专利名称：一种三相-单相矩阵变换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种三相-单相矩阵变换器，属于电力电子变换器的技术领域。
背景技术：
三相-单相变频电源有交-交型和交-直-交型两种拓扑结构。而目前所有的交-交型三相-单相矩阵变换器拓扑(桥式拓扑、零式拓扑)都无法实现功率因素校正 (PFC)，尤其是在输出单相电源频率较低时，网侧的低次谐波含量大大增加，造成了很大的无功损耗，因此变换器工作效率很低；而对于交-直-交型变换器，虽然可以实现PFC，但必须要在直流母线上连接大容量电解电容来实现前后两级变换器的功率解耦，降低了变换器的稳定性、功率密度和使用寿命。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种三相-单相矩阵变换器。本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案一种三相-单相矩阵变换器包括三相滤波电感、开关矩阵、补偿电容、滤波器、检测电路、控制器、隔离驱动电路；其中所述开关矩阵包括三个开关组第一开关组、第二开关组、第三开关组；所述第一开关组、第二开关组、第三开关组分别包括三相双向开关，在每个开关组中，每相双向开关的一端分别与其他两个开关组中相对应的那相双向开关的一端连接，形成三个连接点；所述三相滤波电感的一端分别与三相交流输入源连接，三相滤波电感的另一端分别与所述三个连接点连接；所述补偿电容的两极分别与第二开关组中每相双向开关的另一端、第三开关组中每相双相开关的另一端连接；所述滤波器包括滤波电容、滤波电感；其中所述滤波电容的一极、第一开关组中每相双向开关的另一端分别与滤波电感的一端连接，滤波电容的另一极极与第二开关组中每相双向开关的另一端连接，滤波电感的另一端与滤波电容的负极构成三相-单相矩阵变换器的输出端；所述检测电路的输入端分别与三相-单相矩阵变换器的交流侧和直流侧连接，检测电路的输出端与控制器的输入端连接；所述控制器的输出端与隔离驱动电路的输入端连接，隔离驱动电路的输出端与开关矩阵中开关管的门极连接。所述三相-单相矩阵变换器中，每个开关组中的每相双向开关均由两个反向串联的IBGT管组成。本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果省去了交-直-交型变换器中直流母线上大容量电解电容，提高了变换器的稳定性、功率密度和使用寿命，于此同时也克服了现有三相-单相矩阵变换器输入电流不对称、谐波含量大等缺点。
图1为三相-单相矩阵变换器的电路图。图2为三相-单相矩阵变换器主功率电路示意图。图3为三相-单相矩阵变换器等效的交-直-交型结构图。图4(a)是不同输出功率下补偿电容容值与其需承受最高电压的曲线图。图4(b)是不同输出频率下补偿电容值与其需承受最高电压的曲线图。图5为虚拟逆变器调制信号控制框图。图中标号说明ua、ub、Uc为三相交流输入源，Lrea, Lreb, Lrec为三相滤波电感，Rrea> Rreb> Rrec为三相线路的电阻和三相滤波电感的寄生电阻，Cc为补偿电容，C0为滤波电容、L0 为滤波电感，Rl为输出负载，Sar, Sbr, Scr为第一开关组，Sas, Sbs, Scs为第二开关组，Sat, Sbo Sct为第三开关组，Sap, Sbp, Scp, San, Sbn, Scn为虚拟整流器中的开关，Spr, Sps, Spt, Snr, Sns, Snt为虚拟逆变器中的开关。
具体实施例方式下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明如图1所示的三相-单相矩阵变换器，包括三相滤波电感L,ea、Lreb、L,e。，开关矩阵、 补偿电容C。、滤波器、检测电路、控制器、隔离驱动电路。滤波器包括滤波电容C。、滤波电感L。。开关矩阵包括第一开关组、第二开关组、第三开关组。第一开关组包括S 、Sbr, S…用于控制变换器的输出。第二开关组包括Sas、Sbs、S。s，是第一开关组和第三开关组的公共开关组。第三开关组包括&t、sbt、s。t，用于控制补偿电容的输出。S 、Sas、Sat的一端连接， Sbr> Sbs, Sbt的一端连接，Scr, Scs, Sct的一端连接分别形成三个结点。三相滤波电感LMa、Lreb, Lrec的一端分别与三相交流输入源ua、ub、Uc连接，三相滤波电感L_、Lreb, Lrec的另一端分别与所述三个连接点连接。补偿电容的两极C。分别与第二开关组中三相双向开关&s、Sbs, Scs的另一端、第三开关组中三相双相开关&t、Sbo Sct的另一端连接。滤波器包括滤波电容C。、滤波电感L。。滤波电容C。的正极、第一开关组中三相双向开关jto、Sra的另一端分别与滤波电感L。的一端连接，滤波电容C。的负极与第二开关组中三相双向开关&s4bs、S。s的另一端连接，滤波电感L。的另一端与滤波电容C。的负极构成三相-单相矩阵变换器的输出端。检测电路的输入端分别与三相-单相矩阵变换器的交流侧和直流侧连接，检测电路的输出端与控制器的输入端连接。控制器的输出端与隔离驱动电路的输入端连接，隔离驱动电路的输出端与开关矩阵中开关管的门极连接。RMa、RMb、Rre。分别表示A、B、C三相线路的电阻和三相滤波电感的寄生电阻。检测电路包括霍尔电压传感器、霍尔电流传感器。 变换器交流侧的霍尔电压传感器用于测量三相交流输入源的三相电压，霍尔电流传感器用于测量三相交流输入源的三相电流，变换器虚拟逆变侧的霍尔电压传感器用于测量补偿电容电压和三相-单相矩阵变换器输出端的单相输出电压。
如图2所示的三相-单相矩阵变换器主功率电路，包括三相-单相矩阵变换器桥式电路和单相脉动功率吸收电路。三相-单相矩阵变换器桥式电路包括第一开关组、第二开关组以及滤波器。单脉动功率吸收电路包括第二开关组、第三开关组以及补偿电容。三相-单相矩阵变换器桥式电路交流输入侧连接的三相滤波电感构成了 PFC环节。三相-单相矩阵变换器主功率电路的工作原理如下由于输出为单相电源，单相电源的输出功率是一个时变功率，该时变功率可以等效为一个恒定功率分量P。和一个二倍输出频率的脉动功率分量玲的叠加，如果不加入功率补偿电路，则该脉动功率将直接影响到三相输入瞬时功率，使其跟随输入功率实时变化，难以实现输入PFC控制，因此为使三相输入瞬时功率为一恒定值，本发明通过单相脉动功率吸收电路中的补偿电容对该脉动功率进行功率实时补偿，使三相输入瞬时功率始终等于有功功率P。，而脉动功率全部被补偿电容吸收。把三相-单相矩阵变换器等效为如图3所示的交-直-交型拓扑结构，等效电路的工作原理为通过补偿电容C。的充电和放电来完成输入、输出功率解耦，抑制了输出侧的脉动功率玲对三相瞬时输入功率的影响，保证三相瞬时功率是恒功率输入。对于虚拟逆变环节先忽略补偿电容C。上的电压U。。对直流母线电压的作用，则开关(、，SJ的控制信号由调制波4 1=皿^0300()1和载波交截得到(如附图5所示)，则三相-单相矩阵变换器桥式输出电压对虚拟直流母上的影响Vd。m为
权利要求
1.一种三相-单相矩阵变换器，其特征在于包括三相滤波电感、开关矩阵、补偿电容、 滤波器、检测电路、控制器、隔离驱动电路；其中所述开关矩阵包括三个开关组第一开关组、第二开关组、第三开关组；所述第一开关组、第二开关组、第三开关组分别包括三相双向开关，在每个开关组中，每相双向开关的一端分别与其他两个开关组中相对应的那相双向开关的一端连接，形成三个连接点；所述三相滤波电感的一端分别与三相交流输入源连接，三相滤波电感的另一端分别与所述三个连接点连接；所述补偿电容的两极分别与第二开关组中每相双向开关的另一端、第三开关组中每相双相开关的另一端连接；所述滤波器包括滤波电容、滤波电感；其中所述滤波电容的一极、第一开关组中每相双向开关的另一端分别与滤波电感的一端连接，滤波电容的另一极极与第二开关组中每相双向开关的另一端连接，滤波电感的另一端与滤波电容的负极构成三相-单相矩阵变换器的输出端；所述检测电路的输入端分别与三相-单相矩阵变换器的交流侧和直流侧连接，检测电路的输出端与控制器的输入端连接；所述控制器的输出端与隔离驱动电路的输入端连接，隔离驱动电路的输出端与开关矩阵中开关管的门极连接。
2.根据权利要求1所述的三相-单相矩阵变换器，其特征在于所述每个开关组中的每相双向开关均由两个反向串联的IBGT管组成。
全文摘要
本发明涉及一种三相-单相矩阵变换器，包括三相滤波电感、开关矩阵、补偿电容、滤波器、检测电路、控制器、隔离驱动电路；其中三项滤波电感用于减小输入电流与输入电压的相位差，开关矩阵将三相交流电转化为单相直流电后再转换为单相交流电，补偿电容吸收单相脉动功率，滤波器对单相交流电滤波后平滑输出，检测电路用于检测三相-单相矩阵变换器的交流侧和直流侧的电流电压，然后将检测结果输出至控制器，控制器通过隔离驱动电路控制开关矩阵。本发明省去了交-直-交型变换器中直流母线上大容量电解电容，提高了变换器的稳定性、功率密度和使用寿命，克服了现有三相-单相矩阵变换器输入电流不对称、谐波含量大等缺点。
文档编号H02M5/42GK102570848SQ201210004058
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月9日 优先权日2012年1月9日
发明者张文彬, 徐媛媛, 李后春, 葛红娟, 许柏宏, 闫凯 申请人:南京航空航天大学