一种矩阵整流电路的制作方法

本实用新型涉及电力电子技术领域。

背景技术：

随着“节能减排”和新能源的重视，电力变换器的地位越来越高，在更多的电力场合使用电力变换器，其中矩阵变换器(Matrix Converter)以其优点逐渐成为电力变换器研究领域的研究热点之一。矩阵变换器在持之以恒的深入研究过程中，适应电力电子行业的发展，逐渐演变多种拓扑结构。矩阵整流器正是由三相-三相矩阵变换器演化而来的三相AC-DC变换器，具有如下特点：三相交流输入、单相直流输出，或单相直流输入、三相交流输出，电能双向流动，正弦输入电流，高功率因数(功率因数可调)，不需要大容量的直流储能元件(大容量的电感和电容)。矩阵整流器拓扑结构图如图1所示。

目前，矩阵整流器主要采用电流空间矢量调制算法：电流空间矢量调制以磁链跟踪为目的。上桥臂三个开关为S11、S12、S13，下桥臂三个开关为S21、S22、S23。6个开关遵循原则：上桥臂三个开关同一时刻只能有一个导通，下桥臂三个开关同一时刻只能有一个导通，目的是为了防止三相输入电源两相或三相间短路。上下桥臂6个开关共有9种开关状态，1代表开，0代表关，如表1。

表1开关状态

输入电流矢量I可以由三相输入电流I_a、I_b、I_c通过Park变换得到，

I＝2(I_a+I_bρ+I_cρ²)/3，ρ＝e^j120° (1)

相应的三相输入电流空间矢量共有9种，现在以第一种为例，得到I_a、I_b、I_c，

I_a＝I_dc，I_b＝0，I_c＝-I_dc (2)

带入式(1)，得到I₁，

依次得出其余8种状态I₂、I₃、I₄、I₅、I₆、I₀₁、I₀₂、I₀₃，组成三相输入电流空间矢量图，如图2，其中，I₁、I₂、I₃、I₄、I₅、I₆为非零矢量，互相之前相差60^o，分为I、II、

III、IV、V、VI，6个区间，I₀₁、I₀₂、I₀₃为零矢量，I_Ref为目标电流，由9种电流空间矢量合成，如图2所示。

具体说明I_Ref如何合成，I_Ref在6个区间I、II、III、IV、V、VI中的一个，I_x、I_y为6个非零矢量中相邻的2个矢量，I₀为I₀₁、I₀₂、I₀₃中的零矢量，

I_Ref＝I_xT_x/T+I_yT_y/T+I₀T₀/T (4)

式中，T为充电模式下开关PWM的周期，T_x、T_y、T₀分别为在充电模式下开关PWM的周期内I_x、I_y和I₀的作用时间。

d_x＝T_x/T＝m*sin(π/3-θ)，

d_y＝T_y/T＝m*sin(θ)，

d₀＝T₀/T＝1-d_x-d_y，0≤m≤1 (5)

式中，d_x、d_y、d_x为I_x、I_y、I₀的占空比，m为调制系数。输出直流电压由相邻的2个线电压合成，其平均值U_dc，

U_dc＝1.5m^*U_m*cosθ (6)

式中，U_m为输入相电压峰值，图3为矢量合成图。

技术实现要素：

本实用新型为获得功能更多、性能更强、稳定性更高的矩阵整流电路，提供一种各个模块独立设计的矩阵整流电路，结构紧凑，模块整体协调优化。

本实用新型的矩阵整流电路，包括：(1)输入滤波器电路和输出滤波器电路，其中，输入滤波器电路的输入端用于与电网的三相交流连接，输入滤波器电路的输出端用于与主电路的输入端连接，输出滤波器电路的输入端用于与主电路的输出端连接，输出滤波器电路的输出端用于与负载连接；(2)输入电压检测电路、输出电压检测电路、输入电流检测电路和输出电压检测电路，其中，输入电压检测电路、输入电流检测电路均用于与电网的三相交流连接，输出电压检测电路、输出电流检测电路均用于与输出滤波器电路的输出端连接；(3)控制器、驱动保护电路和通讯电路，控制器分别与驱动保护电路、通讯电路连接，驱动保护电路用于驱动和保护主电路；且，控制器与输入电压检测电路、输入电流检测电路的输出端连接；且，控制器与输出电压检测电路、输出电流检测电路的输出端连接。

进一步的，矩阵整流电路还包括直流电源电路，所述直流电源电路用于为所述控制器、所述驱动保护电路和所述通讯电路提供工作电源。

进一步的，所述直流电源电路包括带有隔离功能的开关电源和DC-DC模块电源。

进一步的，所述输入电压检测电路包括用于采集输入相电压的霍尔电压传感器，且包括调理电路，调理电路包括第一级运放电路和第二级运放电路，霍尔电压传感器的输出信号依序经过第一级运放电路和第二级运放电路传输至控制器。

进一步的，所述霍尔电压传感器选用CHV-25P霍尔电压传感器。

进一步的，所述主电路采用逆阻IGBT作为开关器件。

进一步的，所述控制器包括共享地址线和数据线的DSP控制器和FPGA控制器。

进一步的，所述通讯电路包括串口通讯和以太网通讯。

进一步的，矩阵整流电路包括与所述通讯电路连接的触摸屏和服务器。

本实用新型的矩阵整流电路，提供了输入滤波器电路和输出滤波器电路，控制器与输入电压检测电路、输入电流检测电路的输出端连接；且控制器与输出电压检测电路、输出电流检测电路的输出端连接，因此，交流侧和直流侧的输入、输出都更加稳定；矩阵整流电路采用功能模块化设计，结构紧凑，模块整体协调优化，方便维护。

附图说明

图1为矩阵整流器拓扑结构图；

图2为矩阵整流器输入电流空间矢量图；

图3为矩阵整流器的合成矢量图；

图4为本实用新型的矩阵整流电路一个实施例的整体框图；

图5为图4所示的输入滤波器电路的一个实施例；

图6为图4所示的输出滤波器电路的一个实施例；

图7为图4所示的输入电压检测电路的一个实施例；

图8为图4所示的输出电压检测电路的一个实施例；

图9为图4所示的输入电流检测电路的一个实施例；

图10为图4所示的输出电流检测电路的一个实施例；

图11为图4所示的通讯电路的一个实施例；

图12为图4所示的主电路的开关器件的一个实施例；

图13为图4所示的驱动保护电路的一个实施例。

具体实施方式

本实用新型的矩阵整流电路由输入滤波器电路、输出滤波器电路、主电路、驱动保护电路、控制器(FPGA控制器+DSP控制器)、输入电压检测电路、输入电流检测电路、输出电压检测电路、输出电流检测电路、直流电源电路、通讯电路、触摸屏、服务器、负载组成，如图4。

关于输入滤波器电路，矩阵整流电路的滤波器电路设计需要遵循的原则：滤波器的截止频率要远低于矩阵整流器的开关频率，这里取区间滤波器从电网侧吸收的无功功率应该尽可能小；考虑矩阵整流器的整体设计，滤波器的体积和重量应该尽可能小；矩阵整流器在额定功率时，在滤波器的电感上的压降尽可能小，因此，设计滤波器的电感压降不超过3％，可得电感压降ΔU：

式中，U_i为电网侧输入电压，I_i为电网侧输入电流，ω为电网侧电压频率,L_i为滤波器的电感，计算可得输入电感L_i：

ΔU≤3％U_i

矩阵整流器主电路的电力电子器件，选择的开关频率为f＝10kHz，因此选择输入滤波器的电感L_i＝2mH，电容C_i＝22μF，如图5，为输入滤波器电路图。

关于输出滤波器电路，矩阵整流电路的主电路输出的直流电压，含有高次谐波，因此，需要在主电路和负载间加入输出滤波器电路。

根据滤波器的截止频率的计算公式：

式中，ω＝2πf_o，f_o为截止频率，L_o为滤波器的电感，C₀为滤波器的电容，计算可得输出滤波器的截止频率f_o：

根据滤波器电路设计需要遵循的原则：滤波器的截止频率要远低于矩阵整流器的开关频率，这里取1/5，因此选择输出滤波器的电感L₀＝5mH，电容C₀＝47μF，如图6，输出滤波器电路图。

关于输入电压检测电路，矩阵整流电路的输入电压检测电路采用霍尔电压传感器采集方案，选用CHV-25P霍尔电压传感器采集输入相电压。由于DSP控制器接受的直流电压为0-3.3V，因此，霍尔电压传感器的输出信号需要经过调理电路，最终传输至DSP控制器。调理电路由两级运放组成，选用LM258双运放芯片。第一级运放电路，输入信号跟随，增强信号的抗干扰能力，提高输入阻抗，第二级运放电路，抬升电压信号的电位，方便DSP控制器采样，如图7，为输入电压检测电路图。

关于输出电压检测电路，矩阵整流电路的输出电压检测电路采用霍尔电压传感器采集方案，选用CHV-25P霍尔电压传感器采集输出电压，如图8，输出电压检测电路图。

关于矩阵整流电路的输入电流检测电路，采用霍尔电流传感器采集方案，选用CHB-25NP霍尔电流传感器采集输入电流，如图9，输入电流检测电路图。

关于输出电流检测电路，矩阵整流电路的输出电流检测电路采用霍尔电流传感器采集方案，选用CHB-25NP霍尔电流传感器采集输入电流，如图10，输出电流检测电路图。

关于矩阵整流电路的通讯电路，包括串口通讯和以太网通讯。其中，串口RS232通讯，采用MAX3232芯片转换信号电平，可以和触摸屏进行串口通讯；使用ZNE-100TL芯片，可以将串口转换为以太网，可以和服务器进行以太网通讯，接口采用RJ45，如图11，通讯电路图。

关于矩阵整流电路的主电路，开关器件采用逆阻IGBT(IGBT with Reverse Blocking capability，RB-IGBT)，是一种双向可控开关器件，实现双向电流导通、双向电压阻断，能够很好地满足矩阵整流器出现在很多应用场合，RB-IGBT拓扑图如图12所示。

关于矩阵整流器的驱动保护电路，如图13所示，主要采用HCPL-316J，控制信号可以进行信号放大，成为驱动信号，用于开通RB-IGBT功率管。当功率开关管出现过流时，可以切断驱动信号，关掉RB-IGBT开关管，进行保护，并输出保护信号，无论驱动还是保护功率管，信号都可以隔离。

关于控制器，由DSP控制器和FPGA控制器组成，二者共享地址线和数据线，自定义通讯协议，实现数据互通共享。DSP控制器为TI公司的TMS320F28335，FPGA控制器为ALTERA公司的EP4CE6。DSP控制器主要负责采样和算法，FPGA控制器主要负责驱动和保护。

关于直流电源电路，由开关电源和DC-DC模块电源组成，均带有隔离功能。开关电源为LH40-40B24，DC-DC模块电源为WRA2415-3W、VRB2405-MP、B2424-XT、B2415-XT。

本实用新型的矩阵整流电路，当开关器件的开关频率较高时，需要的交流侧滤波器(即输入滤波器)和直流侧滤波器(即输出滤波器)的体积小，因此矩阵整流器整体体积小，结构紧凑，效率高，寿命长，动态响应快，可靠性高，功能模块化，能量密度高，方便维护。