基于四步换流策略的矩阵整流器的研究

摘要：本文在分析比较几种换流策略的基础上，着重分析四步换流策略的优点及其安全性，并利用基于空间矢量法的四步换流策略的矩阵整流器的仿真模型，通过Matlab/Simulink7.0软件进行仿真。仿真结果表明基于四步换流策略的矩阵整流器输出的电压所含谐波成分较少，畸变较小，特别在处理电流过零点的脉冲信号，四步换流策略更能做到安全换流。基于该理论分析和仿真结果，采用可编程逻辑器件（CPLD）实现，硬件电路实现结果验证了理论分析和仿真结果的正确性。

Abstract： The paper analyzed and compared several commutation strategies， especially the four-step commucation strategy. Then， it had been simulated by the matrix rectifier model based on space vector method in the software of Matlab/Simulink7.0. The results show that by using four-steps commutation strategy， the output voltage of Matrix rectifier owned lower harmonic components and small distortion. It is succeed in safety current converter particularly in the procession of zero current. Because of those theorists， the hardware circuit which adopted programmable logic device also proved the theoretical analysis and the simulation results are right.

关键词： 矩阵整流器；空间矢量调制；四步换流策略；可编程逻辑器件

Key words： matrix rectifier；space vector modulation；four-steps commutation strategy；programmable logic device

中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）07-0026-03

0 引言

矩阵整流器是一种比较新型的通用降压型三相AC-DC变换器，具有能够实现四象限运行，功率密度大，以及提供正弦的输入电压和输入电流，输入功率因数可调等优点[1-4]，吸引了越来越多研究者的关注。但到目前为止，矩阵式整流器仍停留在试验阶段。制约矩阵式整流器实用化进程的因素很多，换流问题就是其中之一。国内外许多学者对矩阵式整流器的换流策略进行过研究，提出了许多换流方法，主要有四步换流、两步换流、一步换流等。

虽然传统的两步换流和一步换流实现了在短时间内双向开关之间的换流，但它每一步的进行都与电压状态和电流方向相关，在小电流的采样、计算处理很难做到非常准确，及时的响应；同时在输出电流过零点两侧必须设置死区，如果在输出电流处于死区范围内禁止换流，在区间换流时及需要流过双向电流时可能导致失败。为此，可采用四步换流策略在处理小电流检测范围运用类似滞环比较器的原理实现安全换流。并且本文从实际应用出发，通过Matlab/Simulink仿真及运用CPLD器件实现硬件电路，仿真结果和硬件电路的实现结果表明此方法使矩阵整流器的输出电压所含谐波成分较少，畸变较小。

1 电流型空间矢量调制算法

空间矢量调制策略：空间矢量调制法是一种电路变换的PWM调制策略[5-6]。其调制机理为：输入相电流空间矢量调制过程如图1和图2表示，根据检测到的输入相电压空间矢量■ref和设定的输入相位差θ可以确定希望得到的输入相电流空间矢量的位置。

图1中：ia，ib，ic是3个零电流矢量。■1，■2，■3，■4，■5，■6 代表6个非零电流矢量，由2个零电流矢量和6个非零电流矢量合成一个复平面。目标电流矢量合成如图2所示。将■ref在三相静止坐标系上的投影在时间上展开，根据图2目标电流矢量■ref的合成可以获知■ref是由■α，■β合成的。相位角超前的一个为■α，相位角滞后的一个为■β，■α与■ref的夹角为θ，且θ∈？骔0，60°。将■α和■β进行PWM合成，就可以得到目标电流矢量■ref。每个扇区输入电流矢量的合成为：■■=■■■+■■■+■■■（1）

其中有效矢量■α、■β、零矢量■o的占空比函数分别为：

d■（θ）=■=■■sin（60°-θ）=msin（60°-θ）d■（θ）=■=■■sinθ=msinθd■（θ）=1-d■（θ）-d■（θ）（2）

上式2中d■（θ）、d■（θ）和d■（θ）分别为■α、■β和■o的占空比函数，m为电流调制度，且m=■■=■■，将d■（θ）分配给S22，将d■（θ）分配给S23，将d■（θ）分配给S21，对其它几个输入相电流扇区可做同样的分析[9-11]。

2 换流策略分析

换流控制方法是矩阵式整流器的关键技术之一。矩阵式整流器要做到安全换流，必须严格遵守两个基本原则，即要保证在运行过程中，输入侧电路没有短路，输出侧电路没有断路。如图3，设初始状态下，双向开关S11导通，Va通过S11提供负载电流，现在要使负载电流转换到S12上。如果S12在S11关断之前导通，则Va-S11-S12-Vb形成一条短路路径，将产生很大的短路电流从而烧毁双向开关和电源，如果S12在S11关断之后才导通，则负载电流断续，负载中的电感将产生很大的电压加在打开的双向开关上，将损坏双向开关。所以“交叠”和“死时”都是不允许的，而严格的无交叠无死时又是很难做到的[9，10]。原因是不同开关器件的开通延时，关断延时和驱动电路的延时都有个体差别。为了解决这个问题，N.Burany在1989年提出了多步切换法则，即不把一对双向开关当作一个整体对待，而是分为正负两部分分别进行控制。主要有四步换流法，两步换流法和一步换流法。本文采用四步换流法。

2.1 四步换流策略 四步换流策略依赖于对负载电流I方向的鉴别，以由Va输入相换流到Vb输入相为例，在PWM信号变换点，要求导通双向开关S12，关断双向开关S11。四步换流策略基于电压检测及负载电流IL方向的鉴别，下面对其工作原理进行分析。若换流时Va>Vb，换流开始前组成双向开关S11的两个S11a和S11b均被提供导通驱动电压，而组成S12的S12a和S12b均被提供关断电压。

如图4所示，当电流方向为正，第一步：关断S11b，由于此时负载电流的流通路径为：Va-S11a-负载所以关断S11b是安全的，不会导致负载电流断续。第二步：开通S12a，开关管S12a与S11a的导通方向一致，故开通S12a也是安全的。第三步：关断S11a、S11a关断后，负载电流将由Vb提供，此时负载电流由S11转移至S12。第四步：开通S12b，为了使双向开关S12可以导通双向的电流，最后一步需要开通S12b，为负载电流反向时提供电流路径。当负载电流方向为负时，开关管的切换顺序为①关断S11a；②开通S12b；③关断S11b；④开通S12a。

2.2 电流过零点时脉冲信号处理 在换流过程中，当电流过零点时，以上的四步换流测量在两种情况下容易引起故障。其一是：当采用电流型霍尔传感器进行电流检测时会产生延迟时间，信号在处理及传输时也会产生延时时间。延时时间过长会导致在第一步关断开关S11b到第四步开通S12b时间段输出电流减小到零后还没有检测到反向电流通路，此时感性负载电流突然断路。另一情况是：在关断了反向开关出现电流反向变换时候，会使负载电流突然断路。这两种情况都将导致所有连接到该输出相的开关器件两端出现电压尖峰。为解决电流过零点出现的问题，可根据所用的电流霍尔传感器的精度，响应时间和信号处理的延迟时间设定一段死区时间。再根据这段时间和电流幅值确定一个电流范围，当输出电流位于该范围内时就禁止换流动作，脉冲信号保持不变。当电流的幅值变换到这个设定的电流范围之外，就重新开启换流动作。

3 仿真分析

3.1 仿真模型 利用Matlab软件中的Simulimk7.0建立仿真电路，它由主电路模块、控制电路模块组成。系统仿真模型如图5所示。主电路模块包括：三相输入电源、输入滤波器、开关矩阵、输出滤波器、负载组成。控制电路模块由电压检测，电流型空间矢量（SVM）控制策略仿真，脉冲分配电路组成。输入三相交流电为每相220V/50HZ的对称电源，负载电阻为5Ω，电感5mH的带感性负载，输入滤波器参数为滤波电感1mH，滤波电容20uF，输出滤波器参数为滤波电感5mH，滤波电容10uF，开关频率10KHZ，仿真算法采用ode3t，相对精度为1e-3，调制系数0.8。

3.2 仿真结果及分析 按照上述建立的仿真模型仿真，当m=0.8时，输出直流电压的理论值Vo≈373V。如图6所示m=0.8时，输出直流电压的试验值约为370V，可见输出直流电压的实验值与理论值基本相符。仿真用的负载电阻为5Ω，理论上计算得的电流大小为74A，图6所示的电流大小Io=74A。电流和电压波形在0.2秒之后基本无尖峰。可见采用空间矢量调制算法及四步换流策略设计的矩阵式整流器在输入电压平衡状态下，输出电压，电流值的大小符合矩阵式交流-直流整流器的理论推导值。

3.3 用CPLD实现四步换流 在矩阵交流-直流整流器中，换流控制电路独立于其他控制部分。用CPLD实现四步换流，原理框图如图7所示。CPLD采用Xilinx公司XC9500系列中的XC9572型号芯片，根据检测到的负载电流方向，电压扇区信号以及来自DSP输出的脉冲宽度信号，按照四步换流控制规律，对构成双向开关的两个功率开关进行独立控制。负载电流方向及大小检测电路是采用霍尔传感器测量元件。在CPLD芯片内部，首先通过双向开关控制逻辑发生器计算出6对双向开关的控制信号，然后通过换流代码发生器获得换流代码，在换流过程中，通过一个DFFE组锁定该换流代码，并通过8位计数器控制换流步长。根据仿真模型进行样机试验，由图8试验波形可见，采用基于电流检测的四步换流策略可以减少输出电压的谐波成分，减小过零点附进的畸变。

4 结束语

本文为矩阵整流器安全换流提出了一种基于电流检测的四步换流策略。解决了传统的两步换流和一步换流在电流过零点时的延时及输出电流不准确的问题；而且基于四步换流策略的矩阵整流器提高了运行的安全性和可靠性。仿真和硬件实现结果表明，基于四步换流策略的矩阵整流器输出的直流电压无畸变，谐波成分少，对工业节能和新能源的并网具有重要的意义。

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