矩阵式变换器双向开关四步换流技术研究

引言

1979年，意大利学者M.Venturini第一次提出了矩阵式变换器存在理论及控制策略。与传统的交—交变频器及交—直—交变频器相比，矩阵式变频器具有明显的优点：高功率因数、低谐波污染、可四象限运行、无中间储能环节、体积小且效率高。随着交流变频调速技术成为当代电气传动中实现自动化和节能的主要技术手段，矩阵式变换器(MC)的研究已成为电力电子技术研究的热点之一。

1 矩阵式变换器及双向开关

图1是矩阵式变换器的原理性结构，它可用一个虚拟的整流器和虚拟的逆变器构成。采用这样的结构可以充分利用交—直—交变换器中成熟的PWM技术。三相矩阵式变换器采用9个双向开关组成3×3的矩阵式结构，因而三相输入中的任意一相可与三相输出的任意一线相连，采用一定的开关控制策略可使输出线间平均输出电压为所需频率下的正弦调制电压，同时可使输入电流正弦并与输入电压同相。调制过程中，组成双向开关的单向器件间的换流是矩阵式变换器实现中的关键。

目前常用的IGBT组合双向开关主要有3种形式，即由单个IGBT和二极管组合成的桥式双向开关，共发射极反向串联IGBT组合的双向开关和共集电极反向串联IGBT组合的双向开关，如图2所示。
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桥式组合双向开关任意时刻都有三个器件参与导通，导通压降较大，损耗较高。共发射极和共集电极反向串联IGBT组合双向开关使用两个IGBT，利用器件内部的续流二极管以阻挡反向电压，结构紧凑，方便简单，开关损耗也较低，故获得了广泛的应用。

2 三种换流方案的比较

2.1 死区换流方案

安排死区以避免换流时刻输入线间短路，缺点是在有缓冲电路和电感性负载时开关为硬开关运行方式，缓冲能量被释放时会伴随能量损耗。

2.2 重叠换流方案

重叠换流是以输入线间短暂的短路过程来实现电流的切换，缺点是限流电感体积大、成本高，同时又有可能引入新的过电压。

2.3 四步换流方案

为保证MC的输入电流和输出电压都是正弦波，对9组双向开关都实行PWM控制，各开关须按一定规律进行切换。为了保证安全切换，同一相输出的任意两组开关不能同时导通，否则将造成输入两相短路；三相开关也不能同时断开，即在两组开关切换期间不能插入死区，否则就造成感性负载开路而感应高电压。这样，既不能两组开关交叠导通，又不允许有切换死区，必须有严格的逻辑控制才行，四步换流方案能很好地满足这个要求。

3 四步换流过程

图3是接到同一相负载的两组双向开关的换流示意图。u1及u2表示两相输入电压瞬时值，S1和S2表示两组双向开关，p和n表示每组开关的正向和反向，uL和iL分别是负载上的输出电压和电流。