李 潔，武 佳，王嘉力，鐘彥儒

（1.西安理工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西西安710048；2.特變電工西安電氣科技有限公司，陜西西安710119）

可減小開關(guān)損耗的雙級矩陣變換器調(diào)制策略

李 潔1，武 佳1，王嘉力2，鐘彥儒1

（1.西安理工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西西安710048；2.特變電工西安電氣科技有限公司，陜西西安710119）

提出了一種以降低整流級開關(guān)器件損耗為優(yōu)化目標(biāo)的雙級矩陣變換器無零矢量調(diào)制策略，通過合理安排區(qū)間切換時(shí)的整流級輸出直流電壓，在不改變傳統(tǒng)調(diào)制策略的合成電壓矢量的前提下，降低了雙級矩陣變換器的整流級開關(guān)頻率，減小了開關(guān)損耗，提高了裝置效率。從理論上進(jìn)行了損耗分析，結(jié)果表明該調(diào)制策略可獲得明顯的裝置效率提高。與雙級矩陣變換器傳統(tǒng)無零矢量調(diào)制策略的對比研究表明優(yōu)化后的調(diào)制策略不僅能夠降低開關(guān)損耗，同時(shí)在開關(guān)頻率較低的應(yīng)用場合輸出線電壓的總諧波畸變得到改善，提高了輸出波形質(zhì)量。

雙級矩陣變換器；調(diào)制策略；開關(guān)損耗；裝置效率

1 引言

自2001年提出雙級矩陣變換器（TSMC）拓?fù)湟詠?，TSMC受到了廣泛的關(guān)注。這是由于TSMC除具有傳統(tǒng)矩陣變換器的眾多優(yōu)點(diǎn)外，還有一些傳統(tǒng)矩陣變換器所不具備的優(yōu)點(diǎn)：

1）TSMC整流級可實(shí)現(xiàn)零電流換流；

2）在調(diào)制策略上TSMC可借用傳統(tǒng)PWM調(diào)制策略，避免了矩陣變換器復(fù)雜的4步換流；

3）除使用體積相對較小的交流濾波器外，無需大的儲能元件，使TSMC的可集成性更好。

目前對雙級矩陣變換器的研究主要集中在非正常工況下的控制策略、電壓利用率的提高以及調(diào)制策略的改進(jìn)等方面。

雙級矩陣變換器的調(diào)制策略方面，已經(jīng)開展了許多富有成效的研究工作。文獻(xiàn)［1］提出了一種新的非正常輸入電壓的表示方法以及抗擾分量的概念，通過在整流級調(diào)制矢量中引入抗擾分量來提高雙級矩陣變換器的輸出波形質(zhì)量。文獻(xiàn)［2-3］也分別對非正常輸入時(shí)的TSMC調(diào)制策略做了改進(jìn)和優(yōu)化。文獻(xiàn)［4］提出對零矢量重新分布來改進(jìn)TSMC雙空間矢量調(diào)制策略，有效地降低了雙級矩陣變換器的共模電壓幅值。文獻(xiàn)［5］提出一種適用于TSMC的間接空間矢量調(diào)制策略，免去了逆變級調(diào)制系數(shù)的修正，輸入功率因數(shù)角可調(diào)，能夠更有效地控制無功功率和輸出電壓。文獻(xiàn)［6］為提高TSMC換流可靠性，提出整流級采用雙調(diào)制波來延長整流級零電流換流時(shí)間，解決了窄脈沖導(dǎo)致的換流失敗問題，提高了換流的可靠性。文獻(xiàn)［7-10］針對TSMC使用常規(guī)調(diào)制策略電壓傳輸比低的問題，分別提出新型的雙級矩陣變換器過調(diào)制策略。文獻(xiàn)［11］、文獻(xiàn)［12］將傳統(tǒng)的兩電平逆變器PWM調(diào)制策略應(yīng)用于雙級矩陣變換器的逆變級，簡化了調(diào)制策略，通過實(shí)現(xiàn)零電流換流降低了開關(guān)損耗。

以上文獻(xiàn)在優(yōu)化雙級矩陣變換器調(diào)制策略時(shí)都沒有考慮整流級調(diào)制策略對雙級矩陣變換器開關(guān)損耗的影響。本文通過合理安排區(qū)間切換時(shí)的TSMC直流電壓，使TSMC整流級所有開關(guān)管在區(qū)間切換過程中的開關(guān)狀態(tài)保持不變，在不改變傳統(tǒng)調(diào)制策略的合成電壓矢量的前提下，使TSMC整流級開關(guān)次數(shù)減少，減小了開關(guān)損耗，提高了裝置效率。通過理論分析及仿真分析得到了相關(guān)結(jié)論。

2 TSMC傳統(tǒng)空間矢量調(diào)制策略

圖1為采用逆阻式IGBT（reverse-blocking IGBT—RB-IGBT）的TSMC主電路拓?fù)?。雙級矩陣變換器的空間矢量調(diào)制分為整流級調(diào)制及逆變級調(diào)制兩部分。其中，整流級調(diào)制目的有2個(gè)：

1）在直流側(cè)輸出極性為正的直流電壓，并獲得最大的電壓利用率；

2）使輸入電流矢量跟隨輸入電壓矢量按正弦規(guī)律變化，維持單位功率因數(shù)。實(shí)施調(diào)制策略時(shí)將輸入相電壓的周期分為6個(gè)區(qū)間，如圖2所示。

圖1 雙級矩陣變換器的主電路拓?fù)銯ig.1 Topology of two-stage matrix converters

圖2 輸入相電壓的區(qū)間劃分Fig.2 Sector division of input phase voltages

每個(gè)區(qū)間具有相同的特點(diǎn)：一相電壓絕對值為最大，而另兩相電壓極性與之相反。TSMC整流級的無零矢量空間矢量調(diào)制策略將每個(gè)PWM周期Ts分為2段，并分別在2段時(shí)間內(nèi)將相應(yīng)的2個(gè)最大且極性為正的線電壓由直流側(cè)輸出，這2個(gè)線電壓的占空比分別為d1和d2，在三相輸入電壓平衡的條件下可推導(dǎo)出d1，d2與構(gòu)成線電壓的2個(gè)相電壓瞬時(shí)值之比相等。由于每個(gè)PWM周期Ts內(nèi)整流級只產(chǎn)生2個(gè)有效空間矢量，因此不會出現(xiàn)零矢量。以圖2中的區(qū)間1為例，選取的2個(gè)線電壓分別為uab，uac，對應(yīng)的占空比計(jì)算公式為

式中：ub，ub，uc為相電壓瞬時(shí)值；θa，θb，θc分別為a，b，c三相輸入相電壓的相角。其他區(qū)間在一個(gè)PWM周期內(nèi)2個(gè)時(shí)間段的開關(guān)狀態(tài)、占空比和對應(yīng)的直流電壓如表1所示。各PWM周期內(nèi)的平均直流電壓為

其中

式中：Um為輸入電壓峰值。

根據(jù)式（2）及空間矢量調(diào)制原理，并根據(jù)直流電壓對逆變級調(diào)制系數(shù)進(jìn)行修正，可知每個(gè)PWM周期逆變級相鄰兩電壓矢量VM，VN和零電壓矢量V0（見圖3）的占空比dm，dn，d0分別為

式中：mv為逆變級調(diào)制系數(shù)。

表1 傳統(tǒng)調(diào)制策略整流級6個(gè)區(qū)間的開關(guān)狀態(tài)、直流電壓和占空比Tab.1 Switch states，DC voltage and duty ratio of 6 sectors of rectifier stage in conventional modulation strategy

圖3 逆變級輸出電壓矢量合成Fig.3 Synthesis of output voltage vector of inverter stage

每個(gè)PWM周期中逆變級調(diào)制策略在d1Ts和d2Ts2個(gè)時(shí)間段內(nèi)的開關(guān)矢量順序如圖4最后一行所示。

3 可減小開關(guān)損耗的TSMC調(diào)制策略

借鑒兩相調(diào)制的思想，若能盡量減少不必要的開關(guān)動(dòng)作，就可能以降低開關(guān)頻率的方式達(dá)到降低開關(guān)損耗、提高裝置效率的目的。觀察表1不難發(fā)現(xiàn)，每次整流級區(qū)間切換時(shí)，實(shí)際上只變換了一次直流電壓。例如，由區(qū)間1切換到區(qū)間2時(shí)，選取的線電壓由uab，uac變?yōu)閡bc，uac，直流電壓都有uac，只是將uab換為ubc。如果調(diào)整區(qū)間2的直流電壓輸出順序，先輸出uac，后輸出ubc，那么，如圖4所示，區(qū)間切換時(shí)，由于uac的2段作用時(shí)間合并在一起，因此可節(jié)省1次開關(guān)狀態(tài)的改變，整流級A，B，C三相的開關(guān)管均可維持原狀。其它區(qū)間切換期間，亦如是調(diào)整。這樣，本文在不改變傳統(tǒng)調(diào)制策略合成電壓矢量的前提下，通過合理安排區(qū)間切換時(shí)的整流級輸出直流電壓，使TSMC的整流級開關(guān)頻率降低，可減小TSMC的開關(guān)損耗。TSMC整流級所有開關(guān)管在區(qū)間切換過程中的開關(guān)狀態(tài)保持不變，各區(qū)間具體的開關(guān)動(dòng)作順序如表2所示。

表2 本文調(diào)制策略整流級6個(gè)區(qū)間的開關(guān)狀態(tài)、直流電壓和占空比Tab.2 Switch states，DC voltage and duty ratio of 6 sectors of rectifier stage in proposed modulation strategy

圖4示出了區(qū)間切換時(shí)不需要開關(guān)動(dòng)作的TSMC整流級調(diào)制策略的開關(guān)狀態(tài)、整流級電壓矢量作用時(shí)間、逆變級電壓矢量作用順序及作用時(shí)間等，具體說明所提出的調(diào)制策略。

4 損耗分析及仿真研究

以IXYS的RB-IGBT單管IXRH40N120為例對傳統(tǒng)調(diào)制策略及本文調(diào)制策略分別進(jìn)行了損耗分析。RB-IGBT的損耗為通態(tài)損耗與開關(guān)損耗之和。其中，通態(tài)損耗的計(jì)算公式為

開關(guān)損耗的計(jì)算公式為

式（4）、式（5）中各變量的含義及數(shù)值詳見IXRH40N120的數(shù)據(jù)清單。

對1臺TSMC進(jìn)行損耗計(jì)算和仿真。當(dāng)輸出功率為1 kW，PWM周期為250 μs時(shí)（PWM中斷頻率為4 kHz），依照表1采用傳統(tǒng)的調(diào)制策略時(shí)整流級每只開關(guān)管的開關(guān)頻率為1 350 Hz，而依照表2采用本文的調(diào)制策略時(shí)整流級每只開關(guān)管的開關(guān)頻率為1 250 Hz。由以上公式算得每只開關(guān)管節(jié)約損耗功率0.642 9 W，整流級12只開關(guān)管共降低損耗7.714 8 W。當(dāng)輸出功率為1 kW，PWM周期為1 000 μs時(shí)（PWM中斷頻率為1 kHz），采用傳統(tǒng)的調(diào)制策略時(shí)整流級每只開關(guān)管的開關(guān)頻率為350 Hz，而采用本文的調(diào)制策略時(shí)整流級每只開關(guān)管的開關(guān)頻率為250 Hz。算得每只開關(guān)管節(jié)約損耗功率0.644 3 W，整流級12只開關(guān)管共降低損耗7.731 6 W。又對輸出功率100 W的輕載工況做損耗計(jì)算，結(jié)果PWM周期為250 μs時(shí)（PWM中斷頻率為4 kHz），節(jié)約損耗3.857 4 W；PWM周期為1 000 μs時(shí)（PWM中斷頻率為1 kHz），節(jié)約損耗3.866 0W?？梢钥闯觯赑WM周期變化或負(fù)載情況變化的情況下，由于改進(jìn)的調(diào)制策略總是能減少開關(guān)次數(shù)，因而節(jié)約開關(guān)損耗、提高裝置效率是必然結(jié)果。

圖5是本文調(diào)制策略驅(qū)動(dòng)TSMC整流級和逆變級時(shí)的直流電壓波形。圖6是本文調(diào)制策略驅(qū)動(dòng)TSMC整流級和逆變級時(shí)的逆變級輸出電壓波形。

圖5 TSMC直流電壓仿真波形Fig.5 Simulation waveform of DC voltage of TSMC

圖6 TSMC輸出電壓仿真波形Fig.6 Simulation waveform of output voltage of TSMC

進(jìn)一步對比分析本文調(diào)制策略與傳統(tǒng)調(diào)制策略的逆變級輸出電壓THD，發(fā)現(xiàn)當(dāng)PWM周期大于1 000 μs時(shí)，本文調(diào)制策略可改善輸出電壓的波形畸變。進(jìn)行了多組對比仿真，表3給出了使用傳統(tǒng)調(diào)制策略及本文調(diào)制策略時(shí)的輸出電壓THD隨PWM周期變化的情況。PWM周期為1 000 μs時(shí)輸出電壓波形及其THD分析如圖7所示。

表3 不同PWM周期下的THD對比Tab.3 Contrast of THD under different PWM periods

圖7 PWM周期為1 000 μs時(shí)的逆變級輸出線電壓波形及其THD分析Fig.7 Output line-to-line voltage curves of inverter stage and its THD when PWM period is 1 000 μs

5 結(jié)論

本文為降低雙級矩陣變換器整流級開關(guān)器件損耗，提出整流級調(diào)制策略應(yīng)在區(qū)間切換時(shí)減少開關(guān)動(dòng)作次數(shù)，從而降低開關(guān)損耗。對所提出的整流級調(diào)制策略進(jìn)行了分析和仿真研究，結(jié)果表明：與傳統(tǒng)調(diào)制方法相比，新調(diào)制策略能夠降低開關(guān)損耗，提高變換器效率。同時(shí)，在PWM周期較大時(shí)也可改善逆變級輸出電壓的THD。

對那些效率要求較高的場合，尤其像航空電源系統(tǒng)這樣的應(yīng)用場合，要求高效率、高性能、高功率密度、高功率因數(shù)。矩陣變換器恰恰是適合的選擇，使用本文調(diào)制策略將會在提高電源系統(tǒng)的效率、功率密度方面發(fā)揮重要的作用。

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Modulation Strategy of Two-stage Matrix Converter with Reduced Switching Loss

LI Jie1，WU Jia1，WANG Jia-li2，ZHONG Yan-ru1
（1.School of Automation and Information Engineering，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，Shaanxi，China；2.TBEA Xi’an Electrical Technology Co.，Ltd.，Xi’an 710119，Shaanxi，China）

A modulation strategy without zero space vectors for the rectifier stage of two-stage matrix converters was proposed，its optimization goal was to reduce the power loss of the rectifier stage.By reasonably arranging the DC voltages of the rectifier outputs during the sector switching intervals，without changing the voltage vector synthesis of traditional modulation strategy of the rectifier stage，the switching frequency of the two-stage matrix converter was reduced and hence the switching loss was reduced，and the equipment efficiency was improved eventually.The theoretical loss analysis was carried out，the results show that the equipment efficiency is significantly improved when the proposed modulation strategy was employed.Comparative study with the traditional no zero space vector modulation strategy of two-stage matrix converters shows that the proposed optimized modulation strategy can not only reduce the switching losses，while the total harmonic distortion of the output line voltages are improved in the low switching frequency applications，the quality of the output waveforms are enhanced.

two-stage matrix converter（TSMC）；modulation strategy；switching loss；equipment efficiency

TM461；TM464

A

2013-08-14

修改稿日期：2014-05-05

國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（50907054）；陜西省科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目國際合作項(xiàng)目（2013KW05-02）；陜西省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃（2013JK0995）；西安市產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃—技術(shù)轉(zhuǎn)移促進(jìn)工程（CX12185）；西安市碑林區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目（GX1301）；西安理工大學(xué)科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（105-211303）

李潔（1976-），女，博士，副教授，碩導(dǎo)，Email：lijie@xaut.edu.cn