[發明專利]一種用于矩陣變換器的控制方法及其裝置

有效

• 申請號: 200710168370.6
• 申請日: 2007-11-16
• 公開（公告）號: CN101174798A
• 公開（公告）日: 2008-05-07
• 發明（設計）人: 林樺;何必;王興偉;佘宏武;熊松
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H02M5/293
• 分類號: H02M5/293;H02M5/297
• 代理公司: 華中科技大學專利中心
• 代理人: 曹葆青

技術領域

本發明屬于矩陣變換器控制技術，具體涉及一種用于矩陣變換器的控制方法及其裝置。該矩陣變換器具有按3×3開關矩陣形式排列的九個雙向功率開關，其雙向功率開關分別由兩個反向串聯的半導體開關組成。

背景技術

矩陣變換器是一種沒有中間回路的直接變換器。通過將雙向功率開關排列成3×3開關矩陣的形式，矩陣變換器的三個輸出相的每一相可分別與一個輸入相連接，每一個輸出相通過三個雙向功率開關分別與三個輸入相連接。通過控制各個雙向功率開關，能將給定的交流輸入直接轉換成不同電壓和不同頻率的交流輸出，并能得到正弦形的電網電流。

圖1詳細示出了三相矩陣變換器的拓撲結構圖。三相矩陣變換器1由九個雙向功率開關2按3×3開關矩陣形式構成，通過控制九個雙向功率開關2可以使輸出相A，B，C與任意一個期望的輸入相a，b，c直接連接。矩陣變換器的每個輸出相A或B或C通過三個雙向功率開關2與三相輸入a，b，c相連接，稱為3×1結構3。

在矩陣變換器中，雙向功率開關由兩個反向串聯的半導體開關構成。在中、小功率矩陣變換器中，選用具有一個反并聯二極管的絕緣柵極雙極晶體管(IGBT)作為此半導體開關。兩個反向串聯的半導體開關可采用“共發射極”或者“共集電極”的拓撲結構。通過分別控制兩個半導體開關，可以將電流路徑按某一方向接通，如果雙向功率開關中的兩個半導體開關同時受到控制，則可使電流向兩個方向流動，實現輸入相和輸出相之間的直接電連接。

圖2詳細示出了拓撲結構為“共發射極”的雙向功率開關2的電路圖。每個半導體開關S1和S2可以分別單獨控制。如果兩個半導體開關S1和S2同時驅動，則雙向功率開關2實現雙向導通；若僅驅動兩個半導體開關S1和S2中的一個，則雙向功率開關2實現單向導通。圖3示出了雙向開關2的電流方向與兩個半導體開關S1和S2狀態的對應關系。定義負載電流從輸入相流向輸出相為電流的正方向，則提供正向電流通道的半導體開關S1稱為順管，提供負向電流通道的半導體開關S2稱為逆管。

根據輸入電流的空間矢量和期望的輸出電壓的空間矢量，按照矩陣變換器的調制策略，可以確定在每個調制周期中九個雙向功率開關的開關狀態組合、開關狀態順序以及對應的開關時間常數。按此開關狀態順序和開關時間常數控制雙向功率開關，則在每個調制周期中可以獲得與期望電壓的平均值相同的輸出電壓。

當矩陣變換器的輸出相從一個輸入相切換到另一輸入相時，為了保證在換流過程中輸入相不短路以及輸出相不開路，必須嚴格規定雙向功率開關的換流步驟和順序。因此，雙向功率開關安全、可靠、快速的換流策略是矩陣變換器實用化的關鍵技術之一。許多文獻提出了各種換流策略，歸納起來可分為基于輸出電流方向的電流型換流策略和基于輸入相電壓相對大小關系的電壓型換流策略。其中，電壓型兩步換流策略具有換流過程快、開關損耗小、不受運行工況影響、結構簡單、成本較低等優點。

下面的討論只限于電壓型兩步換流策略。

依據各相輸入電壓的相對大小關系，在每個電壓周期內將輸入電壓分為I，II，III，IV，V，VI共6個區間，如圖4(a)所示。在每個區間內三相輸入電壓的相對大小關系始終保持不變。定義每個區間三相電壓中最高電壓為U_P，最高電壓相稱為P相；三相電壓中最低電壓為U_N，最低電壓相稱為N相；三相電壓中介于中間的電壓為U_M，中間電壓相稱為M相。三相輸入電壓在6個區間中的相互關系列在圖4(b)中。當輸出相與最高電壓相連接時稱為P狀態；當輸出相與最低電壓相連接時稱為N狀態；當輸出相與中間電壓相連接時稱為M狀態。

傳統的電壓型兩步換流策略定義：在P、M、N狀態時，每個3×1結構3中的三個雙向功率開關2需要開通四只半導體開關。即，除了2只半導體開關作為電流通道雙向開通外，高壓相的逆管和低壓相的順管作為輔助換流而開通。傳統的電壓型兩步換流策略還定義了換流過程中的三個暫態PM，MN，NP。P、M、N狀態以及PM，MN，NP暫態時，每個3×1結構中三個雙向功率開關狀態組合及換流策略如圖5所示。以P狀態為例，P相的2只半導體開關作為電流通道雙向開通，同時M相和N相的順管開通。從圖5可以看到，正是由于M、N相的2只半導體開關作為輔助換流而開通，當從P狀態換流到M狀態時，第一步關斷P相的順管(進入暫態PM)，第二步開通M相的逆管，僅需兩步便可從P狀態安全換流到M狀態。