单相高频链矩阵式整流器的新型单极性倍频SPWM调制方法与流程

本发明涉及电力电子矩阵变换器调制及控制领域，特别是针对于单相电流型高频链矩阵式整流器的调制方法。

背景技术：

矩阵整流器是由AC-AC矩阵式变换器演化而来，相比较传统整流器和双向整流器，它具有输入电流为标准正弦，输入侧可实现单位功率因数，不需要大容量储能元件，只需要在输入输出侧加上滤除高次谐波的小容量滤波器即可，体积小，重量轻等优点。高频链整流器采用高频变压器替代工频变压器克服了传统变压器体积大、噪声大、成本高等缺点。高频链矩阵式变换器吸取了高频链和矩阵式变换器所具有的优点，是两者的融合体。矩阵整流器与传统整流器相比，没有中间储能环节，结构紧凑、体积小、效率高，采用双向开关，可以实现能量的双向流动，且输出电压幅值和频率可以独立控制。

由于高频变压器漏感的存在，高频链矩阵式变换器换流时，在变压器副边矩阵变换器的开关管上会引起较大的电压过冲，因此矩阵变换器的安全换流一直是制约高频链变换器实现大范围推广的技术难点。常见的换流策略有四步换流策略、基于变换器输入侧线电压极性的两步换流策略，以及基于变换器输入侧线电压极性和负载电流方向的一步换流策略。

然而，上述策略虽然能够实现安全换流，但造成矩阵变换器的调制和控制较为复杂，并且换流不自然、开关损耗大、输出电压波形质量较差。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种控制简单、自然换流、开关损耗小、有较好的输出电压波形质量的单极倍频SPWM电流型解结耦调制方法。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明中涉及的单相高频链矩阵式变换器是由交流输入电压U_s、LC输入滤波器、矩阵变换器、高频变压器T、后级不控二极管整流桥、L型滤波器、电阻R_dc依次连接构成；其中，LC输入滤波器由电感L_f、电阻R_s和电容C_f组成；矩阵式变换器由可控开关管S_pah、可控开关管S_pal、可控开关管S_pbh、可控开关管S_pbl、可控开关管S_nah、可控开关管S_nal、可控开关管S_nbh、可控开关管S_nbl组成；后级不控二极管整流桥由二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃、二极管D₄组成；L型滤波器为电感L_dc；

交流输入电压U_s的一端与电感L_f的一端连接，电感L_f的另一端与电阻R_s的一端连接，电阻R_s的另一端分别与电容C_f一端、可控开关管S_pah集电极、可控开关管S_nah集电极连接；

交流输入电压U_s的另一端分别与电容C_f另一端、可控开关管S_nbh集电极、可控开关管S_pbh集电极连接；

可控开关管S_pah的发射极与可控开关管S_nal发射极连接，可控开关管S_nal集电极分别与可控开关管S_nbl集电极、高频变压器T左侧绕组顶端连接，可控开关管S_nbl发射极与可控开关管S_pbh发射极连接；

可控开关管S_nah发射极与可控开关管S_pal发射极连接，可控开关管S_pal集电极分别与可控开关管S_pbl集电极、高频变压器T左侧绕组底端连接，可控开关管S_pbl发射极与可控开关管S_nbh发射极连接；

高频变压器T右侧绕组顶端与二极管D₁阳极、二极管D₂阴极连接；高频变压器T右侧绕组底端与二极管D₃阳极、二极管D₄阴极连接；二极管D₁阴极分别与二极管D₃阴极、电感L_dc一端连接；二极管D₂阳极分别与二极管D₄阳极、电阻R_dc一端连接；电阻R_dc另一端与电感L_dc另一端连接；

所述调制方法是将两个正负的50HZ正弦调制波与同一个三角载波信号进行比较，调制生成四个SPWM波，再进行结耦，即与高频方波信号Vp和Vn进行“与”逻辑合成后得到八路驱动波，再进行“或”逻辑合成得到四路S_ah、S_al、S_bh、S_bl驱动波，即S_nal和S_pah共用一个驱动信号S_ah，S_nah和S_pal共用一个驱动信号S_al，S_nbl和S_pbh共用一个驱动信号S_bh，S_nbh和S_pbl共用一个驱动信号S_bl。交流输入电压U_s的一端与电感L_f的一端连接，电感L_f的另一端与电阻R_s的一端连接，电阻R_s的另一端分别与电容C_f一端、可控开关管S_pah集电极、可控开关管S_nah集电极连接；

交流输入电压U_s的另一端分别与电容C_f另一端、可控开关管S_nbh集电极、可控开关管S_pbh集电极连接；

可控开关管S_pah的发射极与可控开关管S_nal发射极连接，可控开关管S_nal集电极分别与可控开关管S_nbl集电极、高频变压器T左侧绕组顶端连接，可控开关管S_nbl发射极与可控开关管S_pbh发射极连接；

可控开关管S_nah发射极与可控开关管S_pal发射极连接，可控开关管S_pal集电极分别与可控开关管S_pbl集电极、高频变压器T左侧绕组底端连接，可控开关管S_pbl发射极与可控开关管S_nbh发射极连接；

高频变压器T右侧绕组顶端与二极管D₁阳极、二极管D₂阴极连接；高频变压器T右侧绕组底端与二极管D₃阳极、二极管D₄阴极连接；二极管D₁阴极分别与二极管D₃阴极、电感L_dc一端连接；二极管D₂阳极分别与二极管D₄阳极、电阻R_dc一端连接；电阻R_dc另一端与电感L_dc另一端连接；

所述调制方法是将两个正负的50HZ正弦调制波与同一个三角载波信号进行比较，调制生成四个SPWM波，再进行结耦，即与高频方波信号Vp和Vn进行“与”逻辑合成后得到八路驱动波，再进行“或”逻辑合成得到四路S_ah、S_al、S_bh、S_bl驱动波，即S_nal和S_pah共用一个驱动信号S_ah，S_nah和S_pal共用一个驱动信号S_al，S_nbl和S_pbh共用一个驱动信号S_bh，S_nbh和S_pbl共用一个驱动信号S_bl。

本发明所述调制方法是将两个正负的50HZ正弦调制波与同一个三角载波信号进行比较，调制生成四个SPWM波，再进行结耦，即与高频方波信号Vp和Vn进行“与”逻辑合成后得到八路驱动波，再进行“或”逻辑合成得到四路S_ah、S_al、S_bh、S_bl驱动波，即S_nal和S_pah共用一个驱动信号S_ah，S_nah和S_pal共用一个驱动信号S_al，S_nbl和S_pbh共用一个驱动信号S_bh，S_nbh和S_pbl共用一个驱动信号S_bl。

进一步的，单相高频链矩阵式变换器可以解耦成两个方向相反的普通电流型整流器，即正组和反组整流器；正组整流器工作时可控开关管S_pah、S_pal、S_pbh、S_pbl动作，相当于反组整流器开关管处于关断状态；反组整流器工作时可控开关管S_nah、S_nal、S_nbh、S_nbl动作，相当于正组整流器开关管处于关断状态。

与现有技术相比，本发明方法具有如下优点：

1、可以实现单相高频链整流器网侧电流正弦化、单位功率因数以及输出大范围的直流电压。

2、实现单相高频链矩阵整流器前级矩阵变换器开关管的安全换流，使变压器的漏感能量得到释放，消除了因漏感电流的存在变压器产生的电压尖峰，减小了开关损耗。

3、调制方法谐波抑制能力强，输出的电压脉动频率是单极性频率不加倍调制方式下电压脉动频率的2倍，但是开关管的频率并不加倍，因此开关管的损耗并没有增加，有效改善了输出电压波形质量。

4、通过单极倍频SPWM调制进行简单的“与或”逻辑合成去驱动开关管，控制方式简单易于实现、改善了系统性能、提高了整机效率。

附图说明

图1为本发明所用单相电流型高频链矩阵式整流器电路拓扑图。

图2为单相电流型高频链矩阵式整流器解耦图。

图3为本发明方法的系统原理框图。

图4为单相电流型单极倍频解结耦SPWM“与或”逻辑的驱动信号生成图。

图5为单相单极倍频SPWM“与或”逻辑电流型解结耦的调制原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示，为本发明方法的拓扑结构图，单相高频链矩阵式变换器由交流输入电压U_s、LC输入滤波器、矩阵变换器、高频变压器T、后级不控二极管整流桥、L型滤波器、电阻R_dc依次连接构成；其中，LC输入滤波器由电感L_f、电阻R_s和电容C_f组成；矩阵式变换器由可控开关管S_pah、可控开关管S_pal、可控开关管S_pbh、可控开关管S_pbl、可控开关管S_nah、可控开关管S_nal、可控开关管S_nbh、可控开关管S_nbl组成；后级不控二极管整流桥由二极管D₁、二极管D₂、二极管D₃、二极管D₄组成；L型滤波器为电感L_dc；

交流输入电压U_s的一端与电感L_f的一端连接，电感L_f的另一端与电阻R_s的一端连接，电阻R_s的另一端分别与电容C_f一端、可控开关管S_pah集电极、可控开关管S_nah集电极连接；

交流输入电压U_s的另一端分别与电容C_f另一端、可控开关管S_nbh集电极、可控开关管S_pbh集电极连接；

可控开关管S_pah的发射极与可控开关管S_nal发射极连接，可控开关管S_nal集电极分别与可控开关管S_nbl集电极、高频变压器T左侧绕组顶端连接，可控开关管S_nbl发射极与可控开关管S_pbh发射极连接；

可控开关管S_nah发射极与可控开关管S_pal发射极连接，可控开关管S_pal集电极分别与可控开关管S_pbl集电极、高频变压器T左侧绕组底端连接，可控开关管S_pbl发射极与可控开关管S_nbh发射极连接；

高频变压器T右侧绕组顶端与二极管D₁阳极、二极管D₂阴极连接；高频变压器T右侧绕组底端与二极管D₃阳极、二极管D₄阴极连接；二极管D₁阴极分别与二极管D₃阴极、电感L_dc一端连接；二极管D₂阳极分别与二极管D₄阳极、电阻R_dc一端连接；电阻R_dc另一端与电感L_dc另一端连接。

如图2所示，为本发明的单相电流型高频链矩阵整流器解耦示意图，根据单极倍频SPWM“与或”逻辑的电流型解结耦调制原理，将单相高频链矩阵式变换器解耦成两个方向相反的普通电流型整流器，即正组和反组整流器；正组整流器工作时可控开关管S_pah、S_pal、S_pbh、S_pbl动作，相当于反组整流器开关管处于关断状态；反组整流器工作时可控开关管S_nah、S_nal、S_nbh、S_nbl动作，相当于正组整流器开关管处于关断状态

如图3所示，为单极倍频SPWM“与或”逻辑电流型解结耦的系统原理框图，如图包括三个部分，第一部分为单极倍频SPWM信号的产生部分，两个频率为50HZ的正弦调制信号与三角载波信号比较产生；第二部分为驱动开关管信号的产生部分，产生的四路SPWM信号和高频方波信号V_p、V_n进行“与或”逻辑结耦合成后生成四个驱动信号；第三部分为前级矩阵变换器，生成的四路驱动信号去驱动矩阵变换器两个桥臂的八个开关管。

如图4所示，单相电流型单极倍频解结耦SPWM“与或”逻辑的生成图。载波为三角波，调制波为50HZ正弦波，经过如图所示的比较后生成四个SPWM驱动波，再与高频方波V_p、V_n进行“与”逻辑合成得到八个驱动波S_pah、S_pal、S_pbh、S_pbl、S_nah、S_nal、S_nbh、S_nbl随后再进行“或”逻辑合成，即S_nal和S_pah共用一个驱动信号S_ah，S_nah和S_pal共用一个驱动信号S_al，S_nbl和S_pbh共用一个驱动信号S_bh，S_nbh和S_pbl共用一个驱动信号S_bl。这样再进行开关管换流时，不用切换驱动信号，同时也消除了因变压器漏感电流存在而产生的变压器电压尖峰。

如图5所示，为单相电流型单极倍频SPWM“与或”逻辑解结耦的调制原理图。根据单极倍频SPWM解结耦的驱动逻辑，可以得到如图所示原理图，其中U_c为高频的三角载波，U_e1为正的正弦调制波，U_e2为负的正弦调制波，通过U_e1与U_c的比较得到SPWM1、SPWM2,U_e2与U_c的比较得到SPWM3、SPWM4；四路SPWM波再与互补的高频方波V_p、V_n先进行“与”逻辑再进行“或”逻辑最后得到四路驱动波S_ah、S_al、S_bh、S_bl，其中高频方波的频率为载波频率的一半；高频变压器原边电压波形up通过矩阵变换器变为双极性三态的PWM波。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。