基于串联型Z-源和五桥臂逆变级的双级矩阵变换器研究

摘要

双交流电机驱动系统具有转矩脉动小、系统可靠性高和直流母线电流谐波含量少等优点，在电动汽车、城市轨道交通和航空航天等领域取得了广泛应用。随着电力电子技术和电力电子器件的发展，双交流电机驱动系统正朝着小型化、经济化和节能化的方向发展，因此对双输出功率变换器在空间体积、制造成本和可靠性等方面提出了更高的要求。双级矩阵变换器(two-stage matrix converter, TSMC)作为一种新型的“绿色”功率变换器，由于具有功率密度高、输入输出正弦和功率因数可控等诸多优点，已经受到国内外学者的广泛关注。五桥臂逆变级TSMC(five-leg inverter stage TSMC, FLI-TSMC)是在TSMC基础上衍生的一种新型双输出功率变换器拓扑。与传统五桥臂变换器相比，FLI-TSMC拓扑消除了变换器的中间储能元件，使电路的结构更加紧凑、系统的稳定性更高。但是该拓扑具有总最大电压传输比为0.866、输出特性受输入电压影响大等缺陷而限制了其应用范围。本文将近年来提出的串联型 Z-源网络引入到 FLI-TSMC拓扑中，利用串联 Z-源网络特有的性质，解决了 FLI-TSMC拓扑的一些固有缺陷，为双输出功率变换器的进一步发展提供了理论基础。
　　本文将 Z-源网络串联于 FLI-TSMC的整流级和逆变级之间，提出了一种串联型 Z-源五桥臂逆变级双级矩阵变换器(series Z-source five-leg inverter stage TSMC, SZS-FLI-TSMC)拓扑，详细分析了其工作原理和调制策略；针对直通矢量的插入方式和逆变级修正因数对系统的影响，本文提出了一种动态 Z-源升压系数的双空间矢量调制策略，消除了死区换流时间，有效地提高了逆变级调制系数，减小了 Z-源电容电压应力；针对 Z-源网络存在启动冲击电流大的问题，本文还提出了一种逆变级调制系数最优的线性软启动控制方式，有效地减小了启动冲击电流。在MATLAB中搭建了SZS-FLI-TSMC开环系统仿真模型，通过仿真验证了所提拓扑、调制策略和控制策略的可行性，最后设计了 SZS-FLI-TSMC的实验平台，以DSP和CPLD为控制核心，其主要包括输入滤波电路、主开关电路、驱动电路、信号调理电路和辅助电源电路等。利用实验平台验证了本文所提拓扑及调制策略和软启动控制策略的有效性和可行性。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 双输出功率变换器研究背景及意义

1.2 双输出功率变换器的发展及趋势

1.3 Z-源网络研究现状

1.4 本文主要研究内容及章节安排

第2章 FLI-TSMC拓扑结构及其调制策略

2.1 FLI-TSMC拓扑结构及工作原理

2.2 FLI-TSMC空间矢量调制策略

2.3 FLI-TSMC仿真分析

2.4 本章小结

第3章 串联Z-源逆变器及其工作原理

3.1 串联Z-源逆变器拓扑结构及其工作原理

3.2 串联Z-源网络参数设计

3.3 串联Z-源逆变器仿真分析

3.4 本章小结

第4章 SZS-FLI-TSMC拓扑结构及其调制策略

4.1 SZS-FLI-TSMC动态模型

4.2 SZS-FLI-TSMC改进型调制策略

4.3 软启动控制

4.4 仿真分析

4.5 本章小结

第5章 SZS-FLI-TSMC的系统设计

5.1 SZS-FLI-TSMC系统实现方案

5.2 硬件电路设计

5.3 软件设计

5.4 试验结果分析与总结

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 本文工作总结

6.2 后续研究工作展望

参考文献

致谢

个人简历、在校期间发表学术论文与研究成果