隔离型矩阵变换器及扇区切换软开关方法
【专利摘要】本发明公开了一种隔离型矩阵变换器及扇区切换开关方法，隔离型矩阵变换器包括控制器、驱动器、矩阵变换器、隔离变压器、整流器，能够得到安全可靠的直流输出，以较小的滤波器，得到正弦化输入电流和单位功率因数，还实现了矩阵变换器扇区切换过程中功率管的软开关动作，避免了因扇区切换软开关失败所导致的高电压尖峰，保护了功率管，提高了变换效率，对矩阵变换器的实用化有积极意义，具有良好的应用前景。
【专利说明】隔离型矩阵变换器及扇区切换软开关方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种隔离型矩阵变换器及扇区切换开关方法，属于电力电子设备【技术领域】。
【背景技术】
[0002]矩阵变换器，使用在开关电源中，输入侧接三相交流电源，变压器隔离，得到直流输出，传统的矩阵变换器，使用常见的大容量电容，体积较大，不方便安装，而且在任一扇区内，是可以实现软开关的，只是在扇区切换过程中，由于窄脉冲丢失，会出现由单控制周期四脉冲变化为两脉冲，进入下一扇区时，又会出现有两脉冲向四脉冲的切换，直接切换将导致软开关换流失败，会在矩阵变换器内的开关管上产生高电压尖峰，需要选取更高耐压的功率管，或其他措施方可防止功率管的损坏，但是一定程度的增加了矩阵变换器的制作成本，抑制了矩阵变换器广泛应用。
【发明内容】
[0003]本发明要解决的技术问题在于提供一种隔离型矩阵变换器及扇区切换开关方法，保护了功率管，提高了变换效率，对矩阵变换器的实用化有积极意义，从而解决了现有方法在现场运作中有存在的缺点。
[0004]为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是:
一种隔离型矩阵变换器，其特征在于:包括
控制器，用于检测三相交流电输入电压的瞬时值，产生扇区分割信号和功率管开关时序信号；
驱动器，用于对控制器发出的扇区分割信号和功率管开关时序进行电压、电流放大，并进行隔离；
矩阵变换器，包括若干个双向开关管组成的开关矩阵，每个开关管的导通与关断通过控制器发出的扇区分割信号和功率管开关时序信号控制，输出高频交变电压；
隔离变压器，用于实现矩阵变换器的输出与整流器输入之间的电气隔离；
整流器，用于将高频交变电压转化为直流电压；所述控制器的输入端接三相交流电，所述控制器的信号输出端通过驱动器与矩阵变换器内的开关管的驱动端相连接，所述矩阵变换器的输出端通过隔离变压器与整流器相连接。
[0005]前述的隔离型矩阵变换器，其特征在于:还包括谐振电容和谐振电感，所述谐振电容和谐振电感相串联，设置在矩阵变换器与隔离变压器之间，并与隔离变压器相串联，为矩阵变换器提供谐振回路。
[0006]前述的隔离型矩阵变换器，其特征在于:还包括输出滤波电感、输出滤波电容，所述输出滤波电感串联在整流器的正向输出端，所述输出滤波电容并联在输出滤波电感串联、整流器的负向输出端之间。
[0007]前述的隔离型矩阵变换器，其特征在于:所述矩阵变换器包括3X2个双向开关管，所述3X2个双向开关管构成3X2的开关矩阵。
[0008]基于前述的隔离型矩阵变换器的扇区切换开关方法，其特征在于:包括以下步骤， 步骤(I )，根据采集的三相交流电输入电压的瞬时值，控制器基于空间电压矢量或者双
电压合成调制策略，产生输入电流的控制需求，并将输入电压的瞬时值投射到矢量图上； 步骤(2)，控制器利用扇区分割信号将矢量图分割为六扇区；
步骤(3)，在每个扇区内选取最高电压幅值、两相的差值作为矩阵变换器的输入电压；步骤(4)，矩阵变换器进行扇区切换，控制器输出的功率管开关时序信号，由两脉冲信号向四脉冲信号切换时，将前一个四脉冲信号的首个脉冲舍弃，使矩阵变换器内双向开关管软开关动作的连续。
[0009]本发明的有益效果是:本发明提供的隔离型矩阵变换器及扇区切换开关方法，采用隔离变压器，得到安全可靠的直流输出，使用较小的滤波器，体积小，方便安装，通过舍弃前一个开关周期内四脉冲的首脉冲，使得两脉冲工作模式和四脉冲工作模式顺利对接，实现了切换过程的软开关，避免了应扇区切换软开关失败所导致的高电压尖峰，保护了功率管，提高了变换效率，对矩阵变换器的实用化有积极意义，具有良好的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是本发明的隔离型矩阵变换器的拓扑图。
[0011]图2是本发明的矩阵变换器的连接电路图。
[0012]图3是本发明的输入电压的瞬时值投射的矢量图。
[0013]图4是本发明的扇区I为例的电路等效图一。
[0014]图5是本发明的扇区I为例的电路等效图二。
[0015]图6是本发明的扇区I为例的四脉冲开关时序信号的时序图。
[0016]图7是本发明的扇区I为例的两脉冲开关时序信号的时序图。
[0017]图8是本发明的扇区6两脉冲信号连续工作模式图。
[0018]图9是本发明的扇区I四脉冲信号起始工作模式图。
[0019]图10是本发明的扇区I四脉冲信号连续工作模式图。
[0020]图11是本发明的扇区I两脉冲信号连续工作模式图。
【具体实施方式】
[0021]下面将结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
[0022]本发明的隔离型矩阵变换器，能得到安全可靠的直流输出，只需要很小的滤波器，即可得到正弦化输入电流和单位功率因数，如图1所示，包括
控制器，用于检测三相交流电输入电压的瞬时值，产生扇区分割信号和功率管开关时序信号，控制器通常为DSP或高速MCU，本发明采用TI公司的高速浮点DSP(TMS320LF28335)为主计算单元，选用Altera公司Max3000A系列(EPM3256A)的芯片；驱动器，用于对控制器发出的扇区分割信号和功率管开关时序进行电压、电流放大，并进行隔离，采用TI公司的驱动芯片(UCC27322)和数字隔离芯片6N137，以6路隔离电源分别为其供电；
矩阵变换器，包括若干个双向开关管组成的开关矩阵，每个开关管的导通与关断通过控制器发出的扇区分割信号和功率管开关时序信号控制，输出高频交变电压，所述矩阵变换器包括3X2个双向开关管，所述3X2个双向开关管构成3X2的开关矩阵；
隔离变压器，用于实现矩阵变换器的输出与整流器输入之间的电气隔离；
整流器，用于将高频交变电压转化为直流电压；
谐振电容和谐振电感，与隔离变压器呈现串联方式，形成谐振状态，为双向开关管的软开关提供谐振回路，所述谐振电容和谐振电感相串联，设置在矩阵变换器与隔离变压器之间；
所述控制器的输入端接三相交流电，所述控制器的信号输出端通过驱动器与矩阵变换器内的开关管的驱动端相连接，所述矩阵变换器的输出端通过隔离变压器与整流器相连接。
[0023]本发明的隔离型矩阵变换器，还包括输出滤波电感、输出滤波电容，所述输出滤波电感串联在整流器的正向输出端，所述输出滤波电容并联在输出滤波电感串联、整流器的负向输出端之间。
[0024]如图2所示，为本发明的隔离型矩阵变换器中的矩阵变换器的电路图，包括3X2个双向开关管组成的3X2开关矩阵，每个开关管的导通与关断通过控制器发出的出发信号来控制，双向开关管由功率管的不同组合而成，功率管可以为MOSFET、IGBT、GT0、MCT等。
[0025]基于上述的隔离型矩阵变换器的扇区切换开关方法，包括以下步骤，
步骤(I )，根据采集的三相交流电输入电压的瞬时值，控制器基于空间电压矢量或者双电压合成调制策略，产生输入电流的控制需求，并将输入电压的瞬时值投射到矢量图上，矢量图，如图3所示；
步骤(2)，控制器利用扇区分割信号将矢量图分割为六扇区；
步骤(3)，在每个扇区内选取最高电压幅值、两相的差值作为矩阵变换器的输入电压，由此该矩阵变换器分时等效为两组由4只功率管组成的全桥电路，以扇区I为例的等效图，如图4、5所示；
步骤(4)，矩阵变换器进行扇区切换，控制器输出的功率管开关时序信号，由两脉冲信号向四脉冲信号切换时，将前一个四脉冲信号的首个脉冲舍弃，使矩阵变换器内双向开关管软开关动作的连续。
[0026]下面介绍一扇区切换的实施例，如图3所示，在扇区I中，a相电压为正向最大值，则Uab (a相与b相电压差)、Uac (a相与c相电压差),分时作用与上述3X 2的开关矩阵上，其等效电路图分别为图4及图5，单个开关周期内的时序图，如图6所示，矩阵变换器按照这种模式进行开关动作，可实现矩阵变换器开关管的软开关工作模式，在矩阵变换器输出端的单个开关周期四个脉冲，称之为四脉冲工作模式；四脉冲工作模式的脉冲宽度随控制电流的要求变换而变化，当进入扇区切换区域时，其中的一脉冲宽度逐渐降低，最终到达零值，然而，驱动电路、功率开关等，对于脉冲响应特性有一定的限制，当脉冲宽度小于某一数值时，即使控制器发出脉冲要求，驱动电路、功率开关也无法作出正确响应，当然，有时为了降低无谓的开关动作，在控制器中也可对这类脉冲进行屏蔽，禁止其输出，此时，矩阵变换器等效电路如图4，单周期脉冲，如图7所示，称之为两脉冲工作模式；两脉冲工作模式下，按照图8、图9、图10、图11的脉冲序列工作，也可实现软开关动作。
[0027]当由四脉冲模式向两脉冲方式过渡过程中，矩阵变换器也可以实现软开关，无需采用特别的措施。
[0028]然而，在两脉冲工作模式(两脉冲信号)向四脉冲工作模式(四脉冲信号)过渡时，原先两脉冲工作模式下处于软开关工作状态开关管，不能满足四脉冲工作模式软开关的需求，此时导致开关管的软开关失败，导致高电压尖峰出现，通过，舍弃第一个开关周期内四脉冲的首脉冲，使得两脉冲工作模式和四脉冲工作模式顺利对接，由此实现了切换过程的软开关。
[0029]以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【权利要求】
1.隔离型矩阵变换器，其特征在于:包括 控制器，用于检测三相交流电输入电压的瞬时值，产生扇区分割信号和功率管开关时序信号； 驱动器，用于对控制器发出的扇区分割信号和功率管开关时序进行电压、电流放大，并进行隔离； 矩阵变换器，包括若干个双向开关管组成的开关矩阵，每个开关管的导通与关断通过控制器发出的扇区分割信号和功率管开关时序信号控制，输出高频交变电压； 隔离变压器，用于实现矩阵变换器的输出与整流器输入之间的电气隔离； 整流器，用于将矩阵变换器输出的高频交变电压转化为直流电压； 所述控制器的输入端接三相交流电，所述控制器的信号输出端通过驱动器与矩阵变换器内的开关管的驱动端相连接，所述矩阵变换器的输出端通过隔离变压器与整流器相连接。
2.根据权利要求1所述的隔离型矩阵变换器，其特征在于:还包括谐振电容和谐振电感，所述谐振电容和谐振电感相串联，设置在矩阵变换器与隔离变压器之间，并与隔离变压器相串联，为矩阵变换器提供谐振回路。
3.根据权利要求1所述的隔离型矩阵变换器，其特征在于:还包括输出滤波电感、输出滤波电容，所述输出滤波电感串联在整流器的正向输出端，所述输出滤波电容并联在输出滤波电感串联、整流器的负向输出端之间。
4.根据权利要求1所述的隔离型矩阵变换器，其特征在于:所述矩阵变换器包括3X2个双向开关管，所述3 X 2个双向开关管构成3 X 2的开关矩阵。
5.基于权利要求1所述的隔离型矩阵变换器的扇区切换开关方法，其特征在于:包括以下步骤， 步骤(I )，根据采集的三相交流电输入电压的瞬时值，控制器基于空间电压矢量或者双电压合成调制策略，产生输入电流的控制需求，并将输入电压的瞬时值投射到矢量图上； 步骤(2)，控制器利用扇区分割信号将矢量图分割为六扇区； 步骤(3)，在每个扇区内选取最高电压幅值、两相的差值作为矩阵变换器的输入电压； 步骤(4)，矩阵变换器进行扇区切换，控制器输出的功率管开关时序信号，由两脉冲信号向四脉冲信号切换时，将前一个四脉冲信号的首个脉冲舍弃，使矩阵变换器内双向开关管软开关动作的连续。
【文档编号】H02M7/12GK103501122SQ201310463764
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年10月6日 优先权日:2013年10月6日
【发明者】徐宏, 徐祺越 申请人:徐宏