[发明专利]一种用于矩阵变换器的控制方法及其装置

说明书

技术领域

本发明属于矩阵变换器控制技术，具体涉及一种用于矩阵变换器的控制方法及其装置。该矩阵变换器具有按3×3开关矩阵形式排列的九个双向功率开关，其双向功率开关分别由两个反向串联的半导体开关组成。

背景技术

矩阵变换器是一种没有中间回路的直接变换器。通过将双向功率开关排列成3×3开关矩阵的形式，矩阵变换器的三个输出相的每一相可分别与一个输入相连接，每一个输出相通过三个双向功率开关分别与三个输入相连接。通过控制各个双向功率开关，能将给定的交流输入直接转换成不同电压和不同频率的交流输出，并能得到正弦形的电网电流。

图1详细示出了三相矩阵变换器的拓扑结构图。三相矩阵变换器1由九个双向功率开关2按3×3开关矩阵形式构成，通过控制九个双向功率开关2可以使输出相A，B，C与任意一个期望的输入相a，b，c直接连接。矩阵变换器的每个输出相A或B或C通过三个双向功率开关2与三相输入a，b，c相连接，称为3×1结构3。

在矩阵变换器中，双向功率开关由两个反向串联的半导体开关构成。在中、小功率矩阵变换器中，选用具有一个反并联二极管的绝缘栅极双极晶体管(IGBT)作为此半导体开关。两个反向串联的半导体开关可采用“共发射极”或者“共集电极”的拓扑结构。通过分别控制两个半导体开关，可以将电流路径按某一方向接通，如果双向功率开关中的两个半导体开关同时受到控制，则可使电流向两个方向流动，实现输入相和输出相之间的直接电连接。

图2详细示出了拓扑结构为“共发射极”的双向功率开关2的电路图。每个半导体开关S1和S2可以分别单独控制。如果两个半导体开关S1和S2同时驱动，则双向功率开关2实现双向导通；若仅驱动两个半导体开关S1和S2中的一个，则双向功率开关2实现单向导通。图3示出了双向开关2的电流方向与两个半导体开关S1和S2状态的对应关系。定义负载电流从输入相流向输出相为电流的正方向，则提供正向电流通道的半导体开关S1称为顺管，提供负向电流通道的半导体开关S2称为逆管。

根据输入电流的空间矢量和期望的输出电压的空间矢量，按照矩阵变换器的调制策略，可以确定在每个调制周期中九个双向功率开关的开关状态组合、开关状态顺序以及对应的开关时间常数。按此开关状态顺序和开关时间常数控制双向功率开关，则在每个调制周期中可以获得与期望电压的平均值相同的输出电压。

当矩阵变换器的输出相从一个输入相切换到另一输入相时，为了保证在换流过程中输入相不短路以及输出相不开路，必须严格规定双向功率开关的换流步骤和顺序。因此，双向功率开关安全、可靠、快速的换流策略是矩阵变换器实用化的关键技术之一。许多文献提出了各种换流策略，归纳起来可分为基于输出电流方向的电流型换流策略和基于输入相电压相对大小关系的电压型换流策略。其中，电压型两步换流策略具有换流过程快、开关损耗小、不受运行工况影响、结构简单、成本较低等优点。

下面的讨论只限于电压型两步换流策略。

依据各相输入电压的相对大小关系，在每个电压周期内将输入电压分为I，II，III，IV，V，VI共6个区间，如图4(a)所示。在每个区间内三相输入电压的相对大小关系始终保持不变。定义每个区间三相电压中最高电压为U_P，最高电压相称为P相；三相电压中最低电压为U_N，最低电压相称为N相；三相电压中介于中间的电压为U_M，中间电压相称为M相。三相输入电压在6个区间中的相互关系列在图4(b)中。当输出相与最高电压相连接时称为P状态；当输出相与最低电压相连接时称为N状态；当输出相与中间电压相连接时称为M状态。

传统的电压型两步换流策略定义：在P、M、N状态时，每个3×1结构3中的三个双向功率开关2需要开通四只半导体开关。即，除了2只半导体开关作为电流通道双向开通外，高压相的逆管和低压相的顺管作为辅助换流而开通。传统的电压型两步换流策略还定义了换流过程中的三个暂态PM，MN，NP。P、M、N状态以及PM，MN，NP暂态时，每个3×1结构中三个双向功率开关状态组合及换流策略如图5所示。以P状态为例，P相的2只半导体开关作为电流通道双向开通，同时M相和N相的顺管开通。从图5可以看到，正是由于M、N相的2只半导体开关作为辅助换流而开通，当从P状态换流到M状态时，第一步关断P相的顺管(进入暂态PM)，第二步开通M相的逆管，仅需两步便可从P状态安全换流到M状态。