三相三电平高频链矩阵式整流器拓扑及其调制方法与流程

本发明涉及电力电子功率变换器拓扑及调制领域，尤其是三相三电平高频链矩阵式整流器拓扑及其调制方法。

背景技术：

整流器是一种把交流电能转换成直流电能的拓扑装置。高频链整流技术与常规整流技术的最大不同在于其利用高频变压器替代工频变压器实现能量传递及输入与输出的电气隔离，从而减小了变压器的体积、重量和噪声，降低了成本，提高了电能利用率，改善了整流器的工作特性。

高频链矩阵式整流器在矩阵变换器拓扑的基础上加入了高频变压器和后级桥式整流电路，可以实现网侧单位功率因数，恒定的直流电压输出和交流电流正弦化，能量可双向流动，有利于实现系统的高频化、轻量化，并且具有pwm整流器的优点，即解决了采用二极管的不控整流和采用晶闸管的相控整流所造成的电网无功和谐波污染。同时，由于矩阵式变换器使用双向开关代替了传统单向开关，使其可独立控制电压的频率和幅值。但大多数的高频链矩阵式整流器属于两电平整流电路，其整流输出波形的谐波含量较大，波形质量还需要进一步的提高。这影响了该类变换器的进一步应用。

技术实现要素：

本发明提供了一种三相三电平高频链矩阵式整流器拓扑及其调制方法。旨在在具有可输出正负电压，高功率密度，减小输入电流谐波含量等优点的电压型三相高频链矩阵式整流器拓扑基础上，引入更多的开关管，使其构成三相三电平高频链矩阵式整流器拓扑。然后采用二极管中点钳位型三电平结构，并用可控开关管代替传统中二极管中点钳位型三电平结构中的中点钳位二极管和直流输入侧钳位电容，并引入到高频链矩阵式整流器中；由于其可以输出电平有正、负、零三种状态，使得交流输出具有更好地正弦度以及更高的功率因数；二极管中点钳位型三电平结构的引用如并改进，消除钳位电容的损耗，降低了开关器件的电压应力，拓展了其应用范围，使控制方法更灵活。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：三相三电平高频链矩阵式整流器拓扑，包括电源网络和整流环节；其特征在于：还包括输入端与电源网络电连接，输出端与整流环节电连接的三相三电平矩阵式变换器；所述三相三电平矩阵式变换器的每一相包括四组双向开关单元，所述双向开关单元为共发射极反串联结构；所述三相三电平矩阵变换器还设置用双向开关单元分别替代中点钳位二极管、中点钳位电容的三电平结构。

进一步技术方案在于，所述电源网络为三相电源，其在每一相的输出端依次串联线路阻抗、输入滤波电感后电连接三相三电平矩阵变换器。

进一步技术方案在于，所述整流环节采用桥式整流。

进一步技术方案在于，在三相三电平矩阵式变换器与整流环节之间串接高频变压器；所述高频变压器t原边与三相三电平矩阵式变换器输出端连接，t副边与整流环节输入端连接。

进一步技术方案在于，在所述电源网络中，三相电网电压ea的正极与线路阻抗r1相连；三相电网电压eb的正极与线路阻抗r2相连；三相电网电压ec的正极与线路阻抗r3相连；线路阻抗r1与网侧输入滤波电感l1的一端相连；线路阻抗r2与网侧输入滤波电感l2的一端相连；线路阻抗r3与网侧输入滤波电感l3的一端相连；三相电网电压ea、eb、ec的负极相连。

进一步技术方案在于，所述双向开关单元为两个可控开关管发射极相连。

进一步技术方案在于，在所述三相三电平矩阵式变换器中，可控开关管sb13的集电极以及可控开关管sa13的集电极均与电源网络的a输出端相连；可控开关管sb23的集电极以及可控开关管sa23的集电极均与电源网络的b输出端相连；可控开关管sb33的集电极以及可控开关管sa33的集电极均与电源网络的c输出端相连；可控开关管sa11的发射极与可控开关管sb14的发射极相连，可控开关管sa21的发射极与可控开关管sb24的发射极相连，可控开关管sa31的发射极与可控开关管sb34的发射极相连，可控开关管sa11的集电极、可控开关管sa21的集电极以及可控开关管sa31的集电极相连作为三相三电平矩阵式变换器输出端的一个接线端；可控开关管sa14的发射极与可控开关管sb11的发射极相连，可控开关管sa24的发射极与可控开关管sb21的发射极相连，可控开关管sa34的发射极与可控开关管sb31的发射极相连，可控开关管sb11的集电极、可控开关管sb21的集电极以及可控开关管sb31的集电极相连作为三相三电平矩阵式变换器输出端的另一个接线端；可控开关管sa12的发射极与可控开关管sb13的发射极相连，可控开关管sa12的集电极与可控开关管sb14的集电极相连；可控开关管sa22的发射极与可控开关管sb23的发射极相连，可控开关管sa22的集电极与可控开关管sb24的集电极相连；可控开关管sa32的发射极与可控开关管sb33的发射极相连，可控开关管sa32的集电极与可控开关管sb34的集电极相连；可控开关管sa13的发射极与可控开关管sb12的发射极相连，可控开关管sb12的集电极与可控开关管sa14的集电极相连；可控开关管sa23的发射极与可控开关管sb22的发射极相连，可控开关管sb22的集电极与可控开关管sa24的集电极相连；可控开关管sa33的发射极与可控开关管sb32的发射极相连，可控开关管sb32的集电极与可控开关管sa34的集电极相连；可控开关管sb13的集电极与可控开关管sa13的集电极相连；可控开关管sb23的集电极与可控开关管sa23的集电极相连；可控开关管sb33的集电极与可控开关管sa33的集电极相连；

在用双向开关单元分别替代中点钳位二极管、中点钳位电容的三电平结构中，可控开关管aa的发射极与可控开关管ba的发射极相连，可控开关管aa的集电极与三相三电平矩阵式变换器输出端的一个接线端相连；可控开关管ab的发射极与可控开关管bb的发射极相连，可控开关管bb的集电极与三相三电平矩阵式变换器输出端的另一个接线端相连；

可控开关管sa1的集电极分别与可控开关管sa12的集电极、可控开关管sb14的集电极相连；可控开关管sb1的集电极分别与可控开关管sa22的集电极、可控开关管sb24的集电极相连；可控开关管sc1的集电极分别与可控开关管sa32的集电极、可控开关管sb34的集电极相连；可控开关管sa4的集电极分别与可控开关管sb12的集电极、可控开关管sa14的集电极相连；可控开关管sb4的集电极分别与可控开关管sb22的集电极、可控开关管sa24的集电极相连；可控开关管sc4的集电极分别与可控开关管sb32的集电极、可控开关管sa34的集电极相连；可控开关管sa1的发射极与可控开关管sa2的发射极相连；可控开关管sa3的发射极与可控开关管sa4的发射极相连；可控开关管sb1的发射极与可控开关管sb2的发射极相连；可控开关管sb3的发射极与可控开关管sb4的发射极相连；可控开关管sc1的发射极与可控开关管sc2的发射极相连；可控开关管sc3的发射极与可控开关管sc4的发射极相连；可控开关管sa2的集电极与可控开关管sa3的集电极、可控开关管sb2的集电极、可控开关管sb3的集电极、可控开关管sc2的集电极、可控开关管sc3的集电极、可控开关管ba的集电极、可控开关管ab的集电极相连。

进一步技术方案在于，在所述整流环节中，整流环节输入端的一个接线端分别与不控整流二极管s1的正极、不控整流二极管s2的负极相连，整流环节输入端的另一个接线端分别与不控整流二极管s3的正极、不控整流二极管s4的负极相连；不控整流二极管s1的正极与不控整流二极管s2的负极相连作为整流环节输出端的一个接线端；不控整流二极管s3的正极与不控整流二极管s4的负极相连作为整流环节输出端的另一个接线端。

进一步技术方案在于，所述整流环节的输出端连接滤波环节与负载的并联结构；所述滤波环节为输出滤波电容cf。

进一步技术方案在于，上述所述三相三电平高频链矩阵式整流器拓扑的调制方法，其中，所述调制方法将解结耦方法与双载波控制策略相结合，所述解结耦方法包括解耦和结耦两个步骤；所述解耦为分解双向开关单元电路为单向开关单元电路，将三相三电平高频链矩阵式整流器解耦成正负两组普通三相三电平pwm整流器；所述结耦为通过逻辑组合和变换生成解耦电路中各开关器件的驱动脉冲；其工作过程如下：

电源网络输出电压经过线路阻抗、输入滤波电感，滤除交流侧电流中的高次谐波成分，使网侧电流正弦化，接着经过三相三电平矩阵变换器，得到正负交替的高频交流电压信号，进而通过高频变压器t进行电气隔离，最后通过不控整流桥以及输出滤波电容将高频交流电压转变成恒定的直流电压。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：在电路拓扑方面，通过引入更多的开关管，设计成三相三电平高频链矩阵式整流器，具有输出容量大、输出电压高、电流谐波含量小等优点。在控制策略方面，通过解结耦双载波spwm调制方法的使用，有助于降低元器件耐压等级，实现了网侧单位功率因数，降低了输入电流低次谐波的含量。

附图说明

图1为本发明三相三电平高频链矩阵式整流器电路拓扑图。

图2为三相三电平高频链矩阵式整流器电路的解耦图。

图3为本发明中采用双载波spwm调制策略实现电路示意图。

图4为三相三电平高频链矩阵式整流器驱动信号结耦逻辑图。

图5为本发明方法控制下的三相三电平高频链矩阵式整流器的正组变换器一个高频周期内的电路图。

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，本发明阐述了三相三电平高频链矩阵式整流器拓扑，由电源网络、三相三电平矩阵式变换器、钳位环节、高频变压器、整流环节、滤波环节及负载连接构成；其中，三相三电平矩阵式变换器输入端与电源网络电连接，输出端与变压器原边电连接；所述三相三电平矩阵式变换器的每一相包括四组双向开关单元，所述双向开关单元为共发射极反串联结构；所述三相三电平矩阵变换器还设置用双向开关单元分别替代中点钳位二极管、中点钳位电容的三电平结构；

所述电源网络由交流输入电压ea、eb、ec，线路阻抗r1、r2、r3和滤波电感l1、l2、l3组成；三相三电平矩阵式变换器由可控开关管sa11、可控开关管sa12、可控开关管sa13、可控开关管sa14、可控开关管sa21、可控开关管sa22、可控开关管sa23、可控开关管sa24、可控开关管sa31、可控开关管sa32、可控开关管sa33、可控开关管sa34、可控开关管sb11、可控开关管sb12、可控开关管sb13、可控开关管sb14、可控开关管sb21、可控开关管sb22、可控开关管sb23、可控开关管sb24、可控开关管sb31、可控开关管sb32、可控开关管sb33、可控开关管sb34组成；钳位环节由可控开关管sa1、可控开关管sa2、可控开关管sa3、可控开关管sa4、可控开关管sb1、可控开关管sb2、可控开关管sb3、可控开关管sb4、可控开关管sc1、可控开关管sc2、可控开关管sc3、可控开关管sc4、可控开关管aa、可控开关管ab、可控开关管ba、可控开关管bb组成；整流环节由不控整流二极管s1、不控整流二极管s2、不控整流二极管s3、不控整流二极管s4组成；滤波环节及负载由电容cf和负载r组成；

本发明实施例中，所述电源网络为三相电源，其在每一相的输出端依次串联线路阻抗、输入滤波电感后电连接三相三电平矩阵变换器。

本发明实施例中，所述整流环节采用桥式整流。

本发明实施例中，在三相三电平矩阵式变换器与整流环节之间串接高频变压器；所述高频变压器t原边与三相三电平矩阵式变换器输出端连接，t副边与整流环节输入端连接。

本发明实施例中，在所述电源网络中，三相电网电压ea的正极与线路阻抗r1相连；三相电网电压eb的正极与线路阻抗r2相连；三相电网电压ec的正极与线路阻抗r3相连；线路阻抗r1与网侧输入滤波电感l1的一端相连；线路阻抗r2与网侧输入滤波电感l2的一端相连；线路阻抗r3与网侧输入滤波电感l3的一端相连；三相电网电压ea、eb、ec的负极相连。

本发明实施例中，所述双向开关单元为两个可控开关管发射极相连。

本发明实施例中，在所述三相三电平矩阵式变换器中，可控开关管sb13的集电极以及可控开关管sa13的集电极均与电源网络的a输出端相连；可控开关管sb23的集电极以及可控开关管sa23的集电极均与电源网络的b输出端相连；可控开关管sb33的集电极以及可控开关管sa33的集电极均与电源网络的c输出端相连；可控开关管sa11的发射极与可控开关管sb14的发射极相连，可控开关管sa21的发射极与可控开关管sb24的发射极相连，可控开关管sa31的发射极与可控开关管sb34的发射极相连，可控开关管sa11的集电极、可控开关管sa21的集电极以及可控开关管sa31的集电极相连作为三相三电平矩阵式变换器输出端的一个接线端；可控开关管sa14的发射极与可控开关管sb11的发射极相连，可控开关管sa24的发射极与可控开关管sb21的发射极相连，可控开关管sa34的发射极与可控开关管sb31的发射极相连，可控开关管sb11的集电极、可控开关管sb21的集电极以及可控开关管sb31的集电极相连作为三相三电平矩阵式变换器输出端的另一个接线端；可控开关管sa12的发射极与可控开关管sb13的发射极相连，可控开关管sa12的集电极与可控开关管sb14的集电极相连；可控开关管sa22的发射极与可控开关管sb23的发射极相连，可控开关管sa22的集电极与可控开关管sb24的集电极相连；可控开关管sa32的发射极与可控开关管sb33的发射极相连，可控开关管sa32的集电极与可控开关管sb34的集电极相连；可控开关管sa13的发射极与可控开关管sb12的发射极相连，可控开关管sb12的集电极与可控开关管sa14的集电极相连；可控开关管sa23的发射极与可控开关管sb22的发射极相连，可控开关管sb22的集电极与可控开关管sa24的集电极相连；可控开关管sa33的发射极与可控开关管sb32的发射极相连，可控开关管sb32的集电极与可控开关管sa34的集电极相连；可控开关管sb13的集电极与可控开关管sa13的集电极相连；可控开关管sb23的集电极与可控开关管sa23的集电极相连；可控开关管sb33的集电极与可控开关管sa33的集电极相连；

在用双向开关单元分别替代中点钳位二极管、中点钳位电容的三电平结构中，可控开关管aa的发射极与可控开关管ba的发射极相连，可控开关管aa的集电极与三相三电平矩阵式变换器输出端的一个接线端相连；可控开关管ab的发射极与可控开关管bb的发射极相连，可控开关管bb的集电极与三相三电平矩阵式变换器输出端的另一个接线端相连；

可控开关管sa1的集电极分别与可控开关管sa12的集电极、可控开关管sb14的集电极相连；可控开关管sb1的集电极分别与可控开关管sa22的集电极、可控开关管sb24的集电极相连；可控开关管sc1的集电极分别与可控开关管sa32的集电极、可控开关管sb34的集电极相连；可控开关管sa4的集电极分别与可控开关管sb12的集电极、可控开关管sa14的集电极相连；可控开关管sb4的集电极分别与可控开关管sb22的集电极、可控开关管sa24的集电极相连；可控开关管sc4的集电极分别与可控开关管sb32的集电极、可控开关管sa34的集电极相连；可控开关管sa1的发射极与可控开关管sa2的发射极相连；可控开关管sa3的发射极与可控开关管sa4的发射极相连；可控开关管sb1的发射极与可控开关管sb2的发射极相连；可控开关管sb3的发射极与可控开关管sb4的发射极相连；可控开关管sc1的发射极与可控开关管sc2的发射极相连；可控开关管sc3的发射极与可控开关管sc4的发射极相连；可控开关管sa2的集电极与可控开关管sa3的集电极、可控开关管sb2的集电极、可控开关管sb3的集电极、可控开关管sc2的集电极、可控开关管sc3的集电极、可控开关管ba的集电极、可控开关管ab的集电极相连。

本发明实施例中，在所述整流环节中，整流环节输入端的一个接线端分别与不控整流二极管s1的正极、不控整流二极管s2的负极相连，整流环节输入端的另一个接线端分别与不控整流二极管s3的正极、不控整流二极管s4的负极相连；不控整流二极管s1的正极与不控整流二极管s2的负极相连作为整流环节输出端的一个接线端；不控整流二极管s3的正极与不控整流二极管s4的负极相连作为整流环节输出端的另一个接线端。

本发明实施例中，所述整流环节的输出端连接滤波环节与负载的并联结构；所述滤波环节为输出滤波电容cf。

本发明实施例中，变压器原边上端与三相三电平矩阵式变换器输出端的一个接线端相连，变压器原边下端与三相三电平矩阵式变换器输出端的另一个接线端相连。变压器副边上端与整流环节输入端的一个接线端，变压器副边副端与整流环节输入端的另一个接线端。

本发明实施例中，三相三电平高频链矩阵式整流器拓扑的调制方法，其特征在于，所述调制方法将解结耦方法与双载波控制策略相结合，所述解结耦方法包括解耦和结耦两个步骤；所述解耦为分解双向开关单元电路为单向开关单元电路，将三相三电平高频链矩阵式整流器解耦成正负两组普通三相三电平pwm整流器；所述结耦为通过逻辑组合和变换生成解耦电路中各开关器件的驱动脉冲；其工作过程如下：

电源网络输出电压经过线路阻抗、输入滤波电感，滤除交流侧电流中的高次谐波成分，使网侧电流正弦化，接着经过三相三电平矩阵变换器，得到正负交替的高频交流电压信号，进而通过高频变压器t进行电气隔离，最后通过不控整流桥以及输出滤波电容将高频交流电压转变成恒定的直流电压。

如图2所示，其为三相三电平高频链矩阵式整流器解耦拓扑。三相电网电压ea、eb、ec，输入滤波器与单向可控开关组(sa11、sa12、sa13、sa14、sa21、sa22、sa23、sa24、sa31、sa32、sa33、sa34、sa1、sa3、sb1、sb3、sc1、sc3、aa和ab)以及高频变压器，二极管桥式不控整流电路，输出滤波器和负载构成正组三相三电平高频链整流器的主电路。同理另一单向可控开关组(sb11、sb12、sb13、sb14、sb21、sb22、sb23、sb24、sb31、sb32、sb33、sb34、sa2、sa4、sb2、sb4、sc2、sc4、ba和bb)所在部分构成了负组三相三电平高频链整流器的主电路。根据解耦思想，正组三相三电平高频链整流器工作时，负组整流器可控开关管处于全通状态，同理，负组三相三电平高频链整流器工作时，正组整流器可控开关管处于全通状态。正负两组三相三电平整流器交替进行工作，从而在高频变压器原边形成了正负交替的高频信号，再经后级的桥式整流电路实现三相三电平高频链矩阵式整流器的直流输出。

如图3所示，本发明中采用双载波spwm调制策略实现电路如下：

三电平可以由图3所示的电路实现。三相正弦波与双载波相减，若大于零则得到脉冲ta1、ta2、ta3、ta4、ta5、ta6,否则得到tb1、tb2、tb3、tb4、tb5、tb6。其中ta1、ta2、tb1、tb2为三相三电平整流器中第一桥臂中上开关管和下开关管的驱动信号。这些驱动信号将与高频方波进行“结耦”逻辑处理，进而驱动各个桥臂上的可控开关管。

图4为三相三电平高频链矩阵式整流器驱动信号结耦逻辑图。图中引入两个互补的高频方波信号vp和vn来与整流器的驱动信号进行“结耦”逻辑处理，进而得到新的驱动信号来实现对矩阵变换器双向开关管的控制。其中tai、tbi(i＝1,2,3,4,5,6)为三相三电平整流器中同一桥臂中上开关管和下开关管的驱动信号，saji(j＝1,2,3；i＝1,2,3,4)和sbji(j＝1,2,3；i＝1,2,3,4)分别为图2中经“解耦”后的正组和反组三相三电平高频链整流器中的单相开关驱动信号，正组变换器的开关驱动信号saji(j＝1,2,3；i＝1,2,3,4)由vn与普通三相三电平整流器的两路互补驱动信号tai、tbi(i＝1,2,3,4,5,6)进行或逻辑合成得到；负组变换器的开关驱动信号sbji(j＝1,2,3；i＝1,2,3,4)由vp与普通三相三电平整流器的两路互补驱动信号tai、tbi(i＝1,2,3,4,5,6)进行或逻辑合成得到。

图5为本发明方法控制下的三相三电平高频链矩阵式整流器的正组变换器一个高频周期内的电路图。下面我们以a相桥臂为例，规定如下：电流从三相电源侧流向负载侧时，电流方向为正，当变压器主边输出为正、零交替的高频方波时，正组可控开关管处于高频调制状态，负组可控开关管处于全“1”状态；当变压器主边输出为负、零交替的高频方波时，负组可控开关管处于高频调制状态，正组可控开关管处于全“1”状态。假设vdc1＝vdc2＝1/2vdc，其中vdc为矩阵变换器直流侧输出侧电压。对三电平高频链矩阵式pwm整流器的工作原理分析如下：

(1)sa11、sa12导通，sa13、sa14关断。电流从a点流经sa12、sa11的反并联二极管到电容c的p点，此时a点的电位与p点的电位相同，即a、o两端的电压vao＝vdc1＝1/2vdc；开关管sa13、sa14承受的电压为vdc1＝vdc2＝vdc，则开关管sa13、sa14承受的电压等于1/2vdc，钳位开关管sa1承受的电压为1/2vdc，钳位开关管sa3承受的电压为0，记此时的开关状态为1。

(2)sa13、sa14导通，sa11、sa12关断。电流从a点流经sa13、sa14到达电容c的n点，此时a点的电位与n点的电位相同，即a、o两端的电压vao＝-vdc2＝-1/2vdc；开关管sa11、sa12承受的电压为vdc1＝vdc2＝vdc，则开关管sa11、sa12承受的电压等于1/2vdc，钳位开关管sa1承受的电压为0，钳位开关管sa3承受的电压为1/2vdc，记此时的开关状态为-1。

(3)sa12、sa13导通，sa11、sa14关断。事实上，sa11、sa14不可能同时导通，电流从a点流经sa13、钳位开关管sp12到达o点，此时a点的电位与直流侧中点o电位相同，即vao＝0；开关管sa11、sa14，钳位开关管sa1、sa3承受的电压均为0。记此时的开关状态为0。

以a相为例，交流侧输入a点对直流侧电容中点o的电压用vao表示，整流器工作的电平输出状态用ka1表示，四个开关管和两个钳位开关管所承受的电压分别用vsa11、vsa12、vsa13、vsa14、vsa1、vsa3表示，开关管的导通用“1”表示，关断用“0”表示。得到了三相三电平高频链整流器a相的工作情况如表1所示。

表1三相三电平整流器正组a相的工作情况

上面对三相三电平高频链整流器具体工作进行了详细的分析，总结了每种工作情况下开关管和钳位开关管所承受的电压情况，得出不同的开关状态组合对应的输出电压，每相桥臂有三种电平输出，如a相桥臂输出电压vao为正负1/2vdc，0，即输出三种电平，故为三电平整流器。其中开关管sa11和sa13互补，开关管sa12和sa14互补，且开关管sa11、sa14不能同时导通。

上述工作模态仅针对于正组变换器工作时，负组变换器工作模态与之相同。

以上所述的实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。