本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種間接式矩陣變換器，特別是一種具有直流輸出功能的間接式矩陣變換器及其控制方法。

背景技術(shù)：

矩陣變換器(mc)摒棄儲能電容，具有結(jié)構(gòu)緊湊、能量雙向流動、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于一些工作環(huán)境惡劣的場合，例如航空和軍用領(lǐng)域等。mc可以分為兩類：直接式矩陣變換器(dmc)和間接式矩陣變換器(imc)。imc是基于dmc的概念發(fā)展而來的一種新型拓?fù)?。相比dmc，imc有鉗位電路簡單、換流安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。因此，imc近年來獲得學(xué)者的廣泛關(guān)注，具有良好的應(yīng)用前景。

在飛機(jī)供電系統(tǒng)、分布式發(fā)電系統(tǒng)等場合，同時存在著大量的交流負(fù)載和直流負(fù)載。考慮到間接式矩陣變換器只能輸出交流電壓，因此若將間接式矩陣變換器應(yīng)用于這些場合，則還需額外的單級式或兩級式ac/dc變換器給直流負(fù)載供電，供電示意圖如圖2所示。這會導(dǎo)致供電系統(tǒng)控制復(fù)雜化以及系統(tǒng)體積與重量的增加。因此，若能提出一種具有直流輸出功能的imc，就可以實現(xiàn)交/直流集中供電，有利于供電系統(tǒng)的控制和管理以及供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化。綜上所述，研究一種具有直流輸出功能的imc拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并輔以合理的控制策略，具有重要的研究意義和應(yīng)用價值。

目前，專利《具有直流勵磁調(diào)節(jié)和電壓頻率變換的雙級式矩陣變換器》(申請?zhí)枺?00910030725.4申請日：2009-04-10)提出一種具有直流勵磁調(diào)節(jié)和電壓頻率變換器的雙級式矩陣變換器。該專利應(yīng)用場合為交流電機(jī)勵磁，且未考慮直流變換器與雙級式矩陣變換器之間的協(xié)調(diào)控制。專利《一種具有直流穩(wěn)壓輸出功能的雙級式三相四橋臂矩陣變換器》(申請?zhí)枺?01210023900.9申請日：2012-02-03)則提出一種具有直流穩(wěn)壓輸出功能的雙級式三相四橋臂矩陣變換器，所提電路拓?fù)鋵崿F(xiàn)了間接式矩陣變換器交流電壓和直流電壓一體化輸出。但該專利存在兩處不足：

1.交流側(cè)與直流側(cè)雖在輸出上是獨(dú)立的，但雙管正激電路與雙級式三相四橋臂矩陣變換器共用一個橋臂，因此交流側(cè)與直流側(cè)在控制上是耦合的，這增加了電路控制的難度；

2.該專利沒有針對所提電路提出具體、詳細(xì)的控制策略。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對背景技術(shù)中所涉及到的缺陷，提供一種具有直流輸出功能的間接式矩陣變換器及其控制方法。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

一種具有直流輸出功能的間接式矩陣變換器，包含依次相連的三相輸入濾波電路、整流級電路、雙管正激電路、逆變級電路和三相輸出濾波電路；

所述雙管正激電路包含第一至第四二極管、第一至第二igbt、電容、電感和變壓器；

所述第一二極管的陰極分別和整流級電路的正極輸出端、逆變級電路的正極輸入端、第一igbt的集電極相連，陽極分別和第二igbt的集電極、變壓器原邊的一端相連；

所述第一igbt的發(fā)射極分別和變壓器原邊的另一端、第二二極管的陰極相連；

所述第二二極管的陽極分別和整流級電路的負(fù)極輸出端、逆變級電路的負(fù)極輸入端、第二igbt的發(fā)射極相連；

所述變壓器副邊的一端和所述第三二極管的陽極相連，另一端分別和所述第四二極管的陽極、電容的一端相連；

所述第三二極管的陰極分別和第四二極管的陰極、電感的一端相連；

所述電感的另一端和所述電容的另一端相連，且所述電容的兩端用于輸出直流。

本發(fā)明還公開了一種基于該具有直流輸出功能的間接式矩陣變換器的控制方法，每個調(diào)制周期內(nèi)第一igbt和第二igbt開通與關(guān)斷的時刻由以下步驟得到：

第一步：計算當(dāng)前調(diào)制周期內(nèi)間接式矩陣變換器整流級電路中各個電流矢量的占空比：

式中，σ1和σ2是有效電流矢量的占空比，σ0是零矢量占空比，α是輸入電流矢量的相角，mc為整流級電路的調(diào)制系數(shù)；

第二步：占空比為σ1的電流矢量作用時，第一igbt和第二igbt在tp1時刻開通，并在tn1時刻關(guān)斷，tp1與tn1如下式所示：

式中d是當(dāng)前調(diào)制周期第一igbt和第二igbt的占空比；

第三步：占空比為σ2的電流矢量作用時，第一igbt和第二igbt在tp2時刻開通，并在tn2時刻關(guān)斷，tp2與tn2如下式所示：

作為本發(fā)明一種具有直流輸出功能的間接式矩陣變換器的控制方法進(jìn)一步的優(yōu)化方案，所述雙管正激電路的輸出電壓uo和d之間滿足如下的關(guān)系：

式中，n1和n2分別為變壓器原邊與副邊的匝數(shù)，是輸入功率因數(shù)，vim是輸入相電壓幅值。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

1.所提拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)繼承了間接式矩陣變換器摒棄儲能元件、正弦的輸入輸出、電路結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。

2.雙管正激電路采取合理可行的控制方法，可確保間接式矩陣變換器整流級依然能實現(xiàn)零電流開關(guān)。

3.實現(xiàn)了imc交/直流一體化輸出，且交流輸出側(cè)與直流輸出側(cè)在電路結(jié)構(gòu)和控制方法上完全獨(dú)立，互不影響。

4.直流輸出電壓穩(wěn)定，且可通過調(diào)整雙管正激電路占空比簡單、方便地調(diào)節(jié)直流輸出電壓的幅值。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中具有直流輸出功能的間接式矩陣變換器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是現(xiàn)有技術(shù)的供電示意圖；

圖3(a)、圖3(b)分別是本發(fā)明中電流矢量、電壓矢量的分布圖；

圖4是本發(fā)明中整流級電路與逆變級電路協(xié)調(diào)控制示意圖；

圖5是本發(fā)明中整流級電路與雙管正激電路協(xié)調(diào)控制示意圖；

圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)、圖6(d)分別是仿真結(jié)果中三相輸入電流、三相輸出電壓、直流母線電壓和直流輸出電壓分布圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：

如圖1所示，本發(fā)明公開了一種具有直流輸出功能的間接式矩陣變換器，包含依次相連的三相輸入濾波電路、整流級電路、雙管正激電路、逆變級電路和三相輸出濾波電路；

所述雙管正激電路包含第一至第四二極管、第一至第二igbt、電容、電感和變壓器；

所述第一二極管的陰極分別和整流級電路的正極輸出端、逆變級電路的正極輸入端、第一igbt的集電極相連，陽極分別和第二igbt的集電極、變壓器原邊的一端相連；

所述第一igbt的發(fā)射極分別和變壓器原邊的另一端、第二二極管的陰極相連；

所述第二二極管的陽極分別和整流級電路的負(fù)極輸出端、逆變級電路的負(fù)極輸入端、第二igbt的發(fā)射極相連；

所述變壓器副邊的一端和所述第三二極管的陽極相連，另一端分別和所述第四二極管的陽極、電容的一端相連；

所述第三二極管的陰極分別和第四二極管的陰極、電感的一端相連；

所述電感的另一端和所述電容的另一端相連，且所述電容的兩端用于輸出直流。

圖1中，sgp即第一igbt，sgn為第二igbt。

間接式矩陣變換器采取常規(guī)的空間矢量調(diào)制算法，雙管正激電路的控制則與間接式矩陣變換器整流級的控制策略合理配合，以獲得穩(wěn)定的直流輸出電壓。

間接式矩陣變換器采用空間矢量調(diào)制策略，定義三相輸入電壓如下：

式中vim是輸入相電壓幅值，ωi為輸入電壓角頻率。輸入線電壓與輸入相電壓滿足的關(guān)系如下：

式中vline是不同輸入相電壓所對應(yīng)的輸入線電壓。

空間矢量的分布如圖3所示。圖3(a)是電流矢量分布圖，圖3(b)是電壓矢量分布圖。根據(jù)矢量合成定理，對于輸入電流矢量iref，各個電流矢量的占空比如下：

式中σ1和σ2是有效電流矢量的占空比，σ0是零矢量占空比，α是輸入電流矢量的相角，mc為整流級電路的調(diào)制系數(shù)。

根據(jù)有效矢量所對應(yīng)的輸入線電壓，就可以確定一個調(diào)制周期內(nèi)的直流母線upn：

upn＝σ1vline1+σ2vline2

根據(jù)矩陣變換器的原理可得：

式中是輸入功率因數(shù)，被設(shè)定為1。上式表面upn在任意一個調(diào)制周期內(nèi)都是一個恒定的值。

對于輸出電壓矢量uref，各個矢量的占空比如下：

式中δ1和δ2是有效電壓矢量的占空比，δ0是零矢量占空比，β是輸出電壓矢量的相角，mv為逆變級調(diào)制系數(shù)。圖4給出了imc整流級與逆變級之間協(xié)調(diào)控制示意圖。

為了獲得穩(wěn)定的直流電壓，雙管正激電路的控制需與imc整流級的控制過程緊密配合。圖5是協(xié)調(diào)控制示意圖，d是雙管正電路sgp和sgn的占空比。為了確保變壓器t有效磁復(fù)位，d應(yīng)小于0.5。整流級第一個有效矢量工作時，sgp與sgn在tp1時刻開通，并在tn1時刻關(guān)斷。tp1與tn1如下式所示：

整流級第二個有效矢量工作時，sgp與sgn在tp2時刻開通，并在tn2時刻關(guān)斷。tp2與tn2如下式所示：

雙管正激輸出電壓與直流母線的關(guān)系為：

式中uo為直流輸出電壓，n1和n2分別為變壓器t原邊與副邊匝數(shù)。將式(5)帶入式(9)中就可以得到uo在一個調(diào)制周期內(nèi)的平均值：

式中等于1。上式表明，uo是一個恒定的值。此外，當(dāng)輸入電壓幅值與整流級電路的調(diào)制系數(shù)給定后，uo線性正比于d。因此，可通過改變d的值方便、快捷地調(diào)節(jié)uo。

仿真結(jié)果如圖6所示。圖6(a)表明三相輸入電流正弦對稱，thd含量為1.35％，諧波含量少。圖6(b)是三相輸出電壓，由圖可知交流側(cè)輸出電壓正弦，波形質(zhì)量好。圖6(c)是直流母線電壓波形，圖6(d)是雙管正激電路輸出側(cè)電壓波形uo。由圖6(d)可知，uo平穩(wěn)，波動小。以上仿真結(jié)果證明所提拓?fù)浼翱刂品椒軌驅(qū)崿F(xiàn)imc交直流電壓一體化輸出。此外，采用本發(fā)明所提控制方法可在雙管正激電路輸出側(cè)獲得穩(wěn)定的直流電壓。

本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語)具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。

以上所述的具體實施方式，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。