[發(fā)明專利]一種降低矩陣變換器開關(guān)損耗的方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110143686.6
• 申請日: 2011-05-31
• 公開（公告）號: CN102195491A
• 公開（公告）日: 2011-09-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 何必;喬鳴忠;蔡巍;于飛;朱鵬;梁京輝
• 申請（專利權(quán)）人: 何必
• 主分類號: H02M5/22
• 分類號: H02M5/22;H02M5/275
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種降低矩陣變換器的開關(guān)損耗的方法。

背景技術(shù)

三相矩陣變換器由9個(gè)雙向功率開關(guān)按照3×3開關(guān)矩陣形式組合而成，如圖1所示。其中S_ij(i＝a，b，c；j＝A，B，C)表示一個(gè)雙向功率開關(guān)，每個(gè)雙向功率開關(guān)由兩個(gè)具有反并聯(lián)二極管的絕緣柵極雙級晶體管(IGBT)采用“共發(fā)射極”結(jié)構(gòu)構(gòu)成，也可以由兩個(gè)反并聯(lián)的逆阻型IGBT采用“共發(fā)射極”結(jié)構(gòu)構(gòu)成。矩陣變換器的輸入側(cè)為三相電網(wǎng)電壓，分別用u_a，u_b，u_c表示，在矩陣變換器和電網(wǎng)之間接有輸入濾波器。矩陣變換器的輸出側(cè)分別用A，B，C表示，通常接交流電機(jī)或者感性負(fù)載設(shè)備。通過對9個(gè)雙向功率開關(guān)通斷控制，可以實(shí)現(xiàn)幅值和頻率均可變化的輸出電壓。

9個(gè)雙向功率開關(guān)通斷變化可以產(chǎn)生27種開關(guān)狀態(tài)，通常用3個(gè)一組的字母表示。如：abb，表示矩陣變換器的輸出A相通過雙向功率開關(guān)S_aA與輸入a相連接，輸出B相通過雙向功率開關(guān)S_bB與輸入b相連接，輸出C相通過雙向功率開關(guān)S_bC與輸入b相連接。27個(gè)開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)產(chǎn)生24個(gè)有效矢量開關(guān)狀態(tài)和3個(gè)零矢量開關(guān)狀態(tài)。

根據(jù)空間矢量調(diào)制法的基本原理，由輸入電流矢量區(qū)間和期望輸出電壓矢量區(qū)間，可以確定每個(gè)調(diào)制周期中的4個(gè)有效矢量開關(guān)狀態(tài)、3個(gè)零矢量開關(guān)狀態(tài)以及相對應(yīng)的作用時(shí)間T₁、T₂、T₃、T₄、T₀₁、T₀₂、T₀₃，進(jìn)而控制9個(gè)雙向功率開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)對矩陣變換器的控制。其中，4個(gè)有效矢量開關(guān)狀態(tài)的調(diào)制順序按照開關(guān)切換次數(shù)最少來安排；而3個(gè)零矢量的選擇和調(diào)制順序可以根據(jù)消除窄脈沖的原則來安排。具體消除窄脈沖的原則可以參見林樺等人于2009年申請的專利(申請?zhí)?00910063082.3)“一種減小矩陣變換器窄脈沖現(xiàn)象的空間矢量調(diào)制方法”，該方法不屬于本發(fā)明的范圍。

矩陣變換器的輸出電壓矢量區(qū)間和輸入電流矢量區(qū)間的劃分如圖2所示。以輸出電壓矢量和輸入電流矢量均在1區(qū)間為例，采用雙邊調(diào)制時(shí)的調(diào)制順序?yàn)椋篵bb-abb-aab-aaa-aac-acc-ccc-acc-aac-aaa-aab-abb-bbb，如圖3a所示。7種開關(guān)狀態(tài)的作用時(shí)間之和為調(diào)制周期T_s，它們將整個(gè)T_s縱向切割。而當(dāng)矩陣變換器在每個(gè)調(diào)制周期T_s內(nèi)進(jìn)行開關(guān)狀態(tài)切換時(shí)，對于每一個(gè)輸出相來說，均是按照一定的規(guī)律按時(shí)段依次連接不同的輸入相電壓。從每個(gè)輸出相上看，輸出每相連接到輸入三相的順序均為u_b→u_a→u_c→u_a→u_b，只是每個(gè)輸出相連接輸入相的時(shí)間各不相同，這些時(shí)間為各個(gè)輸出相從橫向觀察的作用時(shí)間，T_aA、T_bA、T_cA、T_aB、T_bB、T_cB、T_aC、T_bC、T_cC，共計(jì)9個(gè)，如圖3b所示。

由于輸出電壓在輸入電壓之間選擇、切換，不可避免的會帶來開關(guān)損耗。半導(dǎo)體開關(guān)器件在開通和關(guān)斷過程中其集電極電壓、電流的升降過程是十分復(fù)雜的，在分析中通常近似地認(rèn)為按照線性規(guī)律變化。通常IGBT的開通和關(guān)斷損耗為其通態(tài)電流和斷態(tài)c-e極端電壓乘積的函數(shù)。在硬開關(guān)模式下，單管單次開通損耗能量E_on和關(guān)斷損耗能量E_off分別為：

E_on＝U_{ce_off}I_ont_on/2

E_off＝U_{ce_off}I_ont_off/2

上式中，U_{ce_off}分別為IGBT處于斷態(tài)時(shí)的電壓，I_on為IGBT處于通態(tài)時(shí)的電流，t_on和t_off分別為開通和關(guān)斷時(shí)間。