回馈电网。矩阵式交—交变频能克服以上不足，近年来越来越受到人们的广泛关注。 与传统的交—直—交变频器和交—交变频器相比，矩阵式变频器有如下几方面的显著特点： （1）输出电压幅值和频率可独立控制，输出频率可以高于、低于输入频率，理论上可以达到任意值； （2）在某些控制规律下，输入功率因数角能够灵活调节达到0.99以上，并可自由调节，可超前、滞后或调至接近于单位功率因数角； （3）采用四象限开关，可以实现能量双向流动； （4）没有中间储能环节，结构紧凑，效率高； （5）输入电流波形好，无低次谐波； （6）具有较强的可控性。 矩阵变换器的控制策略包括开关函数S的确定、实现和安全换流，开关函数的确定方法有直接变换法、空间矢量调制法[1]和滞环电流跟踪法，目前空间矢量调制法研究的比较成熟。在换流方法的研究上有四步法、三步法、两步法、软开关换流。 2、拓扑结构的发展 矩阵变换器的电路拓扑形式在1976年由L.Gyllglli提出。直到1979年，M.Venturini 和A.Alesina[7]首先提出了由9个功率开关组成的矩阵式交—交变换器结构，并指出矩阵式变换器的输入功率因素角是可以任意调节的，但后来发现这种变换器存在固有极限，最大电压增益为0.866，并且与控制算法无关。由于矩阵式变换器的主回路采用9个双向开关，还存在着双向开关的实现与保护问题，其难点在于开关换流时，既不能有死区又不能有交叠，否则，任何一种情况都将导致开关管的损坏。为了实现安全换流，N.Burany提出了一种四步换流策略，可实现半软开关换流。 2.1 拓扑结构 矩阵变换器最初提出时指的是M相输入变换到N相输出的一般化结构，因此曾被称为通

矩阵式变换技术

矩阵式变换技术 1、引言 随着电力电子技术的发展，电力电子器件从20世纪60年代的SCR（晶闸管）发展到HVIGBT（耐高压绝缘栅双极型晶体管）。继VVVF变频之后出现了矢量控制变频、直接转矩控制变频，其共同缺点是输入功率因数低，直流回路需要耐高压大容量的储能电容，再生能量不能回馈电网。矩阵式交—交变频能克服以上不足，近年来越来越受到人们的广泛关注。 与传统的交—直—交变频器和交—交变频器相比，矩阵式变频器有如下几方面的显著特点： （1）输出电压幅值和频率可独立控制，输出频率可以高于、低于输入频率，理论上可以达到任意值； （2）在某些控制规律下，输入功率因数角能够灵活调节达到0.99以上，并可自由调节，可超前、滞后或调至接近于单位功率因数角； （3）采用四象限开关，可以实现能量双向流动； （4）没有中间储能环节，结构紧凑，效率高； （5）输入电流波形好，无低次谐波； （6）具有较强的可控性。 矩阵变换器的控制策略包括开关函数S的确定、实现和安全换流，开关函数的确定方法有直接变换法、空间矢量调制法[1]和滞环电流跟踪法，目前空间矢量调制法研究的比较成熟。在换流方法的研究上有四步法、三步法、两步法、软开关换流。 2、拓扑结构的发展 矩阵变换器的电路拓扑形式在1976年由L.Gyllglli提出。直到1979年，M.Venturini和A.Alesina[7]首先提出了由9个功率开关组成的矩阵式交—交变换器结构，并指出矩阵式变换器的输入功率因素角是可以任意调节的，但后来发现这种变换器存在固有极限，最大电压增益为0.866，并且与控制算法无关。由于矩阵式变换器的主回路采用9个双向开关，还存在着双向开关的实现与保护问题，其难点在于开关换流时，既不能有死区又不能有交叠，否则，任何一种情况都将导致开关管的损坏。为了实现安全换流，N.Bu rany提出了一种四步换流策略，可实现半软开关换流。 2.1 拓扑结构 矩阵变换器最初提出时指的是M相输入变换到N相输出的一般化结构，因此曾被称为通用变换器。根据M、N取值的不同及输入输出端电源性质的不同，人们提出了许多拓扑结构 （1）由三相交流变换到两组直流，或者一组可变换极性的直流； （2）从三相交流变换到单相交流； （3）从单一直流变换到三相交流，也就是通常所说的逆变器； （4）由交流三相变换到交流三相，它的输入输出端之间采用双向开关互相连接，即9开关矩阵变换器，它是研究得最多的一种拓扑； （5）由交流三相变换到交流三相，但输入输出端之间采用3个全控桥进行连接，称为电压源型矩阵变换器。它的结构比9开关矩阵变换器复杂，但性能更优。 三相输入、三相输出的交—交矩阵变换器电路拓扑结构如图1所示。

矩阵式变频电路及变频器

矩阵式交---交变频器 姓名 摘要：本文介绍了矩阵式变频电路及变频器的工作原理和调制策略，文中遵循理论和实际相结合的原则，对变频器的工作原理和调制策略作了详细的分析。 关键词：变频、工作原理、调制策略 引言：随着电力电子技术的发展，电力电子器件从20世纪60年代的SCR（晶闸管）发展到HVIGBT（耐高压绝缘栅双极型晶体管）。继VVVF变频之后出现了矢量控制变频、直接转矩控制变频，其共同缺点是输入功率因数低，直流回路需要耐高压大容量的储能电容，再生能量不能回馈电网。矩阵式交—交变频能克服以上不足，近年来越来越受到人们的广泛关注。矩阵式变频器是一种交-交直接变频器，由九个直接接于三相输入和输出之间的开关阵组成。矩阵变换器没有中间直流环节，输出由三个电平组成，谐波含量比较小;其功率电路简单、紧凑，并可输出频率、幅值及相位可控的正弦负载电压;矩阵变换器的输入功率因数可控，可在四象限工作。 一、拓扑结构的发展 矩阵变换器的电路拓扑形式在1976年由L.Gyllglli提出。直到1979年，M.Venturini和A.Alesina[7]首先提出了由9个功率开关组成的矩阵式交—交变换器结构，并指出矩阵式变换器的输入功率因素角是可以任意调节的，但后来发现这种变换器存在固有极限，最大电压增益为0.866，并且与控制算法无关。由于矩阵式变换器的主回路采用9个双向开关，还存在着双向开关的实现与保护问题，其难点在于开关换流时，既不能有死区又不能有交叠，否则，任何一种情况都将导致开关管的损坏。为了实现安全换流，N.Burany提出了一种四步换流策略，可实现半软开关换流。 矩阵变换器最初提出时指的是M相输入变换到N相输出的一般化结构，因此曾被称为通用变换器。根据M、N取值的不同及输入输出端电源性质的不同，人们提出了许多拓扑结构 （1）由三相交流变换到两组直流，或者一组可变换极性的直流； （2）从三相交流变换到单相交流； （3）从单一直流变换到三相交流，也就是通常所说的逆变器； （4）由交流三相变换到交流三相，它的输入输出端之间采用双向开关互相连接，即9开关矩阵变换器，它是研究得最多的一种拓扑； （5）由交流三相变换到交流三相，但输入输出端之间采用3个全控桥进行连接，称为电压源型矩阵变换器。它的结构比9开关矩阵变换器复杂，但性能更优。 二、矩阵式变频电路的基本工作原理 （1）利用单相输入 u为 对单相交流电压us进行斩波控制，即进行PWM控制时，输出电压 o