單相高頻鏈矩陣式逆變器的解結(jié)耦單極性移相調(diào)制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及單相高頻鏈矩陣式逆變器解結(jié)耦單極性移相調(diào)制方法，屬于電力電子功率變換器調(diào)制及控制領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]逆變器是一種把直流電能裝換成交流電能的拓撲裝置。高頻鏈逆變器采用高頻變壓器替代工頻變壓器克服了傳統(tǒng)變壓器體積大、噪聲大、成本高等缺點。
[0003]高頻鏈矩陣式逆變器的變換過程有DC/HFAC/LFAC三種功率特征，其中，HFAC:高頻交流，LFAC:低頻交流?？芍祟惸孀兤髦谐霈F(xiàn)了 DC/AC即直流/交流逆變環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)位于變壓器原邊，又可知也出現(xiàn)了 AC/AC即交流/交流變換環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)也常稱為周波變換器或矩陣變換器環(huán)節(jié)位于變壓器副邊。矩陣變換器與傳統(tǒng)變換器相比，沒有中間儲能環(huán)節(jié)，采用雙向開關(guān)，可以實現(xiàn)能量的雙向流動，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、效率高，且輸出電壓幅值和頻率可以獨立控制。
[0004]由于高頻變壓器漏感的存在，使得高頻鏈矩陣式逆變器換流時，在變壓器副邊矩陣變換器中功率管上產(chǎn)生較大電壓過沖，因此變壓器副邊矩陣/周波變換器的安全換流一直是制約高頻鏈逆變器實現(xiàn)大功率化的技術(shù)難點。目前主要有以下幾種安全換流策略:①通過加入有源箝位來抑制電壓過沖，可以實現(xiàn)軟開關(guān)，但引入的箝位電路顯然增加了成本，增加的可控功率管也使控制更為復(fù)雜；?利用串聯(lián)諧振電路來實現(xiàn)功率管的軟換流，通過控制諧振槽的能量使功率管工作在零電流點，但是能量的傳輸依賴于諧振電感和電容的容量，因而使得逆變器的輸出功率受到限制；③單極性和雙極性移相控制策略借助周波變換器的換流重疊實現(xiàn)了電感電流的自然換流，并且實現(xiàn)了功率管的ZVS，但存在換流重疊時間不易控制等問題。上述策略雖然能夠?qū)崿F(xiàn)安全換流，但逆變器的調(diào)制和控制更為復(fù)雜使得整機效率的提升受限，導(dǎo)致了系統(tǒng)可靠性降低以致影響了該類變換器的廣泛推廣使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有的單相高頻鏈矩陣式逆變器的調(diào)制及控制方法實現(xiàn)復(fù)雜，不能簡單有效解決雙向開關(guān)安全換流等問題，提出能夠簡單而可靠地實現(xiàn)單相高頻鏈逆變器ZVS軟換流的解結(jié)耦單極性移相調(diào)制方法。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0007]單相高頻鏈矩陣式逆變器解結(jié)耦單極性移相調(diào)制方法由單極性SPWM信號發(fā)生環(huán)節(jié)、解結(jié)耦單極性移相調(diào)制邏輯處理電路及被控對象單相高頻鏈矩陣式逆變器組成，單極性SPWM信號發(fā)生環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的SPWM信息通過解結(jié)耦單極性移相調(diào)制方法及邏輯進行處理，將單相高頻鏈矩陣式逆變器解耦成兩個普通的電壓型逆變器，得到用于單相高頻鏈矩陣式逆變器的驅(qū)動控制信號，實現(xiàn)能量雙向流動和四象限運行。
[0008]解結(jié)耦單極性移相調(diào)制方法及邏輯分為解結(jié)耦調(diào)制方法及邏輯與單極性移相調(diào)制方法及邏輯兩部分內(nèi)容。變壓器原邊高頻逆變器采用單極性移相調(diào)制方法，將輸入直流電壓調(diào)制成雙極性三態(tài)的高頻交流電壓波。變壓器副邊矩陣變換器采用解結(jié)耦調(diào)制方法，將變壓器傳遞的高頻交流電壓波轉(zhuǎn)換成單極性的SPWM波。
[0009]對于本發(fā)明所述的單極性移相是指變壓器原邊高頻逆變器中右橋臂功率管驅(qū)動信號相對于左橋臂功率管驅(qū)動信號存在一定的移相角。對于本發(fā)明所述的解結(jié)耦，包含“解耦”和“結(jié)耦”兩部分工作。其一，解耦工作是針對電路特征和物理連接的分析，分解交流電源為直流脈動電源，分解雙向可控開關(guān)電路為單向可控開關(guān)電路，故可將周波變換器解耦成正負兩組普通的電壓型逆變器。其二，結(jié)耦工作則側(cè)重于邏輯變換和控制實現(xiàn)，其核心控制思路為:正組逆變器工作時負組逆變器的全部功率管處于導(dǎo)通狀態(tài)，同理，負組逆變器工作時正組逆變器的功率管也具備全部導(dǎo)通條件。
[0010]傳統(tǒng)的單極性SPWM控制信號經(jīng)過本發(fā)明所提邏輯電路處理后得到單極性移相驅(qū)動信號，同樣也可以得到與期望輸出正弦波頻率相同的低頻方波信號和二分之一開關(guān)頻率的高頻方波信號，將二者再進行邏輯處理后得到變壓器副邊矩陣變換器的解結(jié)耦驅(qū)動信號。根據(jù)解結(jié)耦單極性移相驅(qū)動原理，變壓器副邊矩陣變換器中功率管的開通與關(guān)斷均是在變壓器電壓為零期間完成的，故可以實現(xiàn)功率管的零電壓開關(guān)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)變壓器漏感與濾波電感電流的自然換流。
[0011]單相高頻鏈矩陣式逆變器的解結(jié)耦單極性移相調(diào)制方法，包括以下步驟:
[0012](I)當(dāng)輸出電壓的反饋信號即調(diào)制波信號Uel小于載波信號U。時得到信號V i，當(dāng)輸出電壓的反饋信號反值即調(diào)制波信號Ue2小于載波信號U。時得到信號V 2，將V1信號和V 2信號的與信號進行上升沿二分頻處理后得到變壓器前級高頻逆變器左橋臂下功率管S2的驅(qū)動信號S2;
[0013](2)對信號S2取反得到變壓器前級高頻逆變器左橋臂上功率管S i的驅(qū)動信號S 1；
[0014](3)將V1信號和V 2信號的或信號進行上升沿二分頻處理后得到變壓器前級高頻逆變器右橋臂下功率管S4的驅(qū)動信號S4，對信號S4取反得到變壓器原邊前級高頻逆變器右橋臂上功率管S3的驅(qū)動信號S 3；
[0015](4)對載波信號U。進行下降沿分頻得到信號Vn，對信號Vn取反得到信號Vp;
[0016](5)對信號U1與信號Vn取或得到變壓器副邊矩陣變換器中漏極與變壓器副邊同名端相接的左橋臂第一功率管Sp1的驅(qū)動信號Sp1以及漏極與輸出濾波電容Cf及負載相連的右橋臂第三功率管Sp4的驅(qū)動信號S p4；
[0017](6)對信號U2與信號V ,取或得到變壓器副邊矩陣變換器中漏極與濾波電感L #目連的左橋臂第三功率管Sp2的驅(qū)動信號Sp2以及漏極與變壓器副邊同名端相接的右橋臂第一功率管Sp3的驅(qū)動信號S P3；
[0018](7)對信號U1與信號V P取或得到變壓器副邊矩陣變換器中漏極與變壓器副邊異名端相接的左橋臂第四功率管Sni的驅(qū)動信號Sni以及漏極與輸出濾波電容Cf及負載相連的右橋臂第二功率管Sn4的驅(qū)動信號S N4；
[0019](8)對信號U2與信號V P取或得到變壓器副邊矩陣變換器中漏極與濾波電感L #目連的左橋臂第二功率管Sn2的驅(qū)動信號Sn2以及漏極與變壓器副邊異名端相接的右橋臂第四功率管Sn3的驅(qū)動信號S N3。
[0020]本發(fā)明的有益效果在于:
[0021]一、本發(fā)明實現(xiàn)了變壓器副邊矩陣變換器的ZVS軟換流，并且軟換流實施方案不受負載限制。
[0022]二、在任意時刻變壓器副邊矩陣變換器同一橋臂僅有一個功率管處于關(guān)斷狀態(tài)，并且功率管半個周期處于導(dǎo)通狀態(tài)，另半個周期處于方波調(diào)制狀態(tài)，因此本發(fā)明在降低功率管開關(guān)頻率的同時還能減小功率管的開關(guān)損耗。
[0023]三、無需借助輔助電路與變壓器副邊矩陣變換器的重疊換流即可實現(xiàn)變壓器漏感以及濾波電感電流的自然換流。
[0024]四、本發(fā)明控制簡單，，實施方法靈活過程簡便，可有效提升整機效率和系統(tǒng)可靠性，有助于變換器的廣泛推廣，尤其適于新能源和電機控制等領(lǐng)域使用。
【附圖說明】
[0025]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0026]圖1為本發(fā)明所提及的單相高頻鏈矩陣式逆變器。
[0027]圖2為本發(fā)明解結(jié)耦單極性移相調(diào)制方法的系統(tǒng)原理框圖。
[0028]圖3為以波形圖象方式對解結(jié)耦單極性移相調(diào)制方法獲得功率管驅(qū)動信號的展不O
[0029]圖4為變壓器副邊矩陣變換器在解結(jié)耦單極性移相調(diào)制方法下的電路分解原理圖。
[0030]圖5為變壓器原邊高頻逆變器所采用的驅(qū)動信號邏輯電路。
[0031]圖6為變壓器副邊矩陣變換器所采用的驅(qū)動信號邏輯電路。
[0032]圖7為本發(fā)明解結(jié)耦單極性移相調(diào)制方法控制的單相高頻鏈矩陣式逆變器主要工作原理波形。
[0033]圖8 (a?h)為本發(fā)明解結(jié)耦單極性移相調(diào)制方法控制的單相高頻鏈矩陣式逆變器各階段等效電路圖。
【具體實施方式】
[0034]圖1為本發(fā)明所提及的單相高頻鏈矩陣式逆變器舉例。前級高頻逆變器將輸入電壓U/變換成雙極性三態(tài)的電壓波Uab，變壓器副邊矩陣/周波變換器將其轉(zhuǎn)換為單極性的SPWM波UCD，經(jīng)過濾波器后輸出電壓為正弦波U。?？梢娫搯蜗喔哳l鏈矩陣式逆變器的變換過程有DC/HFAC/LFAC三種功率特征，其中，HFAC為高頻交流，LFAC為低頻交流?？芍儞Q器中出現(xiàn)了 DC/AC即直流/交流逆變環(huán)節(jié)，也出現(xiàn)了 AC/AC即交流/交流變換環(huán)節(jié)。矩陣變換器與傳統(tǒng)AC/AC變換器相比，沒有中間儲能環(huán)節(jié)，采用雙向開關(guān)，可以實現(xiàn)能量的雙向流動，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、效率高，且輸出電壓幅值和頻率可以獨立控制。本發(fā)明即公開能夠簡單而可靠地實現(xiàn)單相高頻鏈矩陣式逆變器安全換流的解結(jié)耦單極性移相調(diào)制方法及邏輯。
[0035]圖2為本發(fā)明解結(jié)耦單極性移相調(diào)制方法的系統(tǒng)原理框圖。由單極性SPWM信息發(fā)生環(huán)節(jié)1、解結(jié)耦單極性移相調(diào)制方法邏輯處理電路2及被控對象單相高頻鏈矩陣式逆變器3組成。其中單極性SPWM信息發(fā)生環(huán)節(jié)產(chǎn)生SPWM信號、與期望輸出正弦波頻率相同的低頻方波信號以及二分之一開關(guān)頻率的高頻方波信號，并交由解結(jié)耦單極性移相調(diào)制方法邏輯電路進行信號變換和處理，所得驅(qū)動信號可實現(xiàn)變壓器原