孫梅迪，王輝，李幸（湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410082）

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基于高頻矩陣變換器的新型開關(guān)電源

孫梅迪，王輝，李幸
（湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410082）

摘要：針對(duì)開關(guān)電源輸入級(jí)存在諧波污染、功率因數(shù)低、效率低等問題，研究了一種基于高頻矩陣變換器的新型開關(guān)電源。結(jié)合高頻矩陣變換器和高頻變壓器，經(jīng)二極管全橋整流，輸出穩(wěn)定的直流電壓，將3級(jí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為2級(jí)結(jié)構(gòu)。采用雙極性電流空間矢量調(diào)制算法，可保證單位功率因數(shù)輸入。采用輸出電壓閉環(huán)控制，在輸入電壓波動(dòng)、負(fù)載變化的情況下均可保證輸出電壓穩(wěn)定，顯示了其良好的穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)性以及抗擾性。通過Matlab/Simulink仿真驗(yàn)證了調(diào)制和控制策略的正確性。

關(guān)鍵詞：高頻矩陣變換器；開關(guān)電源；雙極性電流空間矢量；閉環(huán)控制

開關(guān)電源在電力、國防、機(jī)械、交通設(shè)備及通信系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，高頻化、高效率、小型化以及綠色化，是未來的發(fā)展方向［1］。

傳統(tǒng)的開關(guān)電源，采用3級(jí)結(jié)構(gòu)［2］：前級(jí)AC/ DC整流器、中級(jí)DC/AC逆變器、后級(jí)AC/DC整流器。其中，前級(jí)AC/DC整流器多采用橋式不控整流；中級(jí)DC/AC逆變器多采用逆變器和高頻變壓器；后級(jí)AC/DC整流器多采用二極管整流器。輸入側(cè)不控整流產(chǎn)生的大量諧波會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成污染，且功率因數(shù)低、效率不高。本文研究的新型開關(guān)電源無中間直流環(huán)節(jié)，將3級(jí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為2級(jí)，實(shí)現(xiàn)三相-單相交流的直接轉(zhuǎn)變，且為單位功率因數(shù)輸入，降低了對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，提高了供電效率［3］。即采用高頻矩陣變換器和高頻變壓器將前、中2級(jí)合并。

高頻矩陣變換器（HFMC）是一種新型的功率變換器，有如下優(yōu)勢(shì)：功率因數(shù)可控；輸入電流對(duì)稱正弦；真正的4象限運(yùn)行；輸出端無電容；輸出直流電壓調(diào)節(jié)范圍寬；易于模塊化［4］。其調(diào)制算法主要有以下幾種：開關(guān)函數(shù)算法；電流空間矢量調(diào)制算法；雙線電壓合成算法以及其他不平衡條件下的改進(jìn)算法［5-6］。文獻(xiàn)［7］對(duì)矩陣變換器進(jìn)行了開關(guān)函數(shù)的建模分析，可實(shí)現(xiàn)輸出電壓幅值可調(diào)，極性可調(diào)。但存在仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、效率低的問題。文獻(xiàn)［8-9］基于雙線電壓調(diào)制法引入占空比負(fù)反饋，有效地抑制了輸出電壓畸變。雙極性電流空間矢量調(diào)制B-C-SVM可實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)可調(diào)，輸入電流對(duì)稱正弦等［10］。

本文研究了新型開關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理，分析了雙極性電流空間矢量調(diào)制策略在高頻矩陣變換器的應(yīng)用。采用輸出電壓閉環(huán)控制，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)性能及抗干擾性。在輸入電壓波動(dòng)以及負(fù)載變化的情況下，仍能保持良好的控制效果?？刂葡到y(tǒng)具有輸入電流諧波含量低、單位功率因數(shù)、輸出電壓紋波小、動(dòng)態(tài)性能好等特點(diǎn)。通過Matlab/Simulink建立系統(tǒng)仿真模型，驗(yàn)證了調(diào)制和控制策略的正確性。

1　新型開關(guān)電源的工作原理及其調(diào)制策略

本文提出的新型開關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示［11］，包含輸入LC濾波器、高頻矩陣變換器、高頻變壓器T、二極管全橋整流器、輸出LC濾波器以及負(fù)載電阻。其中，高頻矩陣變換器由12個(gè)IGBT構(gòu)成，即6個(gè)雙向開關(guān)。網(wǎng)側(cè)經(jīng)高頻矩陣變換器將三相正弦工頻交流電轉(zhuǎn)化為正負(fù)交變的單相交流高頻電，經(jīng)高頻變壓器升壓后通過二極管全橋整流器轉(zhuǎn)化為直流電，輸出濾波器降低了輸出電壓的脈動(dòng)。該結(jié)構(gòu)將3級(jí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為2級(jí)且單位功率因數(shù)輸入，降低了對(duì)網(wǎng)側(cè)的諧波污染，提高了效率。

圖1　新型開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of the novel switching power supply

高頻矩陣變換器，采用的是雙極性電流空間矢量調(diào)制B-C-SVM策略［12］。將常規(guī)SVPWM調(diào)制策略中，每個(gè)PWM周期均分為前后半周期，在前半周期采用常規(guī)的矢量調(diào)制策略，在后半周期采用相反的矢量進(jìn)行調(diào)制，從而產(chǎn)生大小相等方向相反的矢量，即形成正負(fù)交變的單相高頻交流電。采用該調(diào)制策略，可以保證網(wǎng)側(cè)輸入電流對(duì)稱正弦和功率因數(shù)可調(diào)。

同常規(guī)SVPWM調(diào)制策略一樣，可合成6個(gè)有效的輸入電流開關(guān)矢量和3個(gè)零矢量［13］。將參考輸入電流矢量分為6扇區(qū)，在復(fù)平面上以6個(gè)有效開關(guān)矢量為邊界，如圖2所示。每個(gè)開關(guān)矢量后面括號(hào)的2個(gè)字母依次表示與輸出p，n極相連的輸入相。

圖2　6扇區(qū)的劃分及空間矢量合成Fig.2 Division of 6 sector and space vector synthesis

以參考電流矢量處于Ⅰ扇區(qū)為例，在前半周期采用常規(guī)SVPWM調(diào)制方法，由其所處扇區(qū)相鄰的2個(gè)有效開關(guān)矢量i1（ab）和i2（ac）及零矢量合成，并計(jì)算相應(yīng)的占空比dab，dac，d01，如下式，此時(shí)輸出正向電流：

式中：m為調(diào)制比，m =Iim/I1m（0≤m≤1）。

在后半周期采用與前半周期相反的矢量i4（ba）和i5（ca）及零矢量來進(jìn)行合成，由于電流參考矢量仍處于第Ⅰ扇區(qū)，而采用相反的矢量合成則恰好合成大小相等方向相反的電流，占空比計(jì)算如下：

根據(jù)式（1）、式（2）可以得到相應(yīng)的開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，如圖3所示，在前半周期i1（ab）和i2（ac）及零矢量合成正向電流，而后半周期i4（ba）和i5（ca）及零矢量合成反向電流。

圖3　前后半周期開關(guān)矢量順序Fig.3 Switch vector sequence in each half period

假設(shè)高頻矩陣變換器的輸入相電壓為

需要調(diào)制得到的三相參考輸入相電流為

式中：Ucm為高頻矩陣變換器輸入相電壓的幅值；Im為其輸入相電流的幅值；ωi為輸入角頻率；φ為輸入相電流和參考輸入相電流的相位差。

以參考電流矢量處于第Ⅰ扇區(qū)為例，前半周期高頻矩陣變換器的輸入電流平均值為［14］

式中：I1m為高頻矩陣變換器的輸出電流。

同理可得，后半周期高頻矩陣變換器的輸入電流平均值為

故可知，前后半周期的輸入電流平均值相等，可以保證高頻矩陣變換器輸入電流為三相對(duì)稱正弦電流。通過調(diào)節(jié)φ的取值，可調(diào)節(jié)功率因數(shù)，當(dāng)φ=0時(shí)，為單位功率因數(shù)。

前半周期高頻矩陣變換器的輸出電壓平均值為

同理可得出，后半周期輸出電壓平均值為

可得，前后半周期的輸出電壓平均值大小相等，符號(hào)相反，故輸出側(cè)呈現(xiàn)正負(fù)交變的高頻交流電壓。即本文所采用的雙極性電流空間矢量調(diào)制策略是正確的。

2　新型開關(guān)電源的控制策略

為輸出穩(wěn)定的電壓，采用電壓閉環(huán)控制策略，如圖4所示。輸出電壓給定值uo*與檢測(cè)值uo比較后經(jīng)PI控制器得到高頻矩陣變換器的輸出電壓平均值U1*的給定值。由式（7）、式（8）可知，輸出電壓在前后半周期的平均值大小相等符號(hào)相反。但調(diào)制比的符號(hào)都為正，仍可通過其輸出電壓U1的給定值計(jì)算相應(yīng)的調(diào)制比，再按照B-CSVM調(diào)制策略完成各開關(guān)管占空比的計(jì)算。輸出電壓閉環(huán)的控制可以在輸出負(fù)載變化以及輸入電壓波動(dòng)時(shí)，輸出穩(wěn)定的直流電，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性。

圖4　新型開關(guān)電源控制框圖Fig.4 Control structure of the novel switching power supply

3　仿真結(jié)果

本文在Matlab/Simulink中搭建了新型開關(guān)電源的仿真模型，其性能指標(biāo)為輸入電壓220（1± 0.10）V，輸出電壓(400±2)V，開關(guān)頻率20 kHz，功率因數(shù)大于0.99，功率20 kW。仿真參數(shù)如下：輸入側(cè)電阻Rac=3 Ω，電感Lac=1 mH，電容Cac=30 μF，輸出側(cè)電感Ldc=1 mH，電容Cdc=150 μF。

圖5中，輸出電壓穩(wěn)定在400 V。調(diào)節(jié)時(shí)間為0.005 s，超調(diào)量為5%，電壓波動(dòng)0.5%。系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能。從圖6輸入電壓和電流波形可看出，該控制方法可保證輸入單位功率因數(shù)。

圖5　輸出電壓波形Fig.5 Waveform of output voltage

圖6　輸入電壓和電流波形（a相）Fig.6 Waveforms of input voltage and current（phase a）

3.1負(fù)載變化

仿真模擬負(fù)載突變的情況下，電路對(duì)電壓的控制效果。設(shè)置輸出負(fù)載在t=0.1 s時(shí)由R=8Ω變化到R=12 Ω，在t=0.2 s時(shí)變化到6 Ω。由圖7可知，輸出電壓保持不變，在切換瞬間會(huì)有小幅震蕩后迅速穩(wěn)定；輸出電流相應(yīng)的變化，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)良好；輸入電流（a相）跟隨負(fù)載變化而變化，能保持對(duì)稱正弦且為單位功率因數(shù)。

圖7　負(fù)載變換時(shí)輸出電壓和電流以及輸入電流波形Fig.7 Waveforms of output voltage/current and input current with disturbance of load

3.2輸入電壓幅值變化

仿真模擬輸入電壓幅值不同的情況下，電路對(duì)電壓的控制效果。圖8～圖10分別給出了輸入電壓幅值為220 V（額定），200 V，240 V時(shí)的調(diào)制比波形?？梢钥闯觯?dāng)?shù)陀陬~定輸入電壓時(shí)，調(diào)制比會(huì)增大；當(dāng)高于額定輸入電壓時(shí)，調(diào)制比會(huì)減小。本文的參數(shù)選定，在輸入電壓波動(dòng)10%的范圍內(nèi)，均保證調(diào)制比0≤m≤1，且輸出電壓穩(wěn)定于400 V。在額定電壓下效率為86%，在輸入電壓波動(dòng)10%內(nèi)，總效率范圍為76%～96%。

圖8　輸入電壓220 V時(shí)的調(diào)制比m波形Fig.8 Waveform of modulation ratio m when US=220 V

圖9　輸入電壓200 V時(shí)的調(diào)制比m波形Fig.9 Waveform of modulation ratio m when US=200 V

圖10　輸入電壓240 V時(shí)的調(diào)制比m波形Fig.10 Waveform of modulation ratio m when US=240 V

4　結(jié)論

本文研究了一種基于高頻矩陣變換器的開關(guān)電源。通過對(duì)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和雙極性電流空間矢量調(diào)制策略的分析，提出了電壓閉環(huán)的控制策略。通過仿真驗(yàn)證了該系統(tǒng)良好的穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)性能及抗干擾性。由于開關(guān)電源負(fù)載種類多、應(yīng)用范圍廣，將該高頻矩陣變換器進(jìn)行模塊化處理，進(jìn)一步研究其可擴(kuò)展性和可靠性是非常必要的。

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修改稿日期：2016-01-27

Novel Switching Power Supply Based on the High-frequency Matrix Converter

SUN Meidi，WANG Hui，LI Xing
（College of Electrical and Information Engineering，Hunan University，Changsha 410082，Hunan，China）

Abstract：Considering the harmonic population，low power factor and efficiency of the switching power supply，a novel based on the high-frequency matrix converter is discussed.Combined the high-frequency matrix converter and high-frequency transformer and with the diode rectifier，the output voltage is stable which simplifying the tertiary structure to two.The bipolar current space vector pulse width modulation is used to the unity power factor.With the closed-loop control，the output voltage in spite of the disturbance of the input voltage and load can remain stable. Finally，simulation in Matlab/Smulink results verify the correctness of the modulation and control method.

Key words：high-frequency matrix converter（HFMC）；switching power supply；bipolar current space vector pulse width modulation（B-C-SVM）；closed-loop control

中圖分類號(hào)：TM76

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（51507055）

作者簡(jiǎn)介：孫梅迪（1992-），女，碩士，Email：739326186@qq.com

收稿日期：2015-09-15