一种具有直流稳压输出功能的双级式三相四桥臂矩阵变换器

摘要

本发明公开了一种具有直流稳压输出功能的双级式三相四桥臂矩阵变换器。其中直流变换部分可以基于双管正激电路、双管反激电路或全桥变换电路进行衍变，并采用矩阵变换器的中线桥臂功能复用的策略。控制方式采用直直变换电路与矩阵变换器同步配合控制。三相四线制交流输出部分可为不平衡或非线性负载提供稳定的三相电源，同时直流输出部分为直流负载提供隔离的直流电压源。该新型拓扑整体结构紧凑，电路利用率高，而且其控制方式维持了输入电流的高度正弦性和整流级的零电流开关条件，交流和直流输出相互之间无影响，具有较高的应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种矩阵变换器，特别是面向独立供电系统应用场合的具有直流稳压输出功能的双级式三相四桥臂矩阵变换器新型拓扑。 

背景技术

矩阵变换器(MC)不含储能电容，具有结构紧凑、体积重量小、稳定性好、使用寿命长等优点，能够在恶劣的自然环境下坚持工作。双级式矩阵变换器是基于矩阵变换器的概念发展而来的一种新型拓扑，继承了传统MC不含储能电容的优点，同时克服了输出侧无续流回路，换流困难，需要箝位电路等诸多缺点，具有更高的应用价值。 

在双级式矩阵变换器(TSMC)的基础之上，增加中线桥臂，可为负载中的零序电流提供流通回路，在非平衡和非线性负载下，提供稳定平衡的三相电压，非常适合独立供电系统的应用需求。因此，双级式三相四桥臂矩阵变换器(3×4TSMC)可为偏远地区或海岛等不宜架设传统输电线路或架设成本过高的地区提供因地制宜的独立三相交流电源系统；可为楼宇、厂房等重要设施提供应急电源；也可为飞机、电力机车等交通工具提供稳定的三相交流电源；还可为军用装甲车辆等提供战场移动电源。尤其在航空和军用领域，发电系统往往处于高热、高压的环境条件下，3×4TSMC不含有传统交直交变换器中的储能元件，因此适应性更强。 

然而，在某些独立电源系统中，如飞机供电系统，既有交流负载，又有数量可观的直流负载。由于TSMC的整流环节没有储能电容以形成高压直流母线，因此若独立供电系统采用TSMC作为主要的功率变换器，则还需要配备一系列的AC/DC、DC/DC等辅助变换器，设备繁多，控制复杂，造成资源浪费和不稳定因素的增加。因此，研究一种具有直流输出功能的3×4TSMC拓扑结构，具有重要的实用价值和研究意义。 

目前已有的几种具有直流输出功能的矩阵变换器拓扑，均出于为交流电机的励磁电路供电的目的而提出，不具备独立供电系统中直流稳压输出的能力。专利[1]利用箝位电路的直流环节，进行斩波控制，为电机励磁电路供电，流经箝位电路的电流不在MC输入电流的控制范围内，削弱了MC对其输入电流波形的改善能力；专利[2]在MC的基础 上，增加第四桥臂用于励磁控制，一定程度上减少了励磁电流对MC输入电流畸变的影响，但需要额外增加6个开关管。专利[1]与[2]均针对传统MC提出，不适用于TSMC。专利[3]利用TSMC的直流环节作为直流调压电路的输入电压，但其三相三线制的输出结构带不平衡负载运行的能力不足，而且H桥与MC相互独立的控制方式，影响了整流级电路实现零电流开关(ZCS)的条件，即不能保证整流级开关切换的时刻直流母线电流为零。 

本发明克服了以往电路拓扑的缺点，将中线桥臂与直流变换电路相结合，提出了一系列新型的具有直流输出功能的3×4TSMC拓扑结构。 

参考文献： 

[1]仇红奎，周波，张绍.具有直流励磁功能的交流电机矩阵式控制器 

[2]姜田贵，周波，史明明，毛怡然.具有励磁功能的三相四桥臂矩阵变换器 

[3]史明明，周波，魏佳丹，李全春，毛怡然.具有直流励磁调节和电压频率变换的双级式矩阵变换器 

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提出一种新型的具有直流输出功能的3×4TSMC拓扑结构。这种新型拓扑不仅可以提供三相四线制输出的交流电源，而且可以同时提供隔离的直流稳压电源。 

本发明采用如下技术方案： 

一种具有直流输出功能的双级式三相四桥臂矩阵变换器，包括三相桥式结构，三相四桥臂输出电路(2)和双管正激电路以及不含储能电容的直流环节，双管正激电路包括第一正激支路和第二正激支路；其中三相桥式结构、三相四桥臂输出电路和第一支路均并联于直流环节；三相四桥臂输出电路的中线桥臂与双管正激电路的第二支路为同一个桥臂，三相四桥臂输出电路为不平衡或非线性三相负载提供三相平衡电压，双管正激电路为直流负载提供直流电压。 

所述双管正激电路可用双管反激电路或全桥变换电路等隔离型的直直变换电路取代，构成不同型式的具有直流输出功能的三相四桥臂矩阵变换器。 

TSMC的逆变级为三相四桥臂输出结构，采用基于载波调制的控制方式，并通过优化使得中线桥臂的占空比波动范围不超过0.4～0.6，以此中线桥臂作为直流变换电路的一个支路。该直流变换电路可以基于双管正激、双管反激或全桥变换电路进行衍变，而获得不同型式的拓扑。以双管正激电路为例，在3×4TSMC的直流环节上增加一个带反并联二极管的IGBT和一个快恢复续流二极管组成的桥臂，辅以适当的变压器和副边电路， 构成完整的双管正激变换电路。该双管正激电路的占空比变换范围应限制在0～0.4之间，其控制方法也必须与3×4TSMC的控制过程相互配合。本发明除了具有上述直流输出的功能以外，还具有以下显著的特点： 

1)3×4TSMC的中线桥臂既为负载电流的零序分量提供流通回路，又为双管正激电路提供电流。实现了功能复用，提高了电路利用率。 

2)采用双管正激电路实现了直流输出电路与交流输出电路的电气隔离。通过变压器降压，减少了3×4TSMC直流环节电压波动对副边的影响。 

3)通过正激电路与3×4TSMC相互配合的控制方式，可以确保在整流级开关状态切换之前，直流母线电流为零，整流级仍然能够实现ZCS。 

4)合理设计双管正激电路在不同的整流级开关状态下的占空比公式，可使输入电流保持较高的波形质量，正弦度高，THD小。 

5)直流负载的突变对交流输出电路的输出性能无影响，反之亦然。 

6)将双管正激电路替换为其他隔离型的直直变换器，上述结论不变。 

附图说明

图1基于不同直直变换器，具有直流输出功能的3×4TSMC的拓扑结构：(a)双管正激； 

(b)双管反激；(c)全桥变换； 

图2一般双管正激电路的拓扑结构示意图； 

图3基于中线桥臂功能复用的双管正激变换器等效电路。 

具体实施方式

下面对本发明的新型拓扑和控制方式作进一步阐述。 

1.拓扑结构 

图1所示为本发明所提出的新型拓扑结构图，根据其功能的不同，可分为相互独立又紧密联系的三个部分。 

1)整流级电路 

整流级是由6个双向开关S_pa，S_pb，S_pc，S_nc，S_nb和S_nc组成的三相整流电路，双向开关则由两个带反并联二极管的IGBT器件共发射极(E)连接构成。整流级电路的作用是将输入的三相交流电整为直流。由于没有任何储能电容，整流后的电压呈斩波状态。 

2)三相四桥臂逆变电路 

逆变级电路采用三相四桥臂结构，由6个IGBT器件S_Ap，S_An，S_Bp，S_Bn，S_Cp和S_Cn 构成普通的三相桥臂，另外两个IGBT器件S_Np和S_Nn构成中线桥臂。 

3)直流变换电路 

直流变换电路可以采用双管正激、双管反激或全桥变换电路等不同的隔离型直直变换电路，从而构成一系列具有直流输出功能的三相四桥臂矩阵变换器拓扑，如图1(a)是基于双管正激电路衍变的拓扑，(b)是基于双管反激，而(c)是基于全桥变换电路的。下面仅就双管正激具体阐述拓扑的构成方式和控制原理。 

一般的双管正激变换器的原边主功率电路由两个IGBT和两个续流二极管构成，如图2所示。本发明利用逆变部分电路中线桥臂的上管S_Np和下管反并联的二极管D_Nn和作为双管正激电路的一个支路，增加IGBT器件S_F和续流二极管D_F作为另一支路与直流环节相连。适当设计隔离变压器和副边滤波电路，构成完整的双管正激变换电路，简化后的拓扑结构如图3所示。 

2.控制方式 

本发明的电路结构中，直流变换电路与逆变级电路共用同一个桥臂，这两部分的控制过程必须严密配合，才能得到稳定的直流和三相交流输出电压。 

1)3×4TSMC的控制 

3×4TSMC的控制方法已有不少文献进行了研究，较为常用的控制方式是双空间矢量调制，整流级采用输入电流空间矢量调制，逆变级采用输出电压的三维空间矢量调制，具体实现方式在此不再赘述。 

2)直流变换电路的控制 

直流变换电路可采用多种型式，以双管正激电路为例，整流级电路与双管正激电路的拓扑结构简化示意图如图3所示。由于TSMC的直流环节没有电容储能和滤波，在一个调制周期内，有两个不同的直流电平，另外，与中线共用的桥臂支路是以互补模式导通的，这些特点与普通的双管正激电路有所不同，在控制过程中需要特别注意。