[发明专利]三相矩阵变换器及其操作方法

说明书

本发明涉及一种三相矩阵变换器及其操作方法。譬如，对于采用异步或同步电机的工业调速驱动装置，本发明便适用于它。

硬开关变换器和软开关变换器均有一个直流中介电路，而三相矩阵变换器实行单级功率转换，它将幅值频率一定的三相交流电压转换为幅值频率可变的三相交流电压(参看：如，M.G.B.Venturini and A.Alesina,“Intrinsic Amplitude Limits and Optimum Design of 9-Switches Direct PWM-AC-AC Converters”,Conf.Rec.IEEE-PESC,1988,pp.1284-1291)。此处的硬开关变换器和软开关变换器指的是，在变换器开关过程(换流过程)中，硬开关变换器功率损耗较大，而软开关变换器的功率损耗则较小。矩阵变换器的进一步发展其特征在于：实现了空间矢量调制，在场定位的驱动装置中使用矩阵变换器，在必需的四象限开关中采用可反向关断的IGBT。

相对于常规的硬开关PWM整流器/直流中介电路/变换器装置，矩阵变换器有许多优点，例如，由于矩阵变换器是实行单级的功率转换，所以它的中介电路不需任何电容器件。另外，由于矩阵变换器的换流电压要比常规带直流中介电路变换器的换流电压低很多，所以前者比后者带直流中介电路装置的损耗少。尽管带直流中介电路的变换器只需24个电力半导体(如12个IGBT,12个二极管)，而矩阵变换器需要36个电力半导体(如18个IGBT,18个二极管)，但是两种变换器安装的总开关容量通常是相同的，原因是矩阵变换器的开关额定电流可减少三分之一。

然而，如果硬开关变换器采用了诸如IGBT的器件，那么大量的开关损耗将会限制变换器的最大开关频率，在中等功率范围内，这种最大开关频率通常约为10～25kHz。高压电力半导体器件，如GTO,IGBT及MCT等，它们的下降时间与尾部时间要大一些，在大功率运行时将会加剧上述影响，这样要么需要增加极大极贵的滤波元件，要么作为负载的驱动电机将会增大其损耗。

本发明的一个目的是提供本文开头所述类型的一种三相矩阵变换器，该变换器的功率密度大、效率高而且允许较高的切换频率。

本发明的另一目的是提供一种操作上述三相矩阵变换器的方法。

根据本发明的一个方面，可以实现一种矩阵变换器，其用于将预定幅值和频率的交流电压单级转换为任意幅值和频率的交流电压，该变换器包括：

作为主开关工作的多个双向开关，这些双向开关组合成具有三相输出连接的三个开关组；

多个谐振电容，每个与所述主开关的相应一个并联连接；

多个辅助换流器，每个连接在所述开关组的相应两个的所述三相输出连接之间，所述辅助换流器每一个具有一个作为一个双向开关构造的辅助开关和与所述辅助开关串联连接的一个谐振电感；以及

所述主开关在一个切换频率的每个周期在所述三个开关组的每一个中具有一个切换顺序，该切换顺序包括两个容性换流和一个感性换流，通过以所述主开关使用所述谐振电容和与两个所述谐振电感串联的两个所述辅助开关改变电流的一个极性将感性换流变换为容性换流，其中两个所述谐振电感连接在输送具有相反方向的电流的输出相之间，在最初的传导开关的一个最短负载周期结束之后，以及在该切换频率的一个周期结束时有选择地同步所述开关组中的输出电流的所变换的感性换流。

根据本发明的另一方面，可以实现一种三相矩阵变换器的操作方法，该方法包括：选用开关组的开关切换顺序为输入电压间隔(1至6)和输出电流(i_o1至i_o3)极性的函数，通过这种方法产生两个容性换流和一个感性换流过程；选用脉冲触发，这样在每个开关频率(f_s)周期(T_s)内，将产生与脉冲同时的感性换流过程；在主开关主动切换之前，利用辅助换流器改变主开关电流(i_sg1、i_sg2、i_sg3)的极性，使得自然感性换流过程转变为容性换流过程。

具体地说，通过本发明可实现这样一种优点，即本发明的三相准谐振矩阵变换器在中、高开关频率运行时，其开关损耗和总损耗均比硬开关矩阵变换器低得多。采用专门的脉冲触发及附加的辅助换流器，该辅助换流器包括三个四象限开关及三个谐振电感，这样，整个变换器就可以实行软开关切换和PWM控制了。因此，该矩阵变换器可有利地实现零压切换(ZVS)，而辅助换流器的辅助开关可实现零电流切换(ZCS)。