专利名称：高频链矩阵式逆变器自适应换流一体化调控逻辑线路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及功率变换器调制控制方法的逻辑线路，特别涉及高频链矩阵式变 换器双向开关自适应安全换流一体化调控方法的逻辑线路，属电力电子功率变换器调制及 控制领域。
背景技术：
逆变器是一种把直流电能装换成交流电能的拓扑装置。高频链逆变器采用高频变 压器替代工频变压器克服了传统变压器的隔离应用的缺点。高频链矩阵式逆变器的变换过程有DC/HFAC/LFAC三种功率特征，其中，HFAC 高 频交流，LFAC 低频交流。可知此类逆变器中出现了 DC/AC即直流/交流逆变环节，该环节 位于变压器原边，又可知也出现了 AC/AC即交流/交流变换环节，该环节也常称为周波变换 器或矩阵变换器环节位于变压器副边。矩阵变换器与传统变换器相比，没有中间储能环节， 采用双向开关，可以实现能量的双向流动，结构紧凑、体积小、效率高，且输出电压幅值和频 率可以独立控制。针对高频链矩阵式逆变器为了获得正弦输出公知的调制控制方法中，通常采用脉 冲密度调制PDM、谐波选择消除控制及空间矢量调制等策略，实施这些方法时常需要专门的 换流用电流检测电路，以及为使实际系统中由于存在高频变压器且其漏感的存在不可避免 及忽略时，矩阵式变换器实现安全换流还需要配备额外的吸收电路、钳位电路及应用多步 换流策略等，从而使逆变器的调制和控制更为复杂使得整机效率的提升受限，导致了系统 可靠性降低以致影响了该类变换器的广泛推广使用。发明内容本实用新型的目的在于解决公知的高频链矩阵式变换器的调制及控制方法实现 复杂，不能简单有效解决双向开关安全换流问题，且有为了安全运行需要辅助的换流用检 测、钳位及吸收电路的缺点，提出能够简单而可靠地实现高频链矩阵式变换器自适应安全 换流的一体化调控方法的逻辑线路。本实用新型所采用的技术方案实施中包括PWM信息发生环节(1)、自适应安全换 流一体化逻辑处理电路( 及被控对象高频链矩阵式逆变器( 三部分。自适应安全换流一体化调控方法是，根据公知的适于经典逆变器的传统PWM控制 信号中零矢量的分布及其变化规律，通过一体化逻辑变换和处理后，可把零矢量的作用时 间和高频链矩阵式变换器前级的死区时间及后级矩阵式变换器零矢量状态相对应，当后级 矩阵变换器按照一体化逻辑电路提供的驱动信号以传统电压型变换器性质或者以传统电 流型变换器性质工作且进入零矢量状态时，前级逆变器工作在死区状态无高频交流电压输 出，同时，在此死区期间矩阵式变换器开关全部开通，从而在没有增加辅助电路和复杂算法 的情况下实现整个装置的安全换流。自适应安全换流一体化调控方法所涉及的核心逻辑处理是关于后级矩阵式变换器的驱动信号的合成逻辑变换，根据具体控制实施方案不同，一体化变换流程中为后级矩 阵变换器器件提供驱动信号的逻辑合成电路也分别为或门或者与门，如此可分别对应使后 级矩阵变换器可以按照传统电压型变换器性质或者以传统电流型变换器性质工作，而用于 两类逻辑门输入信号的生成逻辑电路以及前级变换器的驱动信号的逻辑获得电路则不分 是要求矩阵变换器按照传统电压型变换器性质或者以传统电流型变换器性质工作而具有 相同的逻辑电路构成。本实用新型的有益效果是通过对高频链矩阵式变换器实施自适应安全换流一体 化调控方法的逻辑线路的控制，既可以消除变压器漏感和负载电感因没有续流通路而引起 的换流问题，也可以在不增加辅助电路和复杂算法的情况下实现整个装置的安全换流，又 可以采用不同控制方案，使后级矩阵变换器可以按照传统电压型变换器性质或者以传统电 流型变换器性质工作，逆变器的调制和控制简单，既可模拟化也可数字化实现，实施方法灵 活过程简便，可有效提升整机效率和系统可靠性，有助于变换器的广泛推广，尤其适于新能 源和电机控制等领域使用。
图1为本实用新型所提及的高频链矩阵式逆变器举例。图2为本实用新型的自适应一体化调控方法系统原理框图。图3为本实用新型自适应一体化逻辑处理关于前级逆变器驱动信号的生成及为 后级驱动信号合成环节提供所需输入信号的逻辑电路举例。图4为获得前级驱动及选通控制信号Uptl5和Untl5的其它逻辑电路举例。图5为获取零矢量的其它逻辑电路举例。图6为有载波参与的获取带死区的前级逆变器驱动及Uptl5和Untl5的其它逻辑电路 举例。图7为本实用新型的自适应一体化逻辑处理关于后级矩阵式逆变器按照电压型 变换器性质控制时以A相桥臂为例所采用的驱动信号逻辑合成电路举例。图8为本实用新型的自适应一体化逻辑处理关于后级矩阵式逆变器按照电流型 变换器性质控制时以A相桥臂为例所采用的驱动信号逻辑合成电路举例。图9以波形图象方式对公知PWM信息及零矢量等信号的展示举例。图10以波形图象方式对前级逆变器驱动及Uptl5和Untl5等信号的展示举例。图11以波形图象方式对后级矩阵变换器等效电压型变换器性质控制以A相桥臂 为例的驱动等信号的展示举例。图12以波形图方式对后级矩阵变换器等效电流型变换器性质控制以A相桥臂为 例的驱动等信号的展示举例。图13以电路拓扑形式对后级矩阵式逆变器按照电压型变换器性质控制的举例。图14以电路拓扑形式对后级矩阵式逆变器按照电流型变换器性质控制的举例。
具体实施方式
图1为本实用新型所提及的高频链矩阵式逆变器举例。可见该高频链矩阵式逆变 器的变换过程有DC/HFAC/LFAC三种功率特征，其中，HFAC 高频交流，LFAC 低频交流，图中P和N所标示的是高频交流母线，a、b、c表示低频交流的输出。可知变换器中出现了 DC/AC 即直流/交流逆变环节，该环节位于变压器原边，又可知也出现了 AC/AC即交流/交流变换 环节，该环节也常称为周波变换器或矩阵变换器环节位于变压器副边。矩阵变换器与传统 变换器相比，没有中间储能环节，采用双向开关，可以实现能量的双向流动，结构紧凑、体积 小、效率高，且输出电压幅值和频率可以独立控制。本实用新型即公开能够简单而可靠地实 现高频链矩阵式变换器双向开关自适应安全换流的一体化调控方法的逻辑线路。图2为本实用新型的自适应一体化调控方法系统原理框图。由PWM信息发生环节 (1)、自适应安全换流一体化逻辑处理电路( 及被控对象高频链矩阵式逆变器C3)组成。 其中PWM信息发生环节产生的经典逆变器正弦输出用的PWM信息，并交由自适应安全换流 一体化逻辑电路进行信号变换和处理，所得用于高频链矩阵式逆变器的驱动控制信号可将 高频链电路等效控制成普通电压型或电流型逆变器，从而仅依靠经典逆变器正弦输出用的 PWM信息实现无专用换流检测、吸收电路和钳位电路时高频链矩阵式变换器的自适应安全 换流和正弦化交流输出。图3为本实用新型自适应一体化逻辑处理关于前级逆变器驱动信号的生成及为 后级驱动信号合成环节提供所需输入信号的逻辑电路举例。图中Uah、ubh、u。h是由经典逆变 器正弦输出用的PWM信息发生环节提供的具有公知特征的调制后脉冲信号，经过非门逻辑 电路变换后得到i^、uR、1^，对u^u^iu通过与门逻辑电路取与得到传统逆变器“000”状 态Ucicici信号，对uah、ubh, uch通过与门逻辑电路取与得到传统逆变器“ 111”状态U111，将Ucicici 和U111通过或门逻辑电路求或得到传统正弦化输出PWM控制时的零矢量信号u1(l。对Ultl通 过由D触发器构成的上升沿二分频电路和下降沿二分频电路进行分频工作，得到占宽比为 0. 5的两个信号S1和、，对这个信号通过非门求反得到两个信号&和S3，此四个信号可用 于高频变压器原边所接的前级高频逆变电路的移相控制。当前级逆变电路需要采用对角线 一致上下桥臂带死区的相位互补的驱动信号时，将S1和、以及&和&分别通过与门逻辑 电路处理后即可得到符合要求的驱动信号SAS4和&&S3。再分别对SAS4和进行逻辑 电路取非后得到两个适用于后级矩阵变换器驱动逻辑合成的选通控制信号Untl5和up(l5。该 逻辑电路功能实现无需载波信息。图4为获得前级驱动及选通控制信号Uptl5和Untl5的其它逻辑电路举例。该图提供 有关用于后级矩阵变换器驱动逻辑合成的选通控制信号Untl5和Uptl5的其它实现方式的逻辑 电路，可见其主要特色在于采用对uah、ubh, Uch进行或非处理并通过D触发器二分频后得到 S1,通过对1^、ubL, ucL或处理并通过D触发器二分频后得到、。该逻辑电路功能实现无需 载波信息。图5为获取零矢量Ultl的其它逻辑电路举例。该图提供有关得到传统正弦化输出 PWM控制时的零矢量信号Ultl信号的其它实现方式的逻辑电路，该电路既可以采用uah、ubh, u。h信号也可以采用ιιΛ、U1^Ucl信号作为输入，将经过对输入信号的或非逻辑电路处理所得 和对输入信号的与逻辑电路处理所得求或即可得到Ultl，可知无论采用uah、ubh、u。h信号还是 采用1!Λ、UbPlU信号作为输入两者在最终逻辑表达上具有一致性。该逻辑电路功能实现无 需载波信息。图6为有载波参与的获取带死区的前级逆变器驱动及Uptl5和Untl5的其它逻辑电路 举例。该图提供基于载波信息通过D触发器二分频方式生成前级逆变器驱动及Uptl5和Untl5的逻辑电路，图中u。 表示用于传统正弦化输出PWM控制时的载波信息，将对其二分频后的 信号及在对二分频信号通过逻辑电路取非后的信号，分别与零矢量信号Ultl通过逻辑电路 进行与运算可得到适合于前级逆变器使用的带死区特征的驱动信号SAS4和&&S3，当进一 步再进行逻辑电路非运算后还得到Uptl5和Untl5两个选通控制信号。图7为本实用新型的自适应一体化逻辑处理关于后级矩阵式逆变器按照电压型 变换器性质控制时以A相桥臂为例所采用的驱动信号逻辑合成电路举例。针对图1所示的 高频链矩阵式变换器举例的矩阵变换器环节的A相桥臂，将前述产生的uah、uaL, up05和Untl5 四个信号以组合的方式输入或门逻辑电路中，即可得到用于矩阵变换器环节A相桥臂的驱 动控制信号，有关逻辑变换的输入及输出关系是=Ual^nuntl5求或得到适合对应标号为器 件使用的控制信号，和Uptl5求或得到适合对应标号为Snal器件使用的控制信号，和Untl5 求或得到适合对应标号为Spal器件使用的控制信号，Ual^PUptl5求或得到适合对应标号为Snah 器件使用的控制信号。其它各相可依此类推，所用逻辑电路、组合方式及对应关系具有可类 比性。当应用此逻辑电路对矩阵变换器进行调制控制时，矩阵变换器等效具有传统电压型 变换器性质。可见逻辑简单实现方便。对应波形图象和电路拓扑可见图11和图13。图8为本实用新型的自适应一体化逻辑处理关于后级矩阵式逆变器按照电流型 变换器性质控制时以A相桥臂为例所采用的驱动信号逻辑合成电路举例。针对图1所示的 高频链矩阵式变换器举例的矩阵变换器环节的A相桥臂，以前述产生的uah、uaL, up05和Untl5 四个信号以组合的方式输入与门逻辑电路中，即可得到用于矩阵变换器环节A相桥臂的驱 动控制信号，有关逻辑变换的输入及输出关系是=Ual^nuntl5求与得到适合对应标号为器 件使用的控制信号，和Uptl5求与得到适合对应标号为Snal器件使用的控制信号，和Untl5 求与得到适合对应标号为Spal器件使用的控制信号，Ual^PUptl5求与得到适合对应标号为Snah 器件使用的控制信号。其它各相可依此类推，所用逻辑电路、组合方式及对应关系具有可类 比性。当应用此逻辑电路对矩阵变换器进行调制控制时，矩阵变换器等效具有传统电流型 变换器性质。可见逻辑简单实现方便。对应波形图象和电路拓扑可见图12和图14。图9以波形图象方式对公知PWM信息及零矢量等信号的展示举例。对于经典结 构的逆变器当期待其能正弦输出时常可采用PWM控制，该图从调制原理的角度展示公知的 SPWM控制时的PWM信息，采用矢量控制本质思想与此相同，所展示的信息包括载波u。 ，调uah、 Ubh、Uch、UaL、UbL 和 UcL， 以及通过逻辑电路求得的U000、Um禾口 u10。 图中各种波形和信号的位置关系均对应于一体化逻辑变换电路运算原则。图10以波形图象方式对前级逆变器驱动及Uptl5和Untl5等信号的展示举例。该图 各种信号的位置关系都对应于一体化逻辑变换电路运算原则。该图展示的信号包括零矢量 Ultl，前级逆变移相控制信号S1及、，前级逆变器上下桥臂带死区互补对角线一致特征的控 制信号S1^4及，当这两类信号作用时对应到传统逆变器正弦输出用的PWM信息的非 零矢量时刻，前级高频逆变器处于电压输出状态，对应到传统逆变器正弦输出用的PWM信 息的零矢量时刻，前级高频逆变器处于无电压输出的状态。还展示了用于作为后级矩阵式 变换器驱动信号逻辑合成电路的输入选通控制的Untl5及up(l5。图11波形图方式对后级矩阵变换器等效电压型变换器性质控制以A相桥臂为例 的驱动等信号的展示举例。该图对应于图7或门逻辑电路作用时后级矩阵变换器A相桥臂 的四个开关器件的驱动信号波形。可见矩阵变换器任意功率开关的驱动信号波形是在调制波周期内以高频和低频脉冲相间的具有混合脉宽调制HPWM波形信号特征，工作中对应到 传统逆变器正弦输出用的PWM信息的非零矢量时刻，电压型变流器调制型驱动信号实现后 级矩阵式变换器任一相桥臂的四个器件的驱动信号的电平仅有一个处于低电平，其余三个 均为高电平。对应到传统逆变器正弦输出用的PWM信息的零矢量时刻，后级矩阵式变换器 侧所有开关的驱动信号为高电平。图12波形图方式对后级矩阵变换器等效电流型变换器性质控制以A相桥臂为例 的驱动等信号的展示举例。该图对应于图8与门逻辑电路作用时后级矩阵变换器A相桥臂 的四个开关器件的驱动信号波形。可见矩阵变换器任意功率开关的驱动信号波形的开关频 率是和前级逆变器的频率同频，工作中对应到传统逆变器正弦输出用的PWM信息的非零矢 量时刻，电流型变流器调制型驱动信号实现矩阵式变换器任一相桥臂的后级矩阵式变换器 任一桥臂的四个开关的驱动信号的电平仅有一个处于高电平，其余三个均为低电平。对应 到传统逆变器正弦输出用的PWM信息的零矢量时间，任意时刻均有两个开关的驱动信号电 平为高另外两个电平为低，即实现要么和输出相相连的开关同时导通，要么和交流母线P、N 相连的开关同时导通，前者和后者的导通时间之和等于零矢量的作用时间。图13以电路拓扑形式对后级矩阵式逆变器按照电压型变换器性质控制的举例。 此图对应于图7所示的或逻辑电路和图11所示的波形图象，该图采用电路拓扑的方式给出 图1所示P和N高频交流母线至a、b、c低频交流输出间的矩阵式变换器，展示了按照电压 型变换器性质控制时矩阵式变换器的工作形式，图中1^和11 表示前级逆变器的输出通过高 频变压器传递到交流母线P和N端的高频交流波形，此两者和Untl5及Uptl5同频同步。其中实 线所示部分及虚线所示部分分别组成两个具有普通意义的经典的电压型PWM变换器，当采 用或逻辑接受Untl5和Uptl5控制时，两个变换器交替工作，使得由双向开关组成的矩阵式变换 器工作模式和输出等效具有传统电压型PWM变换器的工作性质。图14以电路拓扑形式对后级矩阵式逆变器按照电流型变换器性质控制的举例。 此图对应于图8所示的或逻辑电路和图12所示的波形图象，该图采用电路拓扑的方式给出 图1所示P和N高频交流母线至a、b、c低频交流输出间的矩阵式变换器，展示了按照电流 型变换器性质控制时矩阵式变换器的工作形式，图中1^和11 表示前级逆变器的输出通过高 频变压器传递到交流母线P和N端的高频交流波形，此两者和Untl5及Uptl5同频同步。其中实 线所示部分及虚线所示部分分别组成两个具有普通意义的经典的电流型PWM变换器，当采 用或逻辑接受Untl5和Uptl5控制时，两个变换器交替工作，使得由双向开关组成的矩阵式变换 器工作模式和输出等效具有传统电流型PWM变换器的工作性质。
权利要求1.权利要求1、高频链矩阵式逆变器自适应换流一体化调控逻辑线路，用于解决高频 链矩阵式逆变器实现安全换流时调制控制信号的生成及处理，其特征在于无需换流用电 流检测及钳位电路环节，仅需将具有公知特点的适于传统逆变器正弦输出用的PWM信息输 入给自适应一体化逻辑处理电路，即得到系统的高频链矩阵式逆变器变压器原边即前级高 频逆变电路的开关控制信号和高频链矩阵式逆变器变压器副边即后级矩阵式变换器的开 关控制信号，所得信号控制高频链矩阵式逆变器实现无换流检测环节的安全自适应换流， 逻辑线路由与门、或门、非门、与非门、或非门电路构成，逻辑线路位于公知的传统逆变器正 弦输出控制用PWM信号发生环节，和作为被控对象的高频链矩阵式变换器之间，当为后级 提供驱动信号的逻辑电路采用或门或者与门结构时，后级矩阵式变换器以传统电压型变换 器性质或者以传统电流型变换器性质工作。
专利摘要本实用新型公开高频链矩阵式逆变器自适应换流一体化调控逻辑线路，属于电力电子功率变换器调制及控制领域。由PWM信息发生环节(1)、自适应安全换流一体化逻辑处理电路(2)及被控对象高频链矩阵式逆变器(3)组成。PWM信息发生环节所产生的经典逆变器正弦输出用的PWM信息通过自适应安全换流一体化方法的逻辑进行处理，将高频链电路控制成普通电压型或电流型逆变器，得到用于高频链矩阵式逆变器的驱动控制信号，实现能量双向流动和四象限运行。优点在于，系统工作状态明确，调制复杂度低，原理简单易实现，且无需传统调制控制用的换流电流检测和辅助电路自适应实现系统安全换流。在新能源发电和电机调速等领域有广阔应用前景。
文档编号H02M7/537GK201839222SQ20092025512
公开日2011年5月18日 申请日期2009年12月9日 优先权日2009年12月9日
发明者张微, 李向丽, 贾民立, 邬伟扬, 郑颖楠, 闫朝阳, 顾和荣 申请人:燕山大学