許強(qiáng)強(qiáng) 宋澤琳

(1.北京理工大學(xué)珠海學(xué)院信息學(xué)院，廣東 珠海 519088；2.珠海格力電器股份有限公司制冷技術(shù)研究院，廣東 珠海 519070)

矩陣變換器(Matrix Converter)是以交-交變換方式來實(shí)現(xiàn)電力變換的，是目前最先進(jìn)的電力變換方式。與傳統(tǒng)的交-直-交變換方式相比，最突出的優(yōu)點(diǎn)在于其輸入功率因數(shù)可控并且去除了傳統(tǒng)變換方式中的大儲(chǔ)能元件[1，2]。

筆者利用Matlab/Simulink建立了矩陣變換器仿真模型，驗(yàn)證了間接矢量調(diào)制策略的正確性，設(shè)計(jì)制作了矩陣變換器樣機(jī)，輸入采用LC濾波器，箝位電路，輸出帶阻感負(fù)載，并在樣機(jī)上實(shí)現(xiàn)四步換流FPGA邏輯算法設(shè)計(jì)。

1 矩陣變換器的系統(tǒng)構(gòu)成①

矩陣變換器分為單級(jí)和雙級(jí)兩種，也分別稱為直接和間接矩陣變換器。筆者以單級(jí)矩陣變換器為研究對(duì)象，其由9個(gè)雙向開關(guān)構(gòu)成，如圖1所示。三相輸入與輸出通過開關(guān)直接相連，通過對(duì)雙向開關(guān)的邏輯控制，可以實(shí)現(xiàn)AC-DC、DC-DC、DC-AC任意電力變換，但AC-AC變換是研究的重點(diǎn)[3，4]。

控制器采用FPGA+DSP結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。主電路采用高頻IGBT作為主功率器件；DSP負(fù)責(zé)完成矩陣變換器控制算法，并最終生成9路PWM控制信號(hào)，送至FPGA控制器；FPGA接收DSP時(shí)鐘信號(hào)，通過DCM(時(shí)鐘管理模塊)將15MHz時(shí)鐘信號(hào)分頻為FPGA所需的6MHz時(shí)鐘信號(hào)，接收復(fù)位、三路電流方向檢測(cè)信號(hào)和9路DSP輸出PWM信號(hào)；電流方向檢測(cè)信號(hào)供FPGA實(shí)現(xiàn)四步換流，最終得到矩陣變換器的18路PWM控制信號(hào)，并通過驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)矩陣變換器主電路的控制。

圖1 矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 矩陣變換器總體設(shè)計(jì)框圖

2 電流四步換流原理

矩陣變換器是一次變換器，無(wú)須中間儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。通過雙向開關(guān)的邏輯控制，快速改變輸入與輸出的連接方式，即可實(shí)現(xiàn)幅值和頻率的改變[5]。由于矩陣變換器通過9個(gè)雙向開關(guān)將三相輸入/輸出直接相連，不存在續(xù)流環(huán)節(jié)，因此需要對(duì)雙向開關(guān)進(jìn)行邏輯控制來實(shí)現(xiàn)安全換流、調(diào)頻、調(diào)幅。通常，矩陣變換器的輸入側(cè)為三相電壓源，而輸出側(cè)可等效為三相電流源。為實(shí)現(xiàn)安全換流，矩陣變換器的工作過程中必須遵循兩個(gè)基本原則[6，7]：

a. 為避免過流，與同一輸出相相連的3個(gè)開關(guān)有且只能有一個(gè)導(dǎo)通；

b. 為防止過壓，三相輸出端的任意一相電路均不能斷路。

圖3為兩個(gè)雙向開關(guān)之間的換流示意圖，圖中兩個(gè)單向開關(guān)S1n與S1p組成雙向開關(guān)S1，兩個(gè)單相開關(guān)S2n與S2p組成雙向開關(guān)S2。為防止出現(xiàn)過流，換流過程輸入電源端不能短路，即S1p和S2n不能同時(shí)導(dǎo)通，S1n和S2p也不能同時(shí)導(dǎo)通；為防止出現(xiàn)過壓，換流過程中輸出端不能出現(xiàn)斷路，即在換流過程中，4個(gè)單向開關(guān)中至少有1個(gè)處于導(dǎo)通狀態(tài)。換流的過程是伴隨著電流方向來區(qū)分的，由于能量是在電源和負(fù)載之間雙向流動(dòng)交換的，因此電流方向分為電源流向負(fù)載和負(fù)載流向電源兩種，此處定義電源流向負(fù)載為正方向，圖4所示為iL>0時(shí)4步換流控制信號(hào)波形。

圖3 兩個(gè)雙向開關(guān)之間換流示意圖

圖4 iL>0時(shí)各開關(guān)換流波形

設(shè)計(jì)中設(shè)置IGBT的導(dǎo)通、關(guān)斷延時(shí)統(tǒng)一為2μs，IGBT的關(guān)斷時(shí)間為1μs，開通時(shí)間小于關(guān)斷時(shí)間，因此2μs的延時(shí)足夠滿足一個(gè)IGBT的導(dǎo)通或者關(guān)斷時(shí)間。

3 空間矢量調(diào)制策略

空間矢量調(diào)制算法是虛擬直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，將矩陣變換器虛擬為電壓源整流器與電壓源逆變器，采用傳統(tǒng)的空間矢量法進(jìn)行合成[8～10]。

圖5a所示的正六邊形由6個(gè)有效矢量劃分為6個(gè)輸出電壓扇區(qū)，在每個(gè)扇區(qū)中的參考輸出電壓矢量可由該扇區(qū)中相鄰的兩個(gè)有效矢量按相應(yīng)占空比合成得到；兩個(gè)相鄰有效矢量的占空比分別為dm與dn；圖5b中為虛擬整流器，兩個(gè)相鄰有效矢量的占空比分別為dα與dβ。

圖5 虛擬整流器與虛擬逆變器空間矢量合成

每個(gè)PWM周期內(nèi)實(shí)際矩陣變換器的4個(gè)有效矢量開關(guān)狀態(tài)分別定義αm、αn、βn、βm。由于虛擬整流器和虛擬逆變器空間矢量調(diào)制中分別存在6個(gè)輸入電流扇區(qū)和6個(gè)輸出電壓扇區(qū)，實(shí)際矩陣變換器存在36種不同的輸入電流-輸出電壓扇區(qū)組合[11,12]。

4個(gè)有效矢量開關(guān)狀態(tài)與零矢量開關(guān)狀態(tài)的占空比分別為[13,14]:

4 樣機(jī)和實(shí)驗(yàn)波形

基于四步換流和空間矢量調(diào)制策略，分別在仿真和實(shí)驗(yàn)中對(duì)方案進(jìn)行研究:

a. 仿真驗(yàn)證。在Matlab/Simulink中利用理想開關(guān)搭建MC的模型，其輸入采用LC濾波，輸出分別采用帶純阻性負(fù)載和阻感負(fù)載，直接給定調(diào)制系數(shù)0.8，實(shí)驗(yàn)中負(fù)載采用36Ω電阻和8mH電感，其仿真波形如圖6、7所示。

b. 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。為進(jìn)一步驗(yàn)證所采用的控制策略，在仿真的基礎(chǔ)上利用FPGA和DSP控制器搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。矩陣變換器輸入側(cè)為電網(wǎng)電壓，輸出側(cè)為阻感負(fù)載，參數(shù)與仿真中設(shè)置一致。實(shí)驗(yàn)波形如圖8、9所示。

圖6 三相阻性負(fù)載(36Ω)相電流波形

圖7 三相阻感負(fù)載相電流、線電壓波形

圖8 三相對(duì)稱負(fù)載(36Ω)相電流波形

圖9 三相感性負(fù)載(36Ω,8mH)相電流波形

在實(shí)測(cè)波形中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸出PWM波形中出現(xiàn)窄脈沖(脈沖作用時(shí)間小于換流時(shí)間)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致觸發(fā)脈沖的丟失，引起輸出波形畸變。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，高調(diào)制比輸出時(shí)，出現(xiàn)窄脈沖的幾率小，給定調(diào)制比越低，實(shí)際輸出電壓中諧波含量越大，THD值越高，因此實(shí)驗(yàn)中直接給定調(diào)制系數(shù)為0.8，保證了輸出電流、電壓的正弦性[15]。通過仿真和實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)波形對(duì)比，波形基本相符，驗(yàn)證了四步換流程序和空間矢量調(diào)制策略的正確性、可行性。由于實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的功率管不是仿真中的理想開關(guān)，雙向開關(guān)的開通、閉合具有響應(yīng)延時(shí)，使實(shí)驗(yàn)波形沒有仿真中的效果好。引入閉環(huán)控制，可以改善矩陣變換器的輸出電能質(zhì)量。

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了基于FPGA和DSP構(gòu)成的矩陣變換器樣機(jī)，闡述了四步換流策略及所采用的空間矢量調(diào)制策略。通過對(duì)比仿真和樣機(jī)實(shí)測(cè)波形，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性、可靠性。但設(shè)計(jì)中的負(fù)載只涉及到了阻感負(fù)載，而矩陣變換器的最終廣泛應(yīng)用是電機(jī)交流調(diào)速，而這將是后期繼續(xù)研究的方向。