矩陣變換器的電壓型換流策略研究

張文勝 張軍 蘇冠敏

(1.海軍駐青島地區(qū)配套設(shè)備軍事代表室，山東省 青島市266044；2.上海91045部隊電工教研室，上海 200940;3.大連旅順口區(qū)91555部隊，遼寧省 大連市 116000)

1 引言

矩陣變換器(matrix converter，MC)由于換流困難等原因始終無法在大功率環(huán)境中得到應(yīng)用[1-3]，至今為止，國內(nèi)文獻中還沒有實現(xiàn)矩陣變換器大功率輸出的報道。針對MC的換流策略，國外學(xué)者已提出了多種方法，主要分為電流型換流策略和電壓型換流策略兩大類[4-6]。電流型換流策略方法實現(xiàn)簡單，但是小電流檢測十分困難，容易造成換流失敗。傳統(tǒng)的電壓型換流策略通過檢測輸入端電壓來控制換流過程，換流較為可靠，但是沒有考慮換區(qū)間時的情況。

本文受文獻[7]啟發(fā)，研制了一臺矩陣變換器原理樣機，針對傳統(tǒng)電流型換流策略和電壓型換流策略的缺點，在其基礎(chǔ)上提出了一種含過渡區(qū)間的電壓型兩步換流策略，使得MC的換流過程更為安全可靠。

2 基本6區(qū)間電壓型換流策略

基本6區(qū)間電壓型換流策略是在檢測輸入端電壓的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的換流策略，其控制思想是將輸入相電壓分成6個60°“S”型區(qū)間，每個區(qū)間內(nèi)三相輸入電壓可以分為高、中、低三檔（UP、UM、UN），然后在每個區(qū)間內(nèi)根據(jù)電壓高低進行相應(yīng)的換流操作，其區(qū)間劃分如圖1所示。

圖1 輸入相電壓區(qū)間

以單相輸出為例，根據(jù)輸入電壓劃分的三檔，將6個開關(guān)管的連接狀態(tài)分為3個穩(wěn)態(tài)（P、M、N）和3個暫態(tài)（PM、MN、NP），如圖2所示。在每個穩(wěn)態(tài)中，6只開關(guān)管有 2只作為電流通道雙向開通，2只作為輔助換流而開通，另2只關(guān)斷。

在由P狀態(tài)換流到M狀態(tài)的過程中，假設(shè)輸出電流Io＞0，首先硬關(guān)斷SP1使電流強迫換相至M相，即關(guān)閉一個目標(biāo)穩(wěn)態(tài)不需要的單向開關(guān)進入暫態(tài)PM，然后軟開通SM2進入M相穩(wěn)態(tài)，即觸發(fā)目標(biāo)穩(wěn)態(tài)應(yīng)該開通的開關(guān)管進入穩(wěn)態(tài)M，如圖3所示。因為穩(wěn)態(tài)之間的換流受區(qū)間內(nèi)UP＞UM＞UN的影響，6個開關(guān)管之間不會發(fā)生環(huán)流。這種換流法雖然穩(wěn)態(tài)期間多開通了兩個管子，但是兩步換流過程中始終只有一個開關(guān)管進行了硬開關(guān)操作，因此也稱作半自然換流，其開關(guān)損耗和電流型四步換流法相同，而開關(guān)次數(shù)卻有減少。

由上可知，若將電壓區(qū)間和區(qū)間內(nèi)的6個開關(guān)連接狀態(tài)結(jié)合起來可以得到如表1所示的6區(qū)間電壓型兩步換流開關(guān)規(guī)律表，該表將PMN狀態(tài)下的開關(guān)狀態(tài)直接映射到abc狀態(tài)下，以便系統(tǒng)直接對相應(yīng)的硬件進行操作，Sa1、Sa2等管的分布情況和PMN狀態(tài)類似。

3 過渡區(qū)間內(nèi)的換流狀態(tài)

傳統(tǒng)兩步電壓換流法一次換流最多只需開關(guān)兩次，操作簡單，換流可靠，解決了小電流時換流困難的情況。但是這種方法也存在臨界的情況，就是在6個區(qū)間兩兩切換的時候，勢必有兩個電壓很接近，處理不好會發(fā)生短路，如圖1中圓圈處所示。

圖2 電壓控制型換流法的換流狀態(tài)

圖3 P相到M相的換流過程

表1 6區(qū)間電壓型兩步換流開關(guān)規(guī)律表

首先分析UP和UM很接近的情況，當(dāng)處于臨界區(qū)域時，測量器件不敏感區(qū)分兩個電壓，這時實際的電壓可能會出現(xiàn)UP＜UM，由圖3可知，臨界區(qū)域若發(fā)生短路，電流流向依次經(jīng)過UM、SM1、SM2、SP2、SP1和UP形成回路；而UM和UN很接近時，若發(fā)生短路，電流流向依次經(jīng)過UN、SN1、SN2、SM2、SM1和UM形成回路。不論哪種短路情況，短路電流通道必須經(jīng)過兩個IGBT和兩個二極管，當(dāng)兩個電壓壓差超過總的正向電壓降時，短路就有可能發(fā)生。

一般來說總的正向電壓降為：Ufwd=2·(Ufwd_Diode+Ufwd_IGBT)，其值大約在8.6 V到10 V左右，若實際系統(tǒng)的輸入電壓稍有波動，便超過該閾值，造成輸入相短路。

為此對基本6區(qū)間換流策略進行了改進，在區(qū)間之間插入一定時間寬度的過渡區(qū)間，非過渡區(qū)間為正常區(qū)間，正常區(qū)間內(nèi)檢測電路能夠準(zhǔn)確區(qū)分輸入電壓；而過渡區(qū)間內(nèi)總有兩輸入相的電壓比較接近，而另一相的電壓遠大于或遠小于這兩相電壓，檢測電路不能準(zhǔn)確區(qū)分兩相電壓。

在過渡區(qū)間內(nèi)什么是安全的開關(guān)狀態(tài)是需要討論的問題。

首先，討論UP≈UM的情況，由于兩相電壓接近，檢測電路不能準(zhǔn)確的區(qū)分，所以選擇P狀態(tài)開通P相兩管的時候，不能開通M相中的任何一管，M狀態(tài)亦然，即電壓接近的兩相不能同時開通任意3管，否則可能會造成短路，如表2所示的P和M狀態(tài)；但UP≈UM時，可以開通電壓接近的兩相同一側(cè)的兩管，而不會導(dǎo)致短路，如表2所示的N狀態(tài)。

同理，可以解決UM≈UN的情況，過渡區(qū)間內(nèi)暫態(tài)的時間和正常區(qū)間的設(shè)置相同，一般可設(shè)置為2～4 μs，視開關(guān)器件特性而定。

由表2可以看出，在過渡區(qū)間內(nèi)，其主狀態(tài)可從正常區(qū)間稍作調(diào)整而來，電壓相差較大兩相之間的換流暫態(tài)也有對應(yīng)的狀態(tài)，而電壓接近兩相之間的換流暫態(tài)卻沒有合適的狀態(tài)與之對應(yīng)。實際工作中若在電壓接近的兩相之間發(fā)生換流，則會出現(xiàn)不可預(yù)知的后果，必須采取措施改進。

表 2 PMN狀態(tài)下正常區(qū)間和過渡區(qū)間開關(guān)規(guī)律表

表3 含有過渡區(qū)間的開關(guān)規(guī)律表

參考基本6區(qū)間換流策略的方法，結(jié)合電壓區(qū)間和區(qū)間內(nèi)的6個開關(guān)連接狀態(tài)，將PMN狀態(tài)下的正常區(qū)間和過渡區(qū)間開關(guān)狀態(tài)直接映射到abc狀態(tài)下，可得到表3，限于篇幅，表3只摘錄了一部分。

4 采用換序法實現(xiàn)電壓兩步換流策略

由前面可知，在過渡區(qū)間內(nèi)，實際工作中若在電壓接近的兩相之間發(fā)生換流，則會出現(xiàn)不可預(yù)知的后果，對此文獻[7]提出了幾種控制方法，主要有替代法、插入法和換序法。替代法會對輸入輸出波形有較大影響；插入法雖然簡單，但是插入的矢量會占用其它矢量的作用時間，對輸出波形也有一定的影響；相對來說換序法比較可行，但是該文獻對此方法描述不多，只是介紹了其原理，具體實現(xiàn)面臨很多問題。本文提出的方法基于換序法，并在其基礎(chǔ)上作了改進和完善。

假設(shè)a和b相接近，檢測電路不易區(qū)分，在一個開關(guān)周期內(nèi)，矩陣變換器的原調(diào)制策略需要將負載依次連接到a相，b相和c相，如圖4左圖所示。這就意味著負載電流需要先從a相換到電壓接近的b相，然后從b相換到c相，這樣電壓接近的a、b兩相之間可能會換流失敗。所謂換序法，就是將b相和c相導(dǎo)通的次序進行調(diào)換，負載電流將先從a相換到電壓相差較大c相，然后從c相換到與其電壓相差較大的b相，如圖4右圖所示。由于換序法只調(diào)整開關(guān)狀態(tài)的次序，只在壓差較大的兩相之間換流，避免了進入類似表3中無合適狀態(tài)的現(xiàn)象，其本質(zhì)上仍然是兩步換流，沒有增大開關(guān)損耗，因此輸入電流和輸出電壓波形依然保持為良好的正弦。

圖4 換序法的工作原理

矩陣變換器的換流策略和其調(diào)制策略密切相關(guān)，目前空間矢量調(diào)制技術(shù)已被視為是矩陣變換器非常重要的調(diào)制技術(shù)，有可能首先成為其實用調(diào)制技術(shù)。本文采用的換流策略是基于空間矢量調(diào)制技術(shù)的。表4為空間矢量調(diào)制法在不同輸入電流區(qū)間和輸出電壓區(qū)間下的矢量選擇表，限于篇幅，只摘錄一部分，其中αm、αn、βm、βn代表4個合成的矢量，0代表零矢量，3個字母表示輸入相和輸出相的連接狀態(tài)，如abb表示輸入a相和輸出A相連接，輸入b相和輸出B、C相均連接。

下面以在U2輸出電壓區(qū)間、I3輸入電流區(qū)間（U2-I3）的矢量為例來說明換序法實現(xiàn)的過程。

表4 空間矢量調(diào)制法的矢量選擇表

采用普通的空間矢量調(diào)制法，在一個開關(guān)周期內(nèi)的矢量變換順序為：

αm-αn-βm-βn-0-βn-βm-αn-αm，零矢量有aaa、bbb、ccc三種可選擇，以降低開關(guān)次數(shù)為目標(biāo)。

在U2-I3區(qū)間里，矢量的變換順序為：

bbc-cbc-bba-aba-aaa-aba-bba-cbc-bbc，開關(guān)次數(shù)為10次。

采用降低開關(guān)損耗的調(diào)制策略[15]，將αm和αn對調(diào)，矢量的變換順序可調(diào)整為：

cbc-bbc-bba-aba-aaa-aba-bba-bbc-cbc，開關(guān)次數(shù)降低為8次。

圖5 輸入電流區(qū)間和換流區(qū)間的關(guān)系

由圖5可知，在I3輸入電流區(qū)間內(nèi)存在換流III-IV過渡區(qū)間（即Ua≈Uc），因此必須禁止a相和c相之間換流，由于在I3輸入電流區(qū)間內(nèi)Ub＞Uc，Ub＞Ua，采用換序法應(yīng)該先換相至b相，然后再換至目標(biāo)相。這樣整個開關(guān)區(qū)間內(nèi)的矢量變換順序調(diào)整為：

cbc-bbc-bbb-bba-aba-bba-bbb-bbc-cbc，

或aba-bba-bbb-bbc-cbc-bbc-bbb-bba-aba，

開關(guān)次數(shù)也為最小次數(shù)8次。需要注意的是零矢量的位置再也不是放在調(diào)制順序的中間，而是被換到第3矢量的位置來避免接近兩相之間的換流，而且這種矢量變換的順序是唯一（逆序不算的話）和最優(yōu)的。

圖6 原理樣機的實驗波形

最終可以將這種換序法推廣到整個輸入輸出區(qū)間36種矢量選擇表，這36種各自唯一的變換順序通過將零矢量調(diào)整至第3矢量位置，不僅避免接近兩相之間的換流，而且開關(guān)次數(shù)也達到最小。

5 換流策略的實驗結(jié)果

為了驗證該換流策略的可行性和正確性，本文研制了一臺矩陣變換器原理樣機，同時進行了實驗測試。測試時輸入線電壓300 V、頻率50 Hz，輸出濾波器參數(shù)為1 mH電感和10 μF電容，阻性負載10 Ω。實驗時，輸出頻率25 Hz，輸出電流為8.8 A，輸出功率為2.3 kW，實驗波形如圖6所示。

從實驗結(jié)果可以看出，在300 V輸入和2.3 kW 功率輸出情況下，系統(tǒng)工作穩(wěn)定且沒有發(fā)生輸入相短路，說明該換流策略是可行的、正確的。

6 結(jié)論

本文在傳統(tǒng)的矩陣變換器電壓型兩步換流法的基礎(chǔ)上，提出了電壓型兩步換流策略。避免了電流型換流法小電流檢測困難的問題，解決了原來換流法換區(qū)間時容易短路的現(xiàn)象，完善了電壓型換流策略。功率實驗結(jié)果表明，該換流策略是可行的，提出的新型換流策略可以在大功率交－交電力變換中得到進一步推廣和應(yīng)用。

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