SWISS矩阵变换器拓扑结构的制作方法

本发明涉及电能变换装置领域，特别涉及一种swiss矩阵变换器拓扑结构。

背景技术：

作为公共电网与交流负载的接口电路，交-交功率变换器被广泛用于各种交-交电能变换场合，无源前端变换器由于具有转换效率高、emi干扰小、低成本、结构简单和可靠性高等优点，在变频调速和可再生能源发电等领域被广泛采用，但是存在能量单向流动、输入电流质量差等特点，电压型和电流型背靠背pwm变换器这两类有源前端变换器虽然具备理想交-交功率变换器的大部分特征，但笨重的储能元件导致了较低的功率密度和可靠性。作为一种“全硅实现”的有源前端变换器拓扑，间接矩阵变换器无需中间储能设备，相关研究已取得显著性成果，但是仍存在如下缺点：整流级和逆变级调制上的同步导致窄脉冲等非线性问题、受限的输入侧无功功率控制范围、具有较高的开关损耗和emi噪声等。

技术实现要素：

本发明提供了一种swiss矩阵变换器拓扑结构，其目的是为了解决传统变换器的能量只能单向流动、输入电流质量差、功率密度和可靠性较低的问题。

为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种swiss矩阵变换器拓扑结构，包括：

交流电源模块；

三相滤波电路，所述三相滤波电路的第一端与所述交流电源模块的第一端电连接；

三相整流电路，所述三相整流电路的第一端与所述三相滤波电路的第二端电连接，所述三相整流电路用于将输入的交流电进行整流得到直流电；

三相逆变电路，所述三相逆变电路的第一端与所述三相整流电路的第二端电连接，所述三相逆变电路用于将直流电逆变成交流电。

其中，所述交流电源模块包括：

第一交流电源；

第二交流电源，所述第二交流电源的负极端与所述第一交流电源的负极端电连接；

第三交流电源，所述第三交流电源的负极端与所述第二交流电源的负极端电连接。

其中，所述三相滤波电路包括：

第一滤波电感，所述第一滤波电感的第一端与所述第一交流电源的正极端电连接；

第二滤波电感，所述第二滤波电感的第一端与所述第二交流电源的正极端电连接；

第三滤波电感，所述第三滤波电感的第一端与所述第三交流电源的正极端电连接；

第一滤波电容，所述第一滤波电容的第一端与所述第一滤波电感的第二端电连接；

第二滤波电容，所述第二滤波电容的第一端与所述第二滤波电感的第二端电连接，所述第二滤波电容的第二端与所述第一滤波电容的第二端电连接；

第三滤波电容，所述第三滤波电容的第一端与所述第三滤波电感的第二端电连接，所述第三滤波电容的第二端与所述第二滤波电容的第二端电连接。

其中，所述三相整流电路包括：

三相全桥电路，所述三相全桥电路的第一端与所述第一滤波电感的第二端电连接；

双向开关模块，所述双向开关模块的第一端与所述三相全桥电路的第二端电连接；

第一buck斩波电路，所述第一buck斩波电路的第一端与所述三相全桥电路的第三端电连接，所述第一buck斩波电路的第二端与所述双向开关模块的第二端电连接；

第二buck斩波电路，所述第二buck斩波电路的第一端与所述三相全桥电路的第四端电连接，所述第二buck斩波电路的第二端与所述第一buck斩波电路的第二端电连接。

其中，所述三相全桥电路包括：

第一开关管，所述第一开关管的发射极与所述第一滤波电感的第二端电连接；

第二开关管，所述第二开关管的集电极与所述第一开关管的发射极电连接；

第三开关管，所述第三开关管的集电极与所述第一开关管的集电极电连接，所述第三开关管的发射极与所述第二滤波电感的第二端电连接；

第四开关管，所述第四开关管的集电极与所述第三开关管的发射极电连接，所述第四开关管的发射极与所述第二开关管的发射极电连接；

第五开关管，所述第五开关管的集电极与所述第三开关管的集电极电连接，所述第五开关管的发射极与所述第三滤波电感的第二端电连接；

第六开关管，所述第六开关管的集电极与所述第五开关管的发射极电连接，所述第六开关管的发射极与所述第四开关管的发射极电连接。

其中，所述双向开关模块包括：

第一双向开关，所述第一双向开关的第一端与所述第一滤波电感的第二端电连接；

第二双向开关，所述第二双向开关的第一端与所述第二滤波电感的第二端电连接，所述第二双向开关的第二端与所述第一双向开关的第二端电连接；

第三双向开关，所述第三双向开关的第一端与所述第三滤波电感的第二端电连接，所述第三双向开关的第二端与所述第二双向开关的第二端电连接；

其中，所述第一双向开关包括：

第七开关管，所述第七开关管的集电极与所述第一滤波电感的第二端电连接；

第八开关管，所述第八开关管的发射极与所述第七开关管的发射极电连接；

所述第二双向开关包括：

第九开关管，所述第九开关管的集电极与所述第二滤波电感的第二端电连接；

第十开关管，所述第十开关管的发射极与所述第九开关管的发射极电连接，所述第十开关管的集电极与所述第八开关管的集电极电连接；

所述第三双向开关包括：

第十一开关管，所述第十一开关管的集电极与所述第三滤波电感的第二端电连接；

第十二开关管，所述第十二开关管的发射极与所述第十一开关管的发射极电连接，所述第十二开关管的集电极与所述第十开关管的集电极电连接。

其中，所述第一buck斩波电路包括：

第十三开关管，所述第十三开关管的集电极与所述第五开关管的集电极电连接；

第十四开关管，所述第十四开关管的集电极与所述第十三开关管的发射极电连接，所述第十四开关管的发射极与所述第十开关管的集电极电连接。

其中，所述第二buck斩波电路包括：

第十五开关管，所述第十五开关管的发射极与所述第六开关管的发射极电连接；

第十六开关管，所述第十六开关管的发射极与所述第十五开关管的集电极电连接，所述第十六开关管的集电极与所述第十四开关管的发射极电连接。

其中，所述三相逆变电路包括：

第十七开关管，所述第十七开关管的集电极与所述第十四开关管的集电极电连接；

第十八开关管，所述第十八开关管的集电极与所述第十七开关管的发射极电连接，所述第十八开关管的发射极与所述第十六开关管的发射极电连接；

第十九开关管，所述第十九开关管的集电极与所述第十七开关管的集电极电连接；

第二十开关管，所述第二十开关管的集电极与所述第十九开关管的发射极电连接，所述第二十开关管的发射极与所述第十八开关管的发射极电连接；

第二十一开关管，所述第二十一开关管的集电极与所述第十九开关管的集电极电连接；

第二十二开关管，所述第二十二开关管的集电极与所述第二十一开关管的发射极电连接，所述第二十二开关管的发射极与所述第二十开关管的发射极电连接。

本发明的上述方案有如下的有益效果：

本发明的上述实施例所述的swiss矩阵变换器拓扑结构，swiss矩阵变换器可以实现正弦输入输出、能量双向流动，且不需要直流母线储能电容，有效提高了交-交功率变换器的功率密度和可靠性。

附图说明

图1为本发明的具体电路图；

图2为本发明的能量正向流动时的输入电压、电流和输出电压、电流仿真波形；

图3为本发明的能量反向流动时的输入电压、电流和输出电压、电流仿真波形。

【附图标记说明】

1-交流电源模块；2-三相滤波电路；3-三相整流电路；4-三相逆变电路；5-第一交流电源；6-第二交流电源；7-第三交流电源；8-第一滤波电感；9-第二滤波电感；10-第三滤波电感；11-第一滤波电容；12-第二滤波电容；13-第三滤波电容；14-第一开关管；15-第二开关管；16-第三开关管；17-第四开关管；18-第五开关管；19-第六开关管；20-第七开关管；21-第八开关管；22-第九开关管；23-第十开关管；24-第十一开关管；25-第十二开关管；26-第十三开关管；27-第十四开关管；28-第十五开关管；29-第十六开关管；30-第十七开关管；31-第十八开关管；32-第十九开关管；33-第二十开关管；34-第二十一开关管；35-第二十二开关管。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有变换器的能量只能单向流动、输入电流质量差、功率密度和可靠性较低的问题，提供了一种swiss矩阵变换器拓扑结构。

如图1至图3所示，本发明的实施例提供了一种swiss矩阵变换器拓扑结构，包括：交流电源模块1；三相滤波电路2，所述三相滤波电路2的第一端与所述交流电源模块1的第一端电连接；三相整流电路3，所述三相整流电路3的第一端与所述三相滤波电路2的第二端电连接，所述三相整流电路3用于将输入的交流电进行整流得到直流电；三相逆变电路4，所述三相逆变电路4的第一端与所述三相整流电路3的第二端电连接，所述三相逆变电路4用于将直流电逆变成交流电。

其中，所述交流电源模块1包括：第一交流电源5；第二交流电源6，所述第二交流电源6的负极端与所述第一交流电源5的负极端电连接；第三交流电源7，所述第三交流电源7的负极端与所述第二交流电源6的负极端电连接。

本发明的上述实施例所述的swiss矩阵变换器拓扑结构，所述交流电源模块1能够提供稳定电压和频率，所述三相滤波电路2用于滤去输出电压中的纹波，所述三相整流电路3用于将交流电转换为直流电，所述三相逆变电路4与所述三相整流电路3相对应，所述三相逆变电路4用于将直流电变成交流电。

其中，所述三相滤波电路2包括：第一滤波电感8，所述第一滤波电感8的第一端与所述第一交流电源5的正极端电连接；第二滤波电感9，所述第二滤波电感9的第一端与所述第二交流电源6的正极端电连接；第三滤波电感10，所述第三滤波电感10的第一端与所述第三交流电源7的正极端电连接；第一滤波电容11，所述第一滤波电容11的第一端与所述第一滤波电感8的第二端电连接；第二滤波电容12，所述第二滤波电容12的第一端与所述第二滤波电感9的第二端电连接，所述第二滤波电容12的第二端与所述第一滤波电容11的第二端电连接；第三滤波电容13，所述第三滤波电容13的第一端与所述第三滤波电感10的第二端电连接，所述第三滤波电容13的第二端与所述第二滤波电容的第二端电连接。

本发明的上述实施例所述的swiss矩阵变换器拓扑结构，所述三相滤波电路2对输入电流进行滤波，消除谐波，使输入电流接近正弦，用于缓和电网的电压畸变。

其中，所述三相整流电路3包括：三相全桥电路，所述三相全桥电路的第一端与所述第一滤波电感8的第二端电连接；双向开关模块，所述双向开关模块的第一端与所述三相全桥电路的第二端电连接；第一buck斩波电路，所述第一buck斩波电路的第一端与所述三相全桥电路的第三端电连接，所述第一buck斩波电路的第二端与所述双向开关模块的第二端电连接；第二buck斩波电路，所述第二buck斩波电路的第一端与所述三相全桥电路的第四端电连接，所述第二buck斩波电路的第二端与所述第一buck斩波电路的第二端电连接。

本发明的上述实施例所述的swiss矩阵变换器拓扑结构，所述三相整流电路3控制方法，包括以下步骤：根据三相输入电压瞬时值的大小关系在时间上将输入电压划分为六个扇区，扇区的划分原则如下：

ua＞ub＞uc的区间定为扇区ⅰ；

ub＞ua＞uc的区间定为扇区ⅱ；

ub＞uc＞ua的区间定为扇区ⅲ；

uc＞ub＞ua的区间定为扇区ⅳ；

uc＞ua＞ub的区间定为扇区ⅴ；

ua＞uc＞ub的区间定为扇区ⅵ；

每个扇区中任一时刻上桥臂三个开关，所述第一开关管14、所述第三开关管16、所述第五开关管18中对应输入电压瞬时值最大的那个开关，以及下桥臂三个开关所述第二开关管15、所述第四开关管17、所述第六开关管19中对应输入电压瞬时值最小的那个开关一直导通，剩下的四个开关一直关断，能量正向流动时，电流流经开关管中的二极管，能量反向流动时，与二极管反并联的开关管承载电流，开关管采用的是igbt开关管，所述双向开关模块中，三相输入电压瞬时值绝对值最小的那一相对应的双向开关一直导通，其余两个双向开关一直关断，所述第一buck斩波电路和所述第二buck斩波电路的高频开关进行高频调制以合成期望的输入电流矢量，其中所述第十三开关管26与所述第十四开关管27互补，所述第十五开关管28与所述第十六开关管29互补。

其中，所述三相全桥电路包括：第一开关管14，所述第一开关管14的发射极与所述第一滤波电感8的第二端电连接；第二开关管15，所述第二开关管15的集电极与所述第一开关管14的发射极电连接；第三开关管16，所述第三开关管16的集电极与所述第一开关管14的集电极电连接，所述第三开关管16的发射极与所述第二滤波电感9的第二端电连接；第四开关管17，所述第四开关管17的集电极与所述第三开关管16的发射极电连接，所述第四开关管17的发射极与所述第二开关管15的发射极电连接；第五开关管18，所述第五开关管18的集电极与所述第三开关管16的集电极电连接，所述第五开关管18的发射极与所述第三滤波电感10的第二端电连接；第六开关管19，所述第六开关管19的集电极与所述第五开关管18的发射极电连接，所述第六开关管19的发射极与所述第四开关管17的发射极电连接。

其中，所述双向开关模块包括：第一双向开关，所述第一双向开关的第一端与所述第一滤波电感8的第二端电连接；第二双向开关，所述第二双向开关的第一端与所述第二滤波电感9的第二端电连接，所述第二双向开关的第二端与所述第一双向开关的第二端电连接；第三双向开关，所述第三双向开关的第一端与所述第三滤波电感10的第二端电连接，所述第三双向开关的第二端与所述第二双向开关的第二端电连接；

其中，所述第一双向开关包括：第七开关管20，所述第七开关管20的集电极与所述第一滤波电感8的第二端电连接；第八开关管21，所述第八开关管21的发射极与所述第七开关管20的发射极电连接；所述第二双向开关包括：第九开关管22，所述第九开关管22的集电极与所述第二滤波电感9的第二端电连接；第十开关管23，所述第十开关管23的发射极与所述第九开关管22的发射极电连接，所述第十开关管23的集电极与所述第八开关管21的集电极电连接；所述第三双向开关包括：第十一开关管24，所述第十一开关管24的集电极与所述第三滤波电感10的第二端电连接；第十二开关管25，所述第十二开关管25的发射极与所述第十一开关管24的发射极电连接，所述第十二开关管25的集电极与所述第十开关管23的集电极电连接。

其中，所述第一buck斩波电路包括：第十三开关管26，所述第十三开关管26的集电极与所述第五开关管18的集电极电连接；第十四开关管27，所述第十四开关管27的集电极与所述第十三开关管26的发射极电连接，所述第十四开关管27的发射极与所述第十开关管23的集电极电连接。

其中，所述第二buck斩波电路包括：第十五开关管28，所述第十五开关管28的发射极与所述第六开关管的发射极电连接；第十六开关管29，所述第十六开关管29的发射极与所述第十五开关管28的集电极电连接，所述第十六开关管29的集电极与所述第十四开关管27的发射极电连接。

本发明的上述实施例所述的swiss矩阵变换器拓扑结构，所述三相整流电路3将输入的正弦交流电压转化成六脉波直流电，并通过控制整流级所述第一buck斩波电路和所述第二buck斩波电路，使得直流输出电压和两相输入线电流的开关周期平均值可控，由基尔霍夫电流定律可知，与输入侧剩余一相连接的双向开关的电流将自动被另外两相输入线电流决定，因此只要控制好所述第一buck斩波电路和所述第二buck斩波电路的输入电流就可以达到输入侧三相电流正弦以及输出电压可控的目的。

其中，所述三相逆变电路4包括：第十七开关管30，所述第十七开关管30的集电极与所述第十四开关管27的集电极电连接；第十八开关管31，所述第十八开关管31的集电极与所述第十七开关管30的发射极电连接，所述第十八开关管31的发射极与所述第十六开关管29的发射极电连接；第十九开关管32，所述第十九开关管32的集电极与所述第十七开关管30的集电极电连接；第二十开关管33，所述第二十开关管33的集电极与所述第十九开关管32的发射极电连接，所述第二十开关管33的发射极与所述第十八开关管31的发射极电连接；第二十一开关管34，所述第二十一开关管34的集电极与所述第十九开关管32的集电极电连接；第二十二开关管35，所述第二十二开关管35的集电极与所述第二十一开关管34的发射极电连接，所述第二十二开关管35的发射极与所述第二十开关管33的发射极电连接。

本发明的上述实施例所述的swiss矩阵变换器拓扑结构，所述三相逆变电路4可以实现直流电到交流电的转化，通过控制逆变级，调整输出电压的幅值、相位、频率，所述三相逆变电路4的控制方法为：根据期望的输出三相电压和整流器输出直流电压平均值，采用空间矢量调制或者载波调制方法产生合适的逆变电路开关信号，以合成期望的三相输出电压。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。