[发明专利]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

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。