嵌入Boost电路的矩阵变换器(BoostMC)基础理论研究

摘要

矩阵变换器由于输入电流和输出电压为品质良好的正弦PWM波形，输入功率因数可调，结构紧凑，效率高，谐波污染小，成为当前的研究热点。
　　 输入端采用矩阵式整流和输出端采用普通PWM逆变方式，并各自独立控制的交-直-交型矩阵变换器，能够在一定程度上克服传统变换器的不足。然而，交-直-交型矩阵变换器由于受到了本身电路拓扑结构的限制，依然没有解决输出电压较低的问题。根据理论分析，采用双电压空间矢量调制方法，且当输入功率因数为1时，电压传输比理论上的最大值为0.866，从而在电机传动系统等需要电压传输比为1的应用场合受到限制。针对矩阵变换器电压传输比低这一问题，一些学者和专家提出了过调制和谐波注入的控制方法，提高了矩阵变换器的电压传输比，使其接近于1.0，但输出谐波含量过高，不利于应用。
　　 本文在提出的新型的嵌入Boost电路的矩阵变换器电路拓扑结构的基础上，确保电压传输比为1.0的同时，比较该拓扑结构和传统交直交矩阵变换器的拓扑结构的相似性；通过对该拓扑结构及其等效电路的研究，确定了主电路方案及电路参数；将Boost MC等效分解为整流电路、升压电路和逆变电路三个部分并进行了谐波分析，分析开关函数高频分量与Boost MC器输入电流高频分量的关系；对该拓扑结构建立了基于dq坐标系的数学模型，并用数值分析的方法对能控性、能观性和稳定性进行分析；借鉴目前矩阵变换器、Boost逆变器已有的理论成果，分析了电容电感参数对系统的影响，研究了电压传输比、输出波形总谐波失真度等主要性能指标与电路参数及控制参数之间的变化规律；构建了仿真模型，对主电路拓扑与控制策略的有效性和可行性进行验证，对电压传输比、输出波形总谐波失真度等主要性能指标与电路参数及控制参数之间的变化规律进行了验证；制作了实验样机，进行了提高矩阵变换器电压传输比的试验研究，为该新型矩阵变换器的工程化应用打下基础。